Цифровые радиосистемы: что это, плюсы и минусы

Электрический сигнал, отображающий звуковое сообщение, низкочастотен и испытывает сильное влияние природных и промышленных помех. В исходном виде он не может эффективно излучаться. В начале 80-х годов ХХ века опубликованы разработки, объясняющие, как передавать звук без проводов с помощью особых колебаний – импульсно-кодовых несущих, т.е. по дискретному каналу. В 1995 г. выпустили первые бытовые цифровые приемники. Сегодня цифровые радиосистемы используют для трансляции радиопередач и проведения онлайн-мероприятий (концертов, конференций и иных). Что же это за системы?

Что такое цифровая радиосистема?

Обобщенная упрощенная модель цифровой радиосистемы содержит элементы:

Источник информации (речь, музыка, компьютер, датчики, видеокамера, микрофон, набор кодов в устройстве памяти).
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Дискретизатор и квантователь выполняют дискретизацию по времени и уровню. Кодер превращает дискретные сообщения в последовательность чисел (цифр) и добавляет к исходным символам проверочные, чтобы обеспечить правильный прием.
Передатчик. «Вставляет» исходное сообщение в несущую и далее излучает в открытое пространство.
Приемник. Обнаруживает и принимает переданное сообщение в смеси с шумом и помехами, а также усиливает, поскольку в пути он затухает и приходит слабым.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Включает декодер и фильтр. Декодер нужен для обнаружения и исправления ошибок в полученном сигнале, возникающих из-за помех при передаче. Фильтр отбрасывает из принятого радиосигнала помехи.
Получатель сообщения.

Недостатки и преимущества цифровых радиотехнических систем рассматриваются по сравнению с аналоговыми.

Плюсы

Эффективнее используется частотный спектр

Частоту дискретизации рассчитывают на высокочастотных элементах сигнала, которые занимают относительно малые промежутки времени. Описание ею низкочастотных участков оказывается избыточным. Устраняют избыточность с помощью различных методов сжатия, любой из которых должен достаточно эффективно уменьшать объем передаваемого трафика.

В задачах передачи данных задают уровень искажения сигнала после фильтра и сложность реализации кодера с декодером. Конкретный метод выбирают, исходя из наилучшей величины коэффициента сжатия. Широкое применение нашел метод сравнения дискретного сигнала с фиксированными уровнями. Он прост в реализации и отличается высоким быстродействием.

Сжатая последовательность отличается от квантованной тем, что кодируются ординаты не всех отсчетов, полученных в дискретизаторе, а только тех, уровни квантования которых отличаются от предыдущих.

В результате закодированная последовательность занимает меньший частотный участок и больше каналов поместится на той же полосе частот, чем при случае несжатых сигналов. Некоторые устройства позволяют организовать в одном канале несколько подканалов, каждый из которых может быть использован под отдельный разговор.

Универсальность

По каналу можно передавать не только один вид данных (например, звук), но и неподвижные изображения, видео, оцифрованное телевидение, тексты, анимацию. Возможность совместной передачи аудиосигнала и текста, например, фамилии исполнителя и названия транслируемой в данный момент песни.

Высокая защищенность от помех и надежность

Они достигаются за счет помехоустойчивого кодирования и широкополосности. Пропускная способность канала телекоммуникаций равна (по формуле Шеннона):

С = V_{пд макс}= F_в log (1 + P_c / P_ш), где V_{пд макс} – наибольшая скорость передаваемой информации в канале с помехами; F_в – верхняя частота полосы пропускания; P_ш и P_c – мощности шума и сигнала.

Поскольку ИКМ-сигнал широкополосный (F_в – большая), то при следовании его по каналу полоса частот «обменивается» на мощность сигнала при получении в приемнике, т.е. повышается отношение P_c / P_ш на входе в ЦАП.

Оптимизация мощности передатчика

Благодаря широкополосности и согласно той же формуле Шеннона, этот показатель допустимо уменьшить в десятки раз.

Возможность снижения цены

Из-за унификации цифровых элементов цена может снижаться не только при очень большой серии одного или наличии массы разных приборов одного производителя, но и при сборке аппаратуры разных производителей.

Больше полезных функций

Например, автоматический поиск незанятой частоты или переключение в процессе работы на другой канал, если появились помехи. Довольно простое сопряжение с компьютерами, что важно в случае, когда создается автоматизированная сеть связи.

Минусы

Рабочий диапазон. Им приходится жертвовать для улучшения звука при большем количестве каналов. Ведь, согласно правила об «инженерном треугольнике», невозможно создать конструкцию с тремя достоинствами в одном устройстве.
Временная задержка. При доставке информации преобразование из аналоговой формы в дискретную и обратно требует дополнительного времени.
Требует специальной техники для приема. Например, принимать традиционное телевидение может любой телевизор (телеприемник), а цифровое – только со встроенным тюнером, понимающим формат DVB –T Пользователям старых телевизоров нужно купить к ним тюнеры как отдельные приставки.
Качество записи студийного звука. По естественности звучания компакт-диск и МР3 уступают виниловой пластинке, если слушать то и другое на качественном оборудовании. Запись на виниле нарезается в точном соответствии с оригинальным звучанием. Компакт-диск воспроизводит снимок аналогового сигнала не непрерывно, а только через определенные промежутки. Богаче в аналоговом звуке и частотный диапазон, отличающийся от цифры дополнительными гармониками. Потому меломаны так трепетно относятся к старым записям.
Хуже звучание в клубах. Диджеи часто меняют скорость передачи, варьируя плавной регулировкой на проигрывателе. При увеличении или замедлении скорости в цифровом звуке появляются шероховатости, поскольку интервалы разбивки пропускаются или добавляются.
Нельзя восстановить код с большими искажениями. Если ЦАП получает код с искажениями больше, чем исправляющая способность декодера, то восстановить исходную информацию нельзя. В аналоговых системах теряется только часть информации.
Дороже аналоговых.

Вывод

Переход всей страны на цифровое телевидение – это первый шаг к массовому внедрению дискретных радиосистем. Ощутимые преимущества дискретных устройств беспроводной передачи по сравнению с аналоговыми обещают первым более радужные перспективы, прежде всего, в сферах транспорта, образования и здоровья. Учитывайте эту тенденцию, уважаемые читатели, чтобы не пришлось догонять уходящий поезд!