Принцип современной коммуникации 9.1: Общая модель цифровой системы

  Модель системы цифровой связи представлена ​​на рисунке 1. Мы объясняем каждый модуль один за другим в соответствии с потоком сигналов.

Рисунок 1 Модель системы цифровой связи

• Источник

[Энциклопедия Baidu] Так называемый источник информации - это источник информации, которым могут быть люди, машины, объекты в природе и так далее. Когда источник отправляет информацию, она обычно выражается определенным образом информации, которая может быть символами, такими как текст, язык и т. Д., Или сигналами, такими как изображения, звуки и т. Д.

  Первый модуль на рисунке 1 является источником, сигнал или поток данных, выводимый источником, войдет во второй модуль, исходный код. Вообще говоря, источник может быть аналоговым или цифровым. Если источник аналоговый, считается, что он будет выводить сигнал определенной формы. Например, микрофон генерирует аналоговый речевой сигнал или аналоговый видеомагнитофон генерирует аналоговый видеосигнал, что означает, что количество форм сигналов, генерируемых источник бесконечен. Если источник является цифровым, обычно считается, что он выводит потоки данных «0» и «1».

• Исходное кодирование

[Энциклопедия Baidu] Кодирование источника - это преобразование символов источника с целью повышения эффективности обмена данными, а также для уменьшения или устранения избыточности источника.

  Вообще говоря, существует два разных типа исходного кода. Если источник является цифровым, основная функция кодирования источника заключается в сжатии путем уменьшения избыточности.Такое кодирование источника называется кодированием цифрового источника, которое кодирует поток входных данных и выводит новый поток битов. Мы используем только следующие примеры, чтобы дать краткое объяснение. Вы узнаете больше в курсе «Теория информации и кодирование».

  Например, для статического изображения человеческого лица яркость и цвет фона, человеческого лица, волос и т. Д. Изменяются плавно. Соседние пиксели и значения сигнала цветности относительно близки и имеют сильную корреляцию. Если информация о яркости и цветности каждого пикселя сохраняется напрямую, в данных появляется большая пространственная избыточность. Если избыточные данные удаляются перед кодированием, это означает, что количество битов, необходимых для каждого пикселя, будет уменьшаться.Это обычно называется внутрикадровым кодированием изображения, и данные могут быть сжаты за счет уменьшения пространственной избыточности.
  В качестве другого примера, видео представляет собой последовательность изображений кадра в направлении оси времени, и корреляция между изображениями соседних кадров также очень сильна.Обычно метод сокращения времени между кадрами используется для уменьшения избыточности времени. Например, для птицы на траве, если птица не двигается в течение нескольких секунд, то десятки или сотни кадров изображения могут остаться неизменными. Очевидно, что нет необходимости сохранять и передавать каждый пиксель каждого кадра изображения. ... Следовательно, можно выполнять межкадровое сжатие и использовать методы оценки движения и компенсации движения для удовлетворения требований к качеству декодирования во время восстановления.

  Если источник является аналоговым, основная функция кодирования источника заключается в преобразовании аналогового сигнала, генерируемого аналоговым источником, в цифровой сигнал, чтобы его можно было передавать в цифровой системе.Такое кодирование источника называется кодированием аналогового источника. Он кодирует входной аналоговый сигнал и выводит его в виде потока данных. В лекциях 14 и 15 мы узнаем об аналоговом кодировании речи, то есть о том, как превратить речевой сигнал в поток данных.

• Кодирование каналов

[Энциклопедия Baidu] Из-за помех и замирания в мобильной связи при передаче сигнала будут возникать ошибки. Поэтому цифровые сигналы необходимо исправлять с помощью технологии обнаружения ошибок, то есть технологии обнаружения и кодирования ошибок, чтобы улучшить передачу данных по каналу. возможности создания помех повышают надежность системы. Кодирование с обнаружением ошибок и ошибок, выполняемое для цифрового сигнала, передаваемого в канале, является кодированием канала. Причина, по которой канальное кодирование может обнаруживать и исправлять ошибки в принятом потоке битов, заключается в том, что некоторые избыточные биты добавляются для расширения информации, переносимой в нескольких битах, на большее количество бит. Плата за это заключается в том, что необходимо передать больше битов, чем требуется для информации.

  Очевидно, что роль кодирования канала и кодирования источника прямо противоположна. Кодирование источника предназначено для минимизации избыточности, а кодирование канала - для увеличения избыточности. Опять же, здесь мы приводим только простой пример, и вы узнаете больше в курсе «Теория информации и кодирование».

Первый пример - это проверка на четность, с которой каждый сталкивался на курсах, посвященных принципам работы с микрокомпьютерами и однокристальным микрокомпьютерам. Фактически, четность - один из простейших кодов обнаружения ошибок. Мы объединяем несколько битов двоичных данных для передачи в кадр и добавляем избыточный бит для каждого кадра, то есть бит четности. Если во всем кадре есть четное число «1», мы устанавливаем проверку четности на «0»; если есть нечетное количество «1», то устанавливаем его на «1». Очевидно, что если во время передачи кадр имеет нечетное количество ошибок, это может быть обнаружено битом четности. (Подумайте об этом, почему может быть обнаружено только нечетное количество ошибок?)
Четность может обнаруживать только часть ошибок при передаче, но не может исправлять ошибки. Возьмем еще один простой пример кода исправления ошибок, повторяющийся код. Например, мы собираемся отправить поток двоичных данных «10010». Если используется повторяющийся код, каждый бит отправляется трижды, то есть отправляются двоичные данные «111000000111000». Очевидно, здесь мы ввели избыточные биты. На принимающей стороне, если трехзначный кодовый выход «111», соответствующий первому биту, ошибочно изменен на «101» из-за влияния шума, используя принцип голосования, мы можем получить правильный выход, если два из трех такие же. "1".

  Из приведенного выше примера так называемый код обнаружения ошибок вводит избыточные биты, такие как биты четности, для обнаружения ошибок. Код исправления ошибок вводит избыточные биты, такие как биты повторяющейся передачи в повторяющемся коде, для исправления ошибок. Конечно, количество ошибок, которые можно обнаружить или исправить, связано с увеличением количества избыточных кодов. Вообще говоря, чем больше вводится избыточность, тем выше способность исправления ошибок.
  Очевидно, что выход канального кодировщика по-прежнему представляет собой последовательность битов, мы используем $\left\{{б}_N\right\}$ Чтобы указать. Затем мы перейдем к содержанию, которое мы обсудим в лекции 9, импульсной модуляции.

• Импульсная модуляция
    Так называемая импульсная модуляция, иногда мы также называем ее модуляцией основной полосы частот, это битовая последовательность $\left\{{б}_N\right\}$ Выражение сигнала, более конкретно в этой части, является выражением сигнала основной полосы частот. С точки зрения непрофессионала, необходимо выразить каждый бит как определенную форму волны, прежде чем его можно будет отправить в канал.
    Например, для битовой последовательности «11101001» мы можем представить ее формой сигнала слева на рисунке ниже, то есть «1» имеет длительность${Т}_s$Of $+$ Уровеньчтобы указать[${грамм}_1\left(t\right)$】, «0» использует продолжительность как${Т}_s$Уровень -A для представления [ ${грамм}_2\left(t\right)$ ], таким образом может быть получена форма сигнала битовой последовательности «11101001». Фактически, мы можем выбрать любые две формы волны для представления «0» и «1». Например, используйте две формы волны в правой части рисунка ниже, где${грамм}_1\left(t\right)$ находится при${Т}_s$Определенная форма сигнала во временном интервале, ${грамм}_2\left(t\right)$ - длительность${Т}_s$Также может быть получен сегмент нулевого уровня, форма сигнала битовой последовательности «11101001».

  Более того, мы также можем использовать четыре формы сигнала для представления битовой последовательности «11101001». Как показано на рисунке ниже, мы используем четыре формы сигнала основной полосы частот для представления четырех двухзначных двоичных битовых комбинаций, а именно
$$«00»\to {грамм}_1\left(т\right),«01»\to {грамм}_2\left(т\right),«10»\to {грамм}_3\left(т\right),«11»\to {грамм}_4\left(t\right).\; На$$ рисунке слева мы используем четыре прямоугольных импульсных сигнала основной полосы частот с разными амплитудами в качестве формы волны, а на рисунке справа мы используем четыре тональных сигнала с разными частотами в качестве формы волны (конечно, если частота однотонального сигнала очень высока) В то время это уже не сигнал основной полосы частот. Мы помещаем этот пример сюда или хотим проиллюстрировать, что выбор формы волны может быть произвольным).

  Расширяя приведенный выше пример, мы видим, что на самом деле мы можем выбрать любую форму сигнала для представления двоичной битовой последовательности, которую мы хотим отправить. Итак, как выбрать форму волны? Другими словами, какая форма волны может улучшить качество связи. Это ключевой контент, который мы узнаем ниже. Давайте посмотрим, какие ограничения ограничивают конструкцию формы сигнала, какая конструкция формы сигнала может обеспечить лучшую производительность? Это все вопросы, которые мы обсудим. Здесь первое, что нам нужно понять, это то, что импульсная модуляция использует подходящую форму волны сигнала основной полосы частот для представления потока битов, который мы хотим отправить. Конечно, на принимающей стороне вам необходимо извлечь поток битов из принятой формы волны.Эта функция реализуется модулем «обнаружения».

• Полосовая модуляция
    обозначена на рисунке. Полосовая модуляция здесь преобразует сигнал основной полосы частот в сигнал полосы частот, аналогично тому, что мы обсуждали в части аналоговой модуляции, которая представляет собой процесс преобразования с повышением частоты. Мы обсудим подробно в разделе цифровой передачи частотного диапазона. Обратите внимание, что если это цифровая передача в основной полосе частот, этот модуль не включается в систему.
• Канал
    Хотя фактический канал будет очень сложным, особенно в беспроводной связи, в нашем курсе рассматривается только канал AWGN, то есть перед входом в приемник накладываются полезный сигнал и аддитивный белый гауссовский шум. Мы обсудим два типа каналов AWGN: один с неограниченной полосой частот, а второй - с ограниченной полосой частот.
• 
    Эффект полосовой демодуляции прямо противоположен полосовой модуляции, которая выполняет преобразование с понижением частоты. Следовательно, его входной сигнал представляет собой сигнал с полосой пропускания, а его выходной сигнал представляет собой сигнал основной полосы частот. Точно так же, если это цифровая передача в основной полосе частот, такого модуля в системе нет.
• Функция обнаружения
    прямо противоположна импульсной модуляции, выделяя последовательность битов в форме сигнала. Из-за влияния шумовых помех его выход $\left\{{\widehat{б}}_N\right\}$ Часто с отправкой оригинала$\left\{{б}_N\right\}$ Не совсем то же самое, то есть возникает ошибка передачи.
• Канальное декодирование
     Канальное декодирование удаляет избыточные биты для обнаружения или исправления ошибок.
• Декодирование источника
     Если передающая сторона кодирует цифровой источник, декодирование источника здесь восстанавливает исходную информацию; если это кодирование аналогового источника, то восстанавливается аналоговый сигнал.