Что такое s и q в цифровом сигнале
Сети кабельного телевидения для самых маленьких. Часть 4: Цифровая составляющая сигнала
Все мы прекрасно знаем, что мир техники вокруг — цифровой, либо стремится к этому. Цифровое телевещание — далеко не новость, однако если вы не интересовались этим специально, для вас могут быть неожиданными присущие ему технологии.
Состав цифрового телевизионного сигнала
Цифровой телевизионный сигнал представляет из себя транспортный поток разных версий MPEG (иногда и других кодеков), передаваемый радиосигналом с применением квадратурно-амплитудной модуляции QAM разной степени. Любому связисту эти слова должны быть ясны как день, поэтому приведу лишь гифку из википедии, которая, надеюсь, даст понимание что это такое для тех, кто просто ещё не интересовался:
UPD: В комментариях эта картинка признана некорректной, но, тем не менее, она весьма наглядна. Поэтому оставлю для тех, кто ничего не знает о модуляции и не очень хочет углубляться, но хочет понять что за точки мы тут обсуждаем.
Такая модуляция в том или ином виде используется не только для «телеанахронизма», но и всех, находящихся на пике технологий систем передачи данных. Скорость цифрового потока в «антенном» кабеле составляет сотни мегабит!
Параметры цифрового сигнала
Воспользовавшись прибором Deviser DS2400T в режиме отображения параметров цифрового сигнала, мы сможем увидеть как это бывает на самом деле:
В нашей сети пристутсвуют сигналы сразу трёх стандартов: это DVB-T, DVB-T2 и DVB-C. Рассмотрим их по очереди.
Этот стандарт не стал основным в нашей стране, уступив место второй версии, однако он вполне пригоден для использования оператором по той причине, что приёмники DVB-T2 обратно совместимы со стандартом первого поколения, а значит абонент может принять такой сигнал на практически любой цифровой телевизор без дополнительных приставок. Кроме того, предназначенный для передачи по воздуху стандарт (буква T — означает Terrestrial, эфир), обладает столь хорошей помехозащищённостью и избыточностью, что порой работает там, где по каким-то причинам не пролезает аналоговый сигнал.
На экране прибора мы можем наблюдать как строится созвездие 64QAM (стандарт поддерживает QPSK, 16QAM, 64QAM). Видно, что в реальных условиях точки отнюдь не складываются в одну, а приходят с некоторым разлётом. Это нормально до тех пор, пока декодер может определить к какому именно квадрату относится прилетевшая точка, но даже на приведённом изображении видны участки, где они расположены на границе или близко к ней. По этой картине можно быстро «на глаз» определить качество сигнала: при плохой работе усилителя, например, точки располагаются хаотично, а телевизор не может собрать картинку из полученных данных: «пикселит», а то и совсем замирает. Бывают случаи, когда процессор усилителя «забывает» добавить в сигнал одну из составляющих (амплитуду или фазу). В таких случаях на экране прибора можно увидеть круг или кольцо размером во всё поле. Две точки за пределами основного поля являются опорными для приёмника и не несут информации.
В левой части экрана под номером канала мы видим количественные параметры:
Уровень сигнала (P) в тех же дБмкВ, что и для аналога, однако для цифрового сигнала ГОСТ регламентирует уже лишь 50дБмкВ на входе в приёмник. То есть на участках с бо́льшим затуханием «цифра» будет работать лучше аналога.
DVB-T2
Принятый в России стандарт цифрового эфирного вещания так же может быть передан по кабелю. Форма созвездия при первом взгляде может несколько удивить:
Этот стандарт изначально создан для передачи по кабелю (C — Cable) — среде намного стабильнее воздуха, поэтому позволяет использовать более высокую степень модуляции чем DVB-T, а значит и передавать больший объём информации, не используя при этом сложное кодирование.
Тут мы видим созвездие 256QAM. Квадратов стало больше, размер их стал меньше. Вероятность ошибки увеличилась, а значит для передачи такого сигнала нужна более надёжная среда (или более сложное кодирование, как в DVB-T2). Такой сигнал может «рассыпаться» там, где работают аналог и DVB-T/T2, однако он так же имеет запас помехозащищённости и алгоритмы исправления ошибок.
В силу большей вероятности ошибки, параметр MER для 256-QAM нормирован уже в 32дБ.
Счётчик ошибочных бит поднялся ещё на порядок и вычисляет уже один ошибочный бит на миллиард, но даже если их будет сотни миллионов (PRE-BER
E-07-8), то используемый в этом стандарте декодер Рида-Соломона устранит все ошибки.
Понятие I/Q сигналов и квадратурной модуляции
Узнайте об «I/Q» сигналах, о том, как они используются, и чем они полезны в радиочастотных системах.
Данная глава не будет полной без статьи о квадратурной демодуляции. Однако, прежде чем мы рассмотрим квадратурную демодуляцию, нам нужно хотя бы кратко обсудить квадратурную модуляцию. А прежде чем мы обсудим квадратурную модуляцию, нам нужно узнать об I/Q сигналах.
Синфазный и квадратурный
Термин «I/Q» является аббревиатурой от «in-phase» (синфазный) и «quadrature» (квадратурный). К сожалению, уже здесь у нас проблема с терминологией. Прежде всего, «синфазный» и «квадратурный» сами по себе не имеют никакого значения; фаза является относительной, и что-то может быть «в фазе» или «не в фазе» относительно другого сигнала или установленной опорной точки. Кроме того, теперь у нас есть слово «квадратурный», применяемое как к сигналу, так и к способам модуляции/демодуляции, связанным с этим сигналом.
В любом случае «синфазный» и «квадратурный» относятся к двум синусоидам, которые имеют одинаковую частоту и сдвиг по фазе 90°. По соглашению, I-сигнал является сигналом косинусоиды, а Q-сигнал представляет собой сигнал синусоиды. Как вы знаете, волна синусоиды (без какой-либо дополнительной фазы) сдвинута относительно волны косинусоиды на 90°. Другой способ выразить это состоит в том, что сигналы синусоиды и косинусоиды являются квадратурными сигналами.
Первое, что нужно знать об I/Q сигналах, заключается в том, что они всегда модулируются по амплитуде, а не по частоте или фазе. Однако амплитудная I/Q модуляция отличается от способа амплитудной модуляции, обсуждаемой в главе 4: в I/Q модуляторе сигналы, которые модулируют I/Q синусоиды, не смещаются по напряжению, поэтому они всегда положительны. Другими словами, I/Q модуляция включает в себя умножение I/Q сигналов на модулирующие сигналы, которые могут иметь отрицательные значения напряжения, и, следовательно, «амплитудная» модуляция может привести к фазовому сдвигу на 180°. Позже мы рассмотрим эту проблему подробнее.
Так в чем преимущество двух модулированных по амплитуде синусоид, которые имеют расхождение по фазе 90°? Почему так широко распространены I/Q модуляция и демодуляция? Читайте дальше.
Суммирование I и Q
Сигналы I и Q сами по себе не очень интересны. Интересное происходит при сложении осциллограмм сигналов I и Q. Оказывается, что любая форма модуляции может быть выполнена просто путем изменения амплитуды (только амплитуды) сигналов I и Q, а затем их суммирования.
Если вы возьмете сигналы I и Q равной амплитуды и сложите их, результатом будет синусоида с фазой, которая находится точно между фазой сигнала I и фазой сигнала Q.
Сложение сигналов I и Q
Другими словами, если вы считаете, что фаза сигнала I равна 0°, а фаза сигнала Q равна 90°, то сигнал после складывания будет иметь фазу 45°. Если вы хотите использовать эти I и Q сигналы для создания амплитудно-модулированного сигнала, вам необходима просто модулировать по амплитуде отдельные сигналы I и Q. Очевидно, сигнал будет увеличиваться или уменьшаться по амплитуде, если он создается путем сложения двух сигналов, которые одновременно увеличиваются или уменьшаются по амплитуде. Тем не менее, вы должны быть уверены, что амплитудная модуляция, применяемая к сигналу I, идентична амплитудной модуляции, применяемой к сигналу Q, потому что, если они не будут идентичны, вы получите фазовый сдвиг. А это приводит нас к следующему свойству I/Q сигналов.
От амплитуды к фазе
Фазовая модуляция (в форме фазовой манипуляции) является важной технологией в современных радиочастотных системах, и она может быть реализована путем изменения амплитуды сигналов I/Q. Рассмотрим следующие диаграммы:
Реализация фазовой манипуляции с помощью I/Q сигналов 
Реализация фазовой манипуляции с помощью I/Q сигналов
Как вы можете видеть, увеличение амплитуды одного из сигналов относительно другого приводит к смещению результирующего сигнала по фазе в сторону сигнала с более высокой амплитудой. И это интуитивно понятно: если вы устранили, например, Q-сигнал, то сигнал, полученный в результате сложения, будет полностью сдвинут на фазу I-сигнала, потому что (очевидно) добавление I-сигнала к нулю приведет к тому, что сигнал сложения будет идентичен I-сигналу.
Из приведенного выше обсуждения видно, что I/Q сигналы могут использоваться только для сдвига сигнала на 90° (т.е. 45° в каждом направлении): если амплитуда Q-сигнала уменьшается до нуля, результирующий сигнал смещается до фазы I-сигнала; если амплитуда I-сигнала уменьшается до нуля, результирующий сигнал смещается до фазы Q-сигнала. Как же тогда мы могли бы использовать I/Q сигналы для получения (например) квадратурной фазовой манипуляции (QPSK), которая использует значения фазы, охватывающие диапазон 270°? Обсудим это в следующем разделе.
Квадратурная модуляция
Термин «квадратурная модуляция» относится к модуляции, которая основана на суммировании двух сигналов, которые находятся в квадратуре. Другими словами, это модуляция на основе I/Q сигналов. В качестве примера того, как работает квадратурная модуляция, мы будем использовать QPSK, и в этом процессе мы увидим, как амплитудная модуляция I/Q сигналов может создавать сдвиги фазы более 90°.
Структурная схема QPSK модулятора
Это базовая структурная схема QPSK модулятора. Во-первых, поток цифровых данных обрабатывается так, что два последовательных бита становятся двумя параллельными битами. Оба этих бита будут передаваться одновременно; другими словами, как упоминалось в этой статье, QPSK позволяет одному символу передавать два бита. Гетеродин генерирует несущую синусоиду. Сам сигнал гетеродина становится несущей I, а для создания несущей Q применяется фазовый сдвиг на 90°. Несущие I и Q умножаются на потоки данных I и Q, и два сигнала, полученные в результате этих умножений, суммируются для получения QPSK-модулированного сигнала.
Потоки данных I и Q модулируют по амплитуде несущие I и Q, и, как объяснялось выше, эти отдельные амплитудные модуляции могут использоваться для получения фазовой модуляции в конечном сигнале. Если потоки данных I и Q являются типовыми цифровыми сигналами, изменяющимися от потенциала земли до некоторого положительного напряжения, мы будем применять для несущих I и Q манипуляцию «включено-выключено», и наш фазовый сдвиг будет ограничен до значения 45° в любом направлении. Однако, если потоки данных I и Q являются биполярными сигналами (т.е. они изменяются от отрицательного напряжения до положительного напряжения), наша «амплитудная модуляция» будет фактически инвертировать сигнал несущей, когда входные данные будут на низком логическом уровне (поскольку отрицательное входное напряжение, умноженное на сигнал несущей, приводит к инверсии). Это означает, что у нас будет четыре состояния I/Q:
Что мы получим при суммировании в каждом из этих случаев? (Обратите внимание, что на следующих диаграммах частота сигналов выбрана так, чтобы количество секунд на оси x было таким же, как фазовый сдвиг в градусах.)
I – нормальный, Q – нормальный 
I – нормальный, Q – инвертированный 
I – инвертированный, Q – нормальный 
I – инвертированный, Q – инвертированный
Как вы можете видеть, сложение в этих четырех случаях как раз то, что нам нужно для QPSK сигнала: фазовые сдвиги 45°, 135°, 225° и 315°.
Основы беспроводных сетей
Аналоговые и цифровые сигналы. Модуляция
Аналоговые и цифровые сигналы
При распространении сигналов в какой-либо среде, они носят непрерывный по величине и времени характер. Сигналы, непрерывные по величине напряжения и времени, называются аналоговыми (рисунок 1(а)). Основной причиной массового перехода от аналоговых сигналов к цифровым в беспроводных системах связи является развитие цифровой техники, которая оперирует численными данными, а не аналоговыми сигналами. Также, в пользу цифровых сигналов сыграли возможность восстановления в промежуточных узлах передачи и инструмент кодирования, используемый для восстановления утерянных данных и решения вопросов безопасности.
Результат двух операций, дискретизации и квантования, над аналоговым сигналом называется цифровым (рисунок 1(г)).
Используя цифровые сигналы, можно представить исходный аналоговый сигнал в виде конечной числовой последовательности, что облегчит хранение и обработку данных, а также сделает возможным использование схем кодирования.
Важным достоинством цифровых сигналов является возможность их воспроизведения: принятый аналоговый сигнал может быть усилен по амплитуде, однако, наряду с сигнальной составляющей, будет усилена помеха, тогда как цифровой сигнал может быть сначала декодирован, после чего сгенерирован заново.
Кодирование
Под кодированием подразумевается однозначное преобразование числовой последовательности в другую числовую последовательность, как правило, большей длины. Кодирование применяется с целью обнаружения и/или исправления ошибок, возникших при передаче данных.
Рассмотрим простейший вид кодирования с проверкой на чётность: для этого запишем числовую последовательность, полученную в предыдущем пункте, поэлементно в столбец:
К каждому из символов добавим дополнительный бит, который равен нулю, если сумма битов числа чётная, и равен единице, если сумма битов числа нечётная. Таким образом, сумма битов нового четырёхзначного числа является чётной.
При передаче последовательность модулирует несущий сигнал и передаётся в эфир. На приёмной стороне полученный сигнал декодируется и делится на 4-битные последовательности, каждая из которых кодирует один символ. Далее, каждое из четырёхбитных чисел проверяется на чётность и, в случае, если сумма битов является нечётной, то фиксируется ошибка в передаче данного символа. Код с проверкой на чётность может только обнаруживать одну ошибку при передаче символа, т.е. если будут неверно приняты два из четырёх битов, то ошибка обнаружена не будет. Рассмотренный метод кодирования является достаточно простым, однако существуют более сложные кодовые конструкции, которые позволяют не только обнаруживать, но и исправлять одну или несколько ошибок.
Модуляция
Сигнал, содержащий информацию, занимает определённую полосу, располагается в области низких частот и называется модулирующим. Высокочастотный сигнал, один или несколько параметров которого изменяются в соответствии с модулирующим сигналом называется модулируемым. При этом процесс преобразования высокочастотного гармонического сигнала, в ходе которого спектр информационного сигнала переносится в область высоких частот, называется модуляцией. Использование данного преобразования имеет два преимущества:
Схема модуляции
Процесс модуляции состоит в изменении амплитуды, частоты или фазы несущей частоты в соответствии с поступающими данными.
Обратимся к рисунку 4 для пояснения процесса модуляции. Генератор несущей формирует опорный сигнал, представляющий из себя гармонический сигнал заданной частоты, который поступает на вход модулятора. Источник передаваемого сообщения формирует поток бит, которые необходимо передать на приёмную сторону. В соответствии с сформированным потоком бит в блоке модулятора изменяются один или несколько параметров опорного сигнала, после чего, полученный сигнал передаётся в следующие каскады передатчика и излучается в направлении приёмника.
Сигнальное созвездие IQ
Одним из инструментов при оценке схемы модуляции сигнала является изображение сигнального созвездия, которое представляет из себя способ представления радиосигнала в виде двухмерной точечной диаграммы на комплексной плоскости. Любой сигнал может быть представлен как сумма синфазной ( I ) и квадратурной ( Q ) составляющих и изображается как точка на комплексной плоскости. Совокупность сигналов, которую формирует передатчик и которая, исказившись в процессе распространения, детектируется на приёмной стороне, образует на комплексной плоскости множество точек, называемых сигнальным созвездием.
Амплитудная манипуляция (ASK, AM)
Частотная манипуляция (FSK, ЧМ)
Фазовая манипуляция (PSK, ФМ)
Квадратурно-амплитудная манипуляция (QAM, КАМ)
В рассмотренных выше видах манипуляции, в соответствии с информационным сообщением изменялся один из параметров высокочастотного сигнала: амплитуда, частота или фаза. В квадратурно-амплитудной манипуляции используется комбинация различных амплитудных уровней и фазовых сдвигов, которые ставятся в соответствие передаваемым битам информации. Так, при использовании QAM-16 разрешено 4 значения амплитуды и 4 значения фазовых сдвигов, что при комбинации «каждый с каждым» даёт 16 возможных вариантов сигнала, каждому из которых соответствует точка на сигнальном созвездии:
Пусть, при передаче рассматриваемой информационной последовательности, используется QAM-16. Тогда осциллограммы модулированного сигнала будут выглядеть следующим образом:
Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)
Одной из проблем при распространении сигнала, как было показано в уроке «Принципы распространения радиосигнала», является многолучёвость, последствием которой является межсимвольная интерференция (МСИ). Одним из методов борьбы с МСИ является использование OFDM, применение которого делит используемый частотный диапазон на множество поднесущих, на каждой из которых используется сниженная модуляция с большим защитным интервалом, сохраняя при этом общую скорость передачи. Кроме того, использование OFDM позволяет повысить устойчивость системы к частотно-избирательным замираниям, поскольку влияние будет оказано лишь на отдельные поднесущие, а не на весь спектр сигнала. Недостатком метода является чувствительность к эффекту Допплера.
Далее, каждый из потоков поступает в радиотракт, где каждый из них переносится на заданную частоту и передаётся в эфир:
Однако, в случае, если при распространении сигнал сильно искажается и, на самом деле, была передана другая последовательность, например «0011», то возникает ошибка. В беспроводных системах связи, с помощью периодической рассылки служебных сообщений, происходит постоянный контроль за параметрами радиоканала и, в случае возникновения описанной ситуации, система может понизить манипуляцию, например до QAM-4. Это позволит снизить число ошибок при передаче ценой снижения скорости в канале. Сигнальное созвездие после смены манипуляции представлено на рисунке 14(в). При снижении манипуляции, увеличивается область вокруг каждого из разрешённых состояний, что непосредственно влияет на уровень ошибок при передаче.
Скорость передачи данных
Квадратурная модуляция без формул, на пальцах
Когда юные и не совсем дарования пытаются понять, что это?, их отпугивает куча формул из вышей математики, имена светил науки, которые постигли Дзен. Куда мне до них, говорят каждые первые, закрывая умные книги по теории сигналов, ЦОС и т.д.
Попробую на простых примерах, без залезания в дебри, разобрать вопрос. Обещаю, что обойдусь без формул, но и выражений «вот та херня» не будет.
С гармоническим сигналом знакомы? С обычным сигналом изменяющимся по закону синуса. Думаю, да, иначе дальше говорить не о чем. А как он изменяется в «профиль? Очевидно- по закону косинуса. Вот и вся разгадка квадратуры. Мы видим сигнал по двум координатам, и можем одновременно судить о мгновенной фазе и амплитуде! Одновременно!
Хитрые математики спрятали фазу в понятии мнимая единица, выразили то, что недоступно на плоском листке.
И так, передадим однополосный сигнал от передатчика к приемнику с использованием квадратурного модулятора и детектора. Ну, передавать обычный модулирующий гармонический сигнал не интересно, он выродится в обычную передачу несущей (CCW), нюансы по изменению спектра упустим. Хотя, Ленин и велел брать телеграф, он делал правильно. Слушал того Бонча-Бруевича, который революционер.
Ладно, берем классический двухтональный сигнал для испытания передающего тракта.
Он, же составленный из двух сигналов в протеусе:
Физически, это два дурака свистящие в свистки в один микрофон с разницей частот в 1 Кгц, абсолютно когерентно, и с разницей амплитуд в два раза.
Введем ортогональное дополнение сигнала, такое, чтобы сумма их энергий была равна нолю.
Любой энергетик знает, что энергия равна нолю когда сдвиг фаз равен 90 градусам, но как быть в нашем случае? А просто, фазу обеих крутим на 90 градусов, заметьте каждого!
Да, именно каждого, в этом суть наиважнейшего преобразования Гильберта!
Делаем анализ Фурье, и что видим? Спектры сигнала и его дополнения абсолютно идентичны!
Линии и их амплитуды абсолютно там, где нужно. Но сигналы разные, их фазовый состав различен.
Теперь перенесем спектр исходного сигнала на несущую, скажем на 1 Мгц, но сделаем это хитро, с помощью квадратурного смесителя, который даст сумму произведений наших сигналов с сигналом гетеродина и его дополнением, смекаете, что должно получиться? Самоуничтожится несущая и одна боковая! Получаем шикарную SSB/ Приступим:
Видим прекрасный ВЧ сигнал и спектр нашего НЧ, перенесённый на нижнюю боковушку.
А вот так, в принципе, выглядит схема передатчика.
В чем цимус метода? А можно формировать любую модуляцию и манипуляцию цифровыми методами, не меняя схемотехнику. Все современные передающие устройства строятся именно так.
Ps Если «зайдет» можно рассмотреть прием и вообще «углубиться.
Лига Радиолюбителей
657 постов 6.7K подписчиков
Правила сообщества
Соблюдайте правила Пикабу. Посты выкладывать лишь касаемо нашей тематики. Приветствуется грамотное изложение. Старайтесь не использовать мат.
Постарайтесь не быть снобами в отношении новичков. Все мы когда-то ничего не знали и ничего не умели.
Интуитивно то понятно про все эти модуляции. Берем сигнал несущей частоты, и меняем его как нибудь, дабы замодулировать информационный (или как там его) сигнал.