Тема 2.2. Преимущества и недостатки цифровых сетей передачи. Проблемы, решаемые при цифровой передаче речи в мобильных терминалах
Требования к знаниям
Студент должен
знать:
· причины «цифровизации» в технике мобильной связи (применение БИС, мультиплексирование и сигнализация, минимум ошибок при регенерации сигнала, уменьшение соотношения сигнал/шум, шифрование);
· схему цифровой обработки аналоговых сигналов;
· приложения цифровой обработки сигналов (эхокомпенсаторы, цифровая обработка аналоговых служебных сигналов, низкоскоростное компрессирование речи, канальное кодирование);
· недостатки цифрового оборудования передачи речи (расширение полосы частот, необходимость временной синхронизации, несовместимость с аналоговыми устройствами).
Содержание учебного материала
Большинство аналоговых диспетчерских и транкинговых систем разработаны в 70-80 годы уже прошлого столетия. В сотовой связи во второй половине 90-х годов переход от 1-го поколения ко 2-му цифровому поколению был больше «техническим», чем пользовательским. Переход к 3-му поколению при огромном техническом скачке содержал и новые потребительские свойства, связанные с предоставлением мультимедиа услуг и скоростной (до 2 мбит/с) передачей данных. Технология высокоскоростной пакетной передачи HSPA - позволила сетям UMTS достичь скоростей 3,8G. Сформировалось новое направление в связи – системы широкополосного беспроводного доступа на базе стандартов группы радиооборудования института инженеров по электротехнике и электронике IEEE 802.ХХ.
Профессиональная же связь, диспетчерская и транкинговая, технологическая и общего пользования так и осталась в основном на прежнем уровне. Разработанные цифровые стандарты профессиональной связи в России пока не нашли массового применения. Являясь на период разработки передовыми технологиями, в связи с бурным развитием именно сотовой связи общего пользования и формированием сетей 3G, цифровые транкинговые сети не развившись, морально устаревали, а это требовало постоянной модернизации стандартов. В рамках открытого стандарта Tetra родилось несколько систем, разработана усовершенствованная версия Tetra Relize 11. Что бы понимать, насколько ещё в профессиональной связи продлится жизнь аналоговых технологий, рассмотрим некоторые технические преимущества, обусловившие преимущество технологий цифровых и замену аналоговых технологий на примере сотовых сетей:
1). Аналоговые системы чувствительны к шумам, искажениям, перекрёстным помехам. Эти помехи не могут быть устранены так же просто, как в цифровых системах. В случае искажения сигналов в аналоговых системах требуется повторная передача, в цифровых системах возможно восстановление искажённой и утерянной информации.
2). Регенерация сигнала. При переводе аналогового сигнала в цифровой формат каждый дискретно взятый отсчёт представляется некоторым двоичным числом информации. При передаче каждая двоичная цифра представляется одним из двух возможных сигналов. Если при передаче отсутствовали искажения сигналов, то данные в приёмнике будут полностью идентичны переданной последовательности. Но в системах мобильной связи передаваемый сигнал подвергается значительным искажениям (для сотовой связи см. тему 3.4). Основным достоинством цифровой системы, является возможность восстановления искажённой информации в приёмной части линии передачи путём введения в передаваемую информацию дополнительных «восстанавливающих» битов информации.
3). Использование современных технологий снижает себестоимость оборудования и повышает надёжность работы при эксплуатации. Большие преимущества современных технологий даёт применение БИС, разработанных специально для таких функций, как кодирование/декодирование речи, мультиплексирование/демультиплексирование, коммутация.
Простота мультиплексирования цифровых сетей позволяет значительно снизить затраты на стоимость кабельных соединений внутри и снаружи сети.
4). Простота сигнализации. Переход к сигнализации по общему каналу снижает затраты на оборудование. Но системы с временным разделением каналов требуют жёсткой временной синхронизации, Особенно высоки требования в системах с кодовым разделением, для реализации которых в состав сетевого оборудования вводятся GPS/ГЛОНАСС приёмники.
5). Расширение видов обслуживания. Разрешающая способность элементной базы и возможности схемотехники позволяют создавать новые услуги и стимулировать потребительский спрос и наоборот.
6). Работоспособность при малых отношениях сигнал/шум/помеха. Шум и помехи в аналоговом оборудовании становятся особенно слышны в паузах, когда амплитуда сигнала мала. Передача в цифровых системах ведётся только во время разговора абонента, в паузах даже специально создаётся уровень комфортного шума.
7). Высокая степень защиты информации. Функция безопасности для мобильной связи весьма существенна, а для профессиональных систем – одна из главных. Цифровые системы имеют сложные алгоритмы цифровой обработки сигнала, усложняющие считывание информации, Кроме того, в цифровых системах функция шифрования вводится достаточно просто.
Цифровым сообщением называется последовательность, состоящая из N символов, каждый из которых может принимать M значений. Каждый символ передает 
бит информации.
Так, при модуляции 2ФМ(BPSK) символы бинарного сообщения могут принимать одно из 2-х значений: 0 или 1, каждый символ сообщения содержит 1 бит информации.
При 4ФМ(QPSK), символы могут принимать M значений из множества {a,b,c,d}, каждый символ передает 2 бита информации [4].
а) 2-х уровневый сигнал б) 4-х уровневый сигнал
с прямоугольной формой с прямоугольной формой
{1}=110101 импульсов {1}=aabcad
( N=6 символов)
в) биполярный сигнал с
косинусоидальной
формой импульсов
{1}=110101
Рис. 1
Временное представление цифровых сигналов различной формы длинны.
,
Где 
- длительность импульса
- длинна сообщения
N – количество символов в сигнале
В частной области цифровой сигнал представляется как baseband – сигнал. Baseband – сигналом называется сигнал, частотный спектр которого расположен непосредственной близости от нулевой частоты, симметричен относительно нулевой частоты и ограничен по занимаемой полосе частот:
,
Где 
максимальная частота в спектре сигнала
Модуль спектра baseband сигнала показан на рис. 2
Рис. 2
Спектр baseband-сигнала
Он может содержать или нет постоянную составляющую, иметь колебательный или монотонный характер.
Из сказанного следует, что принципиальное отличие цифрового сигнала от аналогового заключается в различной взаимосвязи информационных и физических параметров сигнала. Передаваемая информация в цифровом сигнале определяется в четыре N временных точках, количество которых равно 
и не зависит от верхней частоты в спектре сигнала [4].
Амплитуда каждого импульса цифрового сигнала может принимать строго ограниченное число значений (Многоуровневые сигналы). В результате величина передаваемой информации в цифровом сигнале определяется произведением количества битов информации, заключенных в каждом импульсе, на количество импульсов.
Аналоговый сигнал определяется своими значениями в N временных точках, количество которых равно 
, т. е. зависит от верхней частоты спектра.
Вывод: цифровой сигнал может принимать ограниченное число значений в точках отчета, а количество точек сигнала не зависит от ширины спектра сигнала (при постоянной скорости передачи).
Аналоговый сигнал может принимать любое значение в точках отчета, а количество точек отчета определяется верхней частотой его спектра.
Символьная скорость 
(бод), т. е. обратно пропорциональна длительности сигналов в цифровом сигнале.
Битовая скорость 
Для 2ФМ количество уровней N=2, количество битов информации в символе 
.
Символьная и битовая скорости совпадают. D=R и 
.
Для 4ФМ количество битов в символе 
, скорость передачи символов D в 2 раза меньше, чем битовая скорость передачи информации R, а символьный интервал в 2 раза больше битового интервала 
.
Вывод: полоса частот цифрового сигнала зависит от скорости передачи символов, но не от скорости передачи информации. Сигнал 4ФМ занимает вдвое меньшую полосу частот по сравнению с 2ФМ при одинаковой скорости передачи. При одинаковой полосе частот скорость передачи в 4ФМ в 2 раза выше по сравнению с 2ФМ.
Вопросы самоконтроля
- Поясните преимущества цифровых методов передачи информации.
- Имеются ли недостатки в цифровых системах?