От Офф-Топик
К Офф-Топик
Дата 20.06.2002 01:59:15
Рубрики Прочее; Современность; Спецслужбы;

История регламента радиосвязи




Расширение используемого диапазона частот
Развитие радиосвязи и вещания неразрывно связано с решением сложнейших технических вопросов использования частотного спектра. Поэтому историю этого развития целесообразно начать с изложения истории освоения диапазонов частот и расширения областей применения радиосвязи в различных сферах человеческой деятельности. Сегодня имеются следующие основные области применения радиосистем:

служба радиовещания (звукового (3В) и телевизионного (ТВ) наземного и спутникового. Услугами этой службы сегодня пользуются более миллиарда людей, и для нее выделены значительные участки спектра в разных диапазонах частот;
фиксированная служба, к которой относятся как радиосистемы фиксированной связи, обеспечивающие передачу многоканальных сообщений между двумя фиксированными пунктами на земной поверхности средствами наземной и спутниковой связи, так и системы абонентского радиодоступа, позволяющие подключать отдельных абонентов к сети связи общего пользования;
системы наземной и спутниковой подвижной связи, которые за последние двадцать лет приобрели огромное значение. Сегодня количество абонентов сотовых систем связи во всем мире приближается к 650 миллионам, и ожидается, что в первом десятилетии XXI века оно превысит один миллиард;
системы радионавигации и радиолокации, обеспечивающие управление движением воздушного, морского и сухопутного транспортов и их безопасность, а также всемирная спутниковая служба точного времени и частоты, играющие значительную роль в современной технике. Возрастающее значение последней обусловлено тем, что общей тенденцией развития систем связи является объединение отдельных цифровых систем связи в общую, глобальную цифровую сеть обмена сообщениями. Сигналы единого времени для всех станций позволяют избежать потерь в пропускной способности такой сети при асинхронном сопряжении цифровых потоков информации;
весьма важно применение радио для различных научных и прикладных исследований: поверхности Земли, космического пространства, в области радиоастрономии и т. п.
В XX веке колоссально возросло количество действующих радиостанций. Приведем некоторые цифры, характеризующие рост количества действующих вещательных радиостанций: к 1927 году в мире (США и Европа) действовало более 500 вещательных станций, к 1947 году в диапазоне частот ниже 20 МГц в Международном регистре частот было зарегистрировано уже 45 000 радиостанций гражданского назначения, а к 1984 году в полосе 87,5 - 108 МГц в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ) работали 53 000 станций с частотной модуляцией (ЧМ).

Интенсивность использования радиочастотного спектра (РЧС) постоянно возрастала и сопровождалась перегрузкой частотного спектра и необходимостью решения чрезвычайно острых проблем устранения взаимных помех между работающими радиостанциями. Это требовало на всем протяжении истории развития радиосвязи и вещания разработки процедур проведения международной координации наземных и спутниковых систем связи, принятия международно-признанных стандартов на параметры радиооборудования, методов радиоконтроля за работой действующих радиосистем, методов частотного планирования сетей радиосвязи и вещания, а также расширения используемого спектра частот.

Первый Регламент радиосвязи (РР) был принят в Международном союзе электросвязи (МСЭ) в 1903 году. Он содержал правила ведения связи и Таблицу распределения полос частот (ТРЧ) для существовавшей в то время всего одной морской подвижной службы. Этот РР уточнялся в 1906, 1912 и 1920 годах. В 1927 году был принят новый РР, который ввел новые радиослужбы: вещания, воздушную подвижную (ВПС) и фиксированную (ФС) - к этой службе относились радиосистемы, обеспечивающие передачу сообщений между двумя фиксированными пунктами на земной поверхности. В ТРЧ была значительно расширена используемая полоса частот (с 10 до 60 000 кГц).

Первые двадцать лет развития радио ученые и инженеры полагали, что радиоволны с частотой выше 200 кГц практически не пригодны для радиосвязи, и до 1922 года их было разрешено использовать для любительской связи. Однако после того, как радиолюбители установили, что с помощью маломощных радиостанций, работающих в диапазоне высоких частот (ВЧ), можно поддерживать связь на тысячи километров, начались интенсивные исследования возможностей использования высокочастотных диапазонов для создания радиосистем разного назначения. В результате выполненных исследований, в которых приняли участие десятки тысяч ученых и инженеров многих стран мира, совершенствовалась передающая, приемная и антенная техника, расширялись знания в области распространения радиоволн.

С начала 20-х годов одной из основных областей применения радио становится вещание. Почти на всех Всемирных радиоконференциях (ВРК), проводимых МСЭ, рассматривались вопросы расширения полос частот для службы вещания, частотного планирования сетей вещания и стандартизации их параметров. В 1925 году был организован Европейский союз вещания (EBU). Эта организация и в настоящее время играет значительную роль в развитии современных систем вещания. К середине 30-х годов была установлена возможность вещания с помощью широкополосной частотной модуляции. В эти же годы радиосвязь начала широко применяться в авиации. В 1938 году для развития служб вещания, ВПС, ФС и любительской службы ТРЧ была расширена до 200 МГц.

В течение предвоенных и военных лет (до 1945 г.) существенное развитие получила техника сверхвысоких частот (СВЧ) и были освоены диапазоны частот до 10 ГГц и даже до 30 ГГц.

Во время войны работы в области международного регулирования использования радиочастотного спектра были приостановлены. Однако сразу после окончания Второй мировой войны, в 1947 году, на ВРК была принята новая ТРЧ, регламентирующая использование полос частот различными службами вплоть до 10,5 ГГц.

Новый этап развития радиосистем начался в 1957 году после запуска в СССР первого искусственного спутника Земли. Появляются спутниковые службы: вещания (ССВ), фиксированная (ФСС), космических исследований (КИ) и т. п. На ВКР в 1959 году выделяются полосы частот для развития спутниковых служб, и ТРЧ расширяется до 40 ГГц. Совершенствование и весьма высокие темпы развития радиотехники, радиосвязи и вещания, расширение областей их применения постоянно требуют увеличения используемой полосы частот, и на ВРК в 1971 и 1979 годах принимаются решения о расширении ТРЧ вначале до 275 ГГц, а затем до 400 ГГц.

В последние десятилетия XX века появляется значительное количество новых радиотехнологий, которые обеспечат беспрецедентно высокий уровень развития радиосвязи и вещания в XXI веке. На ВРК регулярно ведется работа по выделению для этих технологий полос частот, и в связи с этим международным сообществом принимаются решения о перераспределении в пользу новых технологий имеющегося частотного ресурса, в котором сегодня работают морально устаревшие системы.

Только в течение последнего десятилетия XX века были выделены полосы частот для развития следующих радиотехнологий:

телевидения высокой четкости (ТВЧ),
цифрового звукового и телевизионного вещания,
систем наземной и спутниковой подвижной связи 3-го поколения в диапазоне 2ГГц,
воздушной подвижной системы связи общего пользования,
глобальных спутниковых систем связи "Teledesic", "Sky Bridge" и др.,
систем фиксированной связи высокой плотности и др.
Об исторических этапах создания всех этих технологий будет кратко рассказано в этой книге.

Развитие радиосистем и расширение областей их применения происходит так быстро, что диапазоны частот ниже 20 ГГц в развитых странах сегодня оказались перегруженными действующими системами. В настоящее время создаются и внедряются системы радиосвязи, работающие в диапазоне частот вплоть до 60 ГГц. Высокочастотные диапазоны предполагается использовать для создания глобальных спутниковых систем фиксированной связи, а также для так называемых систем наземной фиксированной связи высокой плотности, в которых за счет высокой направленности приемных и передающих антенн на ограниченной территории в общей полосе частот может развертываться большое количество линий фиксированной связи.

Радиоволны распространяются, не зная границ между странами, и поэтому эффективное использование РЧС - этого важнейшего природного ресурса - возможно только при проведении всеми странами мира согласованной технической политики. Поэтому характерной чертой XX столетия является постоянное расширение и укрепление международного сотрудничества в решении всех важнейших вопросов развития радиосвязи и вещания как на мировом, так и на региональном уровнях. Это сотрудничество в области радио, начавшееся в МСЭ в 1903 году, а позже и в других международных организациях, постоянно расширяется. Сегодня все страны мира определяют свою национальную техническую политику развития связи с учетом интересов всего мирового сообщества. Мир идет к созданию единых для всех стран стандартов на системы связи и вещания различных назначений, по которым любая фирма может начать производство соответствующего оборудования. Это позволяет организовать его массовое производство, сделав его стоимость и стоимость услуг связи весьма низкой и доступной для широких слоев населения.

Для объединения интеллектуальных и технических ресурсов разных стран, помимо МСЭ, в Азии, Америке и Европе создан ряд международных технических организаций, занимающихся вопросами стандартизации радиосистем различного назначения. Весьма важную роль в разработке стандартов на системы радиосвязи и вещания играет Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI), основанный в 1988 году. В ETSI разработан ряд стандартов на цифровые системы подвижной и фиксированной связи и вещания, по которым крупнейшими фирмами выпускается оборудование, находящее широчайшее применение во многих странах мира.


--------------------------------------------------------------------------------

Хронология
1903 год В Берлине состоялась подготовительная Международная радиоконференция, в которой участвовало девять стран; была принята Радиоконвенция, подобная подписанной в 1875 году в Санкт-Петербурге Конвенции Международного телеграфного союза (основанного в 1865 г.), также был принят первый Регламент радиосвязи. В этой конференции в составе российской делегации участвовал один из признанных основоположников радиосвязи А. С. Попов.
1906 год Состоялась Первая Всемирная радиоконференция, на которой частотные каналы 1000 и 500 кГц в диапазоне низких частот (НЧ) были выделены для морской подвижной службы общего пользования, для связи с береговыми станциями (188 кГц) и для военных станций (188 и 500 кГц). Кроме того, определен сигнал бедствия (SOS). В конференции участвовало 30 стран.
1912 и 1920 годы В Лондоне и Вашингтоне состоялись ВРК, на которых был пересмотрен первый РР и велась подготовка к ВРК 1927 года.
1927 год Состоялась ВРК, на которой был пересмотрен РР, учрежден Международный консультативный комитет по радио (МККР) и составлена Таблица распределения частот от 10 до 60 000 кГц между службами вещания, воздушной подвижной и фиксированной. На ВРК установлены ограничения на параметры излучения передающих устройств, введены ограничения на использование искровых передатчиков.
1932 год В Мадриде состоялась ВРК; на ней рассматривалась весьма актуальная проблема - защита радиосистем от радиопомех. Для развития вещания были выделены дополнительные полосы частот в диапазоне средних частот (СЧ), для европейского региона составлен частотный план для НЧ и СЧ диапазонов, разработаны Рекомендации МСЭ по стабильности частоты и ширине полосы частот передатчиков; установлены правила регистрации частот в Международном радиобюро в Берне (решения данной ВРК игнорировались рядом стран).
1933 год В городе Люцерна (Швейцария) состоялась Европейская радиовещательная конференция, на которой был составлен региональный план для службы вещания (в ее работе приняли участие 35 стран, разработанный план не был принят 19 странами, зарезервировавшими свою позицию).
1937 год В Гаване состоялась Американская радиовещательная конференция, на которой был составлен региональный план для службы вещания (в ее работе участвовали 16 стран).
1938 год В Каире состоялась Первая Всемирная административная радиоконференция; на ней ТРЧ была расширена до 200 МГц; выделена полоса частот шириной 500 кГц для вещания на высоких частотах, а также полосы 40.5-200 МГц для радиовещательной (звуковое и телевизионное вещание) и 7.2-7.3 МГц для радиолюбительской служб, пересмотрены Рекомендации на стабильность частоты и необходимую полосу излучения передатчиков.
1946 год В Москве состоялась подготовительная Конференция к ВРК, в работе которой участвовали страны-победители во Второй мировой войне -СССР, США, Великобритания, Франция и Китай.
1947 год В городе Атлантик-Сити (США) состоялась ВРК, на которой ТРЧ была расширена до 10.5 ГГц; на этой же конференции были выделены полосы частот для ОВЧ-ЧМ вещания; дополнительно расширены полосы частот для службы ВЧ вещания и ВПС; рассмотрены проблемы частотного планирования для ВЧ вещания; выделена полоса частот (10-2850 кГц) для международной радионавигационной системы Лоран.
1951 год В Женеве состоялась ВРК по подготовке плана ВЧ вещания в тропических районах.
1959 год В городе Атлантик-Сити (США) состоялась ВРК, на которой пересмотрен РР и ТРЧ расширена с 10.5 ГГц до 40 ГГц, выделены полосы частот для новых спутниковых служб.
1960 год В Женеве состоялась специальная Европейская конференция, на которой были рассмотрены вопросы выделения полос частот для следующих служб: подвижной, фиксированной и вещания.
1961 год В Стокгольме состоялась конференция, на которой разработан европейский частотный план для ОВЧ-ЧМ вещания.
1971 год В городе Киото (Япония) состоялась ВКР, на которой ТРЧ была расширена с 40 до 275 ГГц.
1976 год В Женеве состоялась региональная конференция по планированию НЧ и СЧ вещания в Европе.
1977 год В Женеве состоялась ВРК, на которой был пересмотрен РР и составлен План для спутникового вещания в 1-м регионе в диапазоне частот 11.7-12.5 ГГц.
1979 год В Женеве состоялась ВРК, на которой был пересмотрен РР и до 400 ГГц расширена ТРЧ.
1982 год Состоялась региональная конференция, на которой были подготовлены технические основы планирования сетей ОВЧ-ЧМ вещания в 1-м регионе.
1984 год Состоялась ВРК, на которой были разработаны основы частотного планирования сетей ВЧ вещания.
1985 год В Женеве состоялась региональная конференция, на которой пересмотрен частотный план развития ОВЧ-ЧМ вещания в Европе.
1986 год В Женеве разработаны технические основы планирования НЧ вещания в диапазоне 1605-1705 МГц.
1986 год В городе Найроби (Кения) состоялась ВРК, на которой были разработаны технические критерии планирования сетей ТВ вещания.
1992 год В городе Малага-Торемолис (Испания) на ВРК частично пересмотрена ТРЧ; выделены полосы частот: для телевидения высокой четкости (ТВЧ), для цифрового звукового вещания, для системы наземной и спутниковой подвижной связи третьего поколения в диапазоне 2 ГГц, для воздушной подвижной службы общего пользования; выделены дополнительные полосы частот для ВЧ вещания и др.
1997 год В Женеве на ВРК выделены полосы частот 18.8-19.3 ГГц (линия вниз) и 28.6-29.1 ГГц (линия вверх) для развития в XXI веке глобальной цифровой спутниковой системы "Teledesic", которая сделает общедоступной организацию связи с возможностью передачи сигналов телефонии, данных, изображений и подключение к всемирной сети Интернет в любом месте мира.
1997 год В Женеве состоялась ВРК, на которой были выделены полосы частот 47.2-47.5 и 47.9-48.2 ГГц для стратосферных систем фиксированной связи высокой плотности; на этой ВРК было решено выделить для фиксированных служб высокой плотности ряд полос частот выше 30 ГГц.
2000 год В Стамбуле состоялась ВРК, на которой решались вопросы расширения полос частот для систем подвижной связи третьего поколения, а также распределения частотных каналов для непосредственного спутникового вещания в диапазоне 12 ГГц между разными странами.

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 01:59:15)
Дата 20.06.2002 02:00:10

История теории связи




Теория связи
Перед чем останавливаешься и замираешь в священном трепете и безмолвном уважении - это перед миром мысли. Ибо мир мысли - единственная реальность в том водовороте привидений и призраков, который зовется реальным миром.

Иво Андрич

Электросвязь относится к сфере высоких технологий и ее развитие в значительной степени обусловлено достижениями в области теории связи. Конечно, многие важные изобретения и системы были предложены и созданы инженерами, исходя из соображений интуитивного характера еще до появления строгой теории. Весьма часто многие из выдвинутых идей, которые сегодня воспринимаются специалистами как азбучные истины, опережали время и оказывались востребованными только спустя десятилетия после своего рождения. Фундаментальные положения современной теории связи формировались постепенно в результате жарких и продолжительных дискуссий между учеными. Однако в итоге полученные в этой теории результаты в значительной степени определили колоссальный прогресс в области электросвязи, достигнутый в XX столетии.

Можно выделить несколько разделов теории связи, оказавших существенное влияние на создание систем радиосвязи и вещания в XX столетии: теория сигналов (теория модуляции), к которой относятся спектральный анализ, теория аналитического сигнала и теорема отсчетов; статистическая радиотехника; теория потенциальной помехоустойчивости и теория информации. Эти разделы определяют фундаментальные законы передачи и приема аналоговых и цифровых сигналов в различных каналах связи и дают адекватный математический язык для описания этих законов.

Теория сигналов
Первые теоретические исследования в области связи сформировали важнейшие и общепринятые сегодня понятия, касающиеся спектров сигналов. Впервые существование боковых полос частот в спектре амплитудно-модулированных (AM) колебаний установил в 1916 году русский ученый, а впоследствии советский академик М. В. Шулейкин.

Концепция спектра колебаний, излучаемых в эфир, в течение почти пятнадцати лет вызывала ожесточенные дискуссии между учеными. Противником ее использования был, в частности, такой крупный специалист в области радиосвязи, как изобретатель вакуумного диода Дж. А. Флеминг. Значительный вклад в утверждение этой концепции сделал известный американский ученый Дж. Р. Карсон, впервые определивший и исследовавший спектр ЧМ сигналов. Советские ученые академик Л. И. Мандельштам и член-корреспондент АН СССР С. М. Рытов дали четкую и физически ясную трактовку основных понятий спектрального анализа и способствовали их внедрению в обиходный инженерный язык.

Значительное количество теоретических работ было выполнено для нахождения спектра частотно-модулированных (ЧМ) колебаний. Это связано с тем, что начиная с 30-х годов и почти до самого конца XX века на базе ЧМ создавались системы вещания и огромное количество систем радиосвязи самого разного назначения. Важные исследования в данном направлении были выполнены Дж. Р. Карсоном и Е. И. Манаевым, установившими формулы для ширины полосы частот, занимаемой ЧМ сигналом, С. В. Бородичем и Р. Г. Медхерстом, определившими спектр ЧМ сигнала для случая, когда по радиорелейной или спутниковой линии связи передается сигнал многоканальной телефонии. При этом модулирующий сигнал представляет собой случайный гауссовский процесс с ограниченным спектром.

Ученые многих стран провели многочисленные исследования, направленные на определение спектров сигналов, модулированных по амплитуде, фазе и частоте цифровыми сигналами, а также спектров сигналов, применяемых в системах связи с импульсными видами модуляции (фазово-импульсной, широтно-импульсной и т. д.).

Поскольку в электросвязи используются сигналы с ограниченным спектром, для их адекватного математического представления во временной области было введено важное понятие аналитического сигнала (АС), основанного на использовании преобразования Гильберта. Широкое использование АС в теории связи началось с 1962 года, после работ американского ученого Е. Бедросяна. Однако впервые АС был введен в теорию модуляции в 1951 году советским ученым И. С. Тетельбаумом, предложившим оптимальную амплитудно-фазовую модуляцию, о которой будет подробнее сказано в следующем разделе.

На основе АС американским ученым Г. Б. Велкером была построена оригинальная теория модуляции, в рамках которой, помимо традиционных, дано описание таких видов модуляции, как однополосная ЧМ и асимметричная амплитудная модуляция, называемая также совместимой AM с одной боковой полосой частот (совместимая ОБП), и ряда других. Особенностью сигналов совместимой ОБП является то, что они, с одной стороны, имеют в два раза более узкий спектр по сравнению с обычной AM, а с другой - их можно принять на обычный приемник AM вещания с амплитудным детектором.

Советским ученым Д. Е. Вакманом было дано определение амплитуды, фазы и частоты АС и было показано, как можно создать соответствующие устройства, выделяющие эти составляющие из широкополосного низкочастотного сигнала. Такие устройства находят применение в измерительной технике. Советские ученые Л. М. Финк и В. И. Коржик обобщили понятие АС на случай, когда передаваемый по каналу сигнал имеет конечную длительность.

Одним из важнейших результатов теории сигналов является теорема отсчетов, которая в России носит имя Котельникова, а в США - Найквиста - Шеннона. Эта теорема определяет, что любая функция, имеющая спектр, ограниченный частотой FB, однозначно определяется мгновенными значениями, взятыми через интервалы времени, кратные 1/2FB. Данная теорема, установленная в 1932 году, лежит в основе многих идей, на основе которых начиная с 40-х годов XX века стали создаваться импульсные и цифровые системы связи.

Теореме отсчетов посвящены сотни работ, в которых были сделаны ее обобщения на следующие случаи:

для многомерных функций (случай, характерный, например, для телевизионных сигналов);
для функций, отсчеты которых берутся в произвольные моменты времени;
для функций, у которых берутся отсчеты как самой функции, так и ее производной;
для стохастических функций и т. п.
Значительный вклад в обобщение теоремы отсчетов внесли советские и американские ученые (СССР - Д. В. Агеев, Н. К. Игнатьев, А. А. Харкевич, Я. Г. Хургин и В. П. Яковлев; США - А. Популис, Д. А. Линден и Н. М. Абрамсон, Д. Миддлтон, А. В. Балакришнан и др.).

В середине XX века широкое распространение получили многоканальные системы, в которых в качестве переносчиков сообщений, передаваемых в отдельных каналах, используются ортогональные гармонические колебания или отдельные интервалы времени (системы с частотным или временным уплотнением). В 1935 году советский ученый Д. В. Агеев заложил основы общей теории линейной селекции сигналов. Профессор Д. В. Агеев исследовал возможности применения в качестве переносчиков других, в том числе и неортогональных, функций. Его работа предвосхитила некоторые более поздние идеи применения широкополосных сигналов в многоканальных системах связи, выдвинутые в 50-х годах и продвинутые до практического внедрения.

Статистическая радиотехника
Современная теория связи базируется на математическом аппарате теории вероятностей и случайных процессов. Специфика задач радиотехники привела к разработке статистической радиотехники - методов решения специфических вероятностных задач, связанных с обработкой сигналов в устройствах связи.

Развитие в годы Второй мировой войны радиолокации и необходимость в максимальной степени повысить чувствительность локационных приемников, работающих в условиях действия случайных шумов, стимулировали теоретические исследования, связанные с обработкой случайных сигналов в приемных устройствах, содержащих как линейные фильтры, так и нелинейные элементы, такие как детекторы, частотные дискриминаторы, ограничители и т. д. Первое фундаментальное исследование, которое положило начало широкому применению статистических методов к разнообразным проблемам обработки сигналов в присутствии случайных шумов, было опубликовано в 1944 году одним из крупнейших и разностороннейших американских ученых С. О. Райсом.

Статистическая радиотехника интенсивно развивалась многими учеными. Основные ее результаты были получены в течение двадцати лет после публикации работы Раиса. Пользуясь разработанным математическим аппаратом, современный инженер может исследовать самые сложные алгоритмы обработки как аналоговых, так и цифровых сигналов и расчетным путем определить качество приема. Это дает мощное средство для проектирования современных систем.

Значительный вклад в развитие статистической радиотехники внесли советские и американские ученые (СССР - В. И. Бунимович, Р. Л. Стратонович, Б. Р. Левин, B. C. Пугачев, В. И. Тихонов; США - Д. Миддлтон, Дж. Ф. Баррет, А. Дж. Зигерт и др.).

Апофеозом исследований в области теории связи, выполненных до 40-х годов, стали созданные в середине 40-х годов теория потенциальной помехоустойчивости Котельникова и теория информации Шеннона.

Теория потенциальной помехоустойчивости
Многочисленные исследования различных методов передачи и приема сигналов начали проводиться с середины 30-х годов. Членом-корреспондентом Академии наук СССР В. И. Сифоровым выполнены фундаментальные исследования разных методов передачи цифровых сигналов с амплитудной, фазовой и частотной манипуляцией; американскими и советскими учеными исследована помехоустойчивость систем приема ЧМ сигналов; В. И. Сифоровым определена помехоустойчивость оптимального приема импульсных сигналов.

Весьма значительное влияние на развитие теории связи оказали работы выдающихся математиков XX века А. Н. Колмогорова и Норберта Винера, которые разработали теорию экстраполяции, интерполяции и сглаживания случайных процессов. Результаты этой теории сегодня составляют основу оптимальных методов обработки принимаемых сигналов в системах связи.

В 1947 году знаменитым советским ученым академиком В. А. Котельниковым была разработана фундаментальная теория потенциальной помехоустойчивости. Эта теория дала инженерам инструмент для синтеза оптимальных устройств обработки принимаемых сигналов на фоне шумов и помех, на ее основе были разработаны методы оценки качества приема аналоговых и цифровых сигналов в различных каналах связи. С возникновением этой теории появилась возможность создания оптимальных систем связи на твердом теоретическом основании, а не на неопределенных интуитивных представлениях, как это было до ее создания. Идеи этой теории служили руководством при создании многих современных систем связи. Ряд таких систем упоминается ниже в соответствующих разделах.

Независимо в это же время к этим идеям пришли также американские и английские ученые А. Дж. Зигерт, М. Вудворт, И. Л. Дейвис и Д. Миддлтон, которые внесли оригинальный и весьма значительный вклад в развитие этой теории и способствовали ее широкому распространению среди специалистов.

В ранних работах данная теория применялась для синтеза и анализа систем, работающих в канале связи без замираний. Однако в большинстве радиоканалов имеет место многолучевое распространение радиоволн, обуславливающее замирания уровня сигналов в месте приема. В последующие годы развитие теории происходило по следующим направлениям:

теория приема дискретных сигналов в каналах с замираниями и многолучевостью;
теория приема сигналов с аналоговой модуляцией, когда в месте приема оценке подлежит не информационный параметр, а информационный процесс;
марковская теория оптимального приема сигналов.
Сразу после создания теории потенциальной помехоустойчивости были выполнены многочисленные исследования вопросов приема цифровых сигналов в каналах с многолучевым характером распространения радиоволн. Была определена помехоустойчивость приема для всех известных методов передачи сигналов по таким каналам, найдены оптимальные методы разнесенного приема сигналов, открыта возможность создания широкополосных систем связи, в которых замирания сигналов устраняются путем разделения на приеме отдельных лучей. Все упомянутые достижения теории находили практическое применение в разработках многих цифровых систем связи, создаваемых для работы в каналах с многолучевым распространением радиоволн и замираниями сигналов.

Наиболее значительный вклад в эти исследования в 1954-1975 годах внесли советские и американские ученые.

В области приема аналоговых сигналов было развито два направления: гауссовская и марковская теории оптимальной нелинейной фильтрации (демодуляции) сообщений.

В первом из них математической моделью сообщений служили случайные гауссовские процессы с заданным спектром. Первое исследование в данном направлении была выполнено в 1953 году в США Ф. В. Леганом и Р. Дж. Парксом. В СССР несколько позже подобные исследования опубликовали И. А. Большаков и В. Г. Репин. На основе гауссовской теории оптимальной демодуляции были синтезированы оптимальные демодуляторы для разных методов модуляции и определена их потенциальная помехоустойчивость.

Второе важное направление теории оптимальной демодуляции основывалось на описании информационных сообщений с помощью марковских случайных процессов. Это направление было открыто в 1960 году одним из крупнейших советских теоретиков в области статистической радиотехники Р. Л. Стратоновичем, учеными США Р. Е. Калманом и Р. Бьюси, рассмотревшими случай оптимальной линейной фильтрации сообщений, и Г. Дж. Кушнером, исследовавшим проблемы нелинейной фильтрации. В последующие годы оно получило серьезное развитие и применение ко многим практическим проблемам.

Результаты, полученные на основе теории оптимальной демодуляции, в последующие годы использовались для синтеза различных демодуляторов аналоговых сигналов. В конце 60-х годов значительный практический интерес представляло создание оптимальных демодуляторов ЧМ сигналов с низким порогом, обеспечивающих высокое качество приема при предельно низком уровне принимаемого сигнала. Такие демодуляторы применялись в спутниковых и тропосферных системах связи. В этом направлении советскими и американскими учеными было выполнено значительное количество теоретических и экспериментальных работ.

Теория информации
Основоположником теории информации является знаменитый американский ученый Клод Шеннон. Опубликованная им в 1948 году работа "Математическая теория связи" содержала огромное число совершенно неожиданных и плодотворных идей, развитием которых в последующие годы занимались тысячи ученых многих стран. Шеннон ввел понятие информации, содержащейся в подлежащих передаче по каналу связи сообщениях, обобщив идеи Хартли. Этот американский ученый в 1928 году предложил в качестве меры информации I, содержащейся в М сообщениях, использовать логарифмическую функцию I=log(M). Обобщение Шеннона состояло в том, что он впервые стал рассматривать статистическую структуру передаваемых сообщений и действующих в канале шумов и, кроме того, рассматривал не только конечные, но и непрерывные множества сообщений. Созданная им теория информации дает ключ к решению двух основных проблем теории связи: устранение избыточности источника сообщений и кодирование сообщений, передаваемых по каналу связи с шумами.

Решение первой проблемы позволяет устранить избыточность из сообщения, подлежащего передаче, и достичь высокой эффективности использования канала связи. В качестве примера достигаемой эффективности можно отметить, что современные, широко применяемые на практике методы устранения избыточности из сигнала телевизионного вещания (ТВ) позволяют в полосе одного аналогового ТВ канала в наземной сети вещания передавать до шести цифровых ТВ программ с коммерческим качеством.

Решение второй проблемы позволяет при заданном отношении сигнал/шум в месте приема, определяющем пропускную способность канала связи, передать по нему сообщения со сколь угодно высокой достоверностью. Для этого необходимо использовать помехоустойчивые коды, а скорость передачи информации по этому каналу должна быть меньше его пропускной способности.

В оригинальных работах Шеннона была доказана принципиальная возможность решения указанных проблем, что явилось в конце 40-х годов откровением для специалистов. Эта работа, как и работы в области потенциальной помехоустойчивости, породила целую лавину исследований, продолжающихся уже более пятидесяти лет. Советские и американские математики (СССР - А. Н. Колмогоров, А. И. Хинчин, Р. Л. Добрушин, М. С. Пинскер; США - А. Фейнштейн, Р. Галлагер, Дж. Вольфовиц) дали строгую трактовку этой теории.

Современные цифровые системы связи создаются с учетом фундаментальных законов передачи сообщений, установленных Шенноном. В соответствии с положениями теории информации в этих системах из сообщения, до его передачи по каналу связи, устраняется избыточность, а затем оно кодируется с использованием помехоустойчивых кодов. На основе этой теории были разработаны алгоритмы, позволившие значительно сократить избыточность факсимильных, речевых и телевизионных сообщений.

Огромное количество исследований, результаты которых упомянуты в приведенных ниже разделах, было посвящено созданию различных конструкций помехоустойчивых кодов и разработке достаточно простых методов их декодирования. На основании выполненных за последние полвека исследований созданы Рекомендации МСЭ по применению методов кодирования источников и помехоустойчивого кодирования в современных системах цифровой связи.


--------------------------------------------------------------------------------

Хронология
1916 год Исследование спектра сигналов с амплитудной модуляцией, показавшее, что в этом спектре имеется не только центральная, но и боковые частоты (Россия - М. В. Шулейкин).
1922 год Первое исследование спектра сигналов с частотной модуляцией (США - Дж. Р. Карсон).
1928 год Первые работы по теории связи (США - Г. Найквист, Р. Хартли).
1932 год Строгое доказательство теоремы отсчетов (СССР - В. А. Котельников, США - К. Шеннон (1948 г.).
1935 год Создание основ теории линейной селекции сигналов (СССР -Д. В. Агеев).
1935 год Исследования методов передачи дискретных сообщений (СССР -В. И. Сифоров).
1946 год Исследования помехоустойчивости приема импульсных сигналов (СССР - В. И. Сифоров).
1947 год Создание теории потенциальной помехоустойчивости (СССР -В. А. Котельников, США - А. Зигерт, Д. Миддлтон; Великобритания - П. Вудворт и И. Дейвис).
1946-1948 годы Исследования спектров сигналов при импульсных методах модуляции (СССР - Я. Д. Ширман, П. Г. Тагер).
1948 год Создание теории информации (США - К. Шеннон).
1949-1991 годы Создание конструктивных методов построения помехоустойчивых кодов и методов декодирования (США, СССР, Франция).
1951-1983 годы Разработка теории аналитического сигнала (СССР -С. И. Тетельбаум, Л. М. Финк, В. И. Коржик, Д. Е. Вакман; США - Е. Бедросян, Г. Б. Велкер).
1953-1975 годы Развитие теории помехоустойчивого приема дискретных сообщений (СССР - Л. М. Финк, B. C. Мельников, Д. Д. Кловский, Н. П. Хворостенко, И. С. Андронов, М. А. Быховский, Н. Е. Кирилов; США - Г. Л Турин, И. Н. Пирс и С. Штейн, Р. Прайс и П. Е. Грин, В. К. Линдсей, П. А. Белло).
1953-1975 годы Развитие гауссовской теории оптимальной демодуляции аналоговых сообщений (США - Д. С. Йоула, Ф. В. Леган и Р. Дж. Парке, Г. Ван Трис; СССР - И. А. Большаков и В. Г. Репин (1965 г.)).
1949-1975 годы Развитие теории информации (США - А. Фейнштейн, Р. Галлагер, Дж. Вольфовиц; СССР - А. Н. Колмогоров, А. И. Хинчин, Р. Л. Добрушин, М. С. Пинскер, Р. Л. Стратонович).
1960-1975 годы Развитие марковской теории оптимальной демодуляции аналоговых сообщений (СССР - Р. Л. Стратонович, В. И. Тихонов, Н. К. Кульман, М. С. Ярлыков; США - Р. Е. Калман и Р. Бьюси, Г. Дж. Кушнер, Г. Л. Ван Трис, В. Л. Снайдер и др.).

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 02:00:10)
Дата 20.06.2002 02:00:41

История модуляций




Развитие методов модуляции и кодирования
Передача сообщений по радиоканалу осуществляется путем изменения параметров несущего колебания под воздействием информационного сообщения. При передаче аналоговых сигналов эти параметры изменяются непрерывно и пропорционально их уровню; при передаче цифровых сигналов в зависимости от значений одного или нескольких информационных символов осуществляется манипуляция параметров несущего колебания, то есть они принимают определенные фиксированные значения.

В первой половине XX века разрабатываются и внедряются аналоговые системы радиосвязи и вещания, по которым передаются сигналы телефонии (в том числе многоканальной) и телевидения. В этих системах применяются аналоговые методы модуляции, основанные на изменении параметров гармонической несущей (амплитуды, частоты и фазы) пропорционально величине модулирующего информационного сигнала. Многоканальные системы создаются с использованием частотного разделения каналов. В середине 30-х годов, в связи с развитием импульсной техники, выдвигаются новые идеи создания аналоговых многоканальных систем с импульсными видами модуляции и временным разделением каналов. Аппаратура выделения отдельных каналов в таких системах оказывается более простой по сравнению с системами, в которых используется частотное разделение каналов.

Создаются также системы связи (в основном в диапазоне ВЧ) для передачи сигналов телеграфии. В таких системах осуществляется манипуляция указанных выше параметров гармонического колебания.

В последние двадцать пять лет XX столетия на смену аналоговым методам передачи сообщений приходят и начинают широко внедряться цифровые методы. Цифровые системы связи в начале XXI века полностью заменят аналоговые. Эта революция в области передачи сигналов была подготовлена в 40-х годах, когда были изобретены два исключительно важных для последующего развития техники связи вида преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму - импульсно-кодовая и дельта-модуляция.

На совершенствование цифровых методов передачи сигналов значительное влияние оказали положения теории информации, на основе которых во второй половине XX века были созданы помехоустойчивые коды и сложные многопозиционные сигналы. Это позволило обеспечить высокую помехоустойчивость приема сигналов, а также весьма эффективно использовать пропускную способность канала связи.

В середине XX века в связи с проблемами военной радиосвязи рождаются идеи использования в качестве несущего колебания широкополосных сигналов, а не гармонических. Широкое использование таких сигналов в системах фиксированной и подвижной связи начинается в последней четверти XX века.

Рассмотрим более подробно развитие методов передачи аналоговых и цифровых сигналов по радиоканалам.

Аналоговые методы модуляции
В XX веке для передачи сигналов амплитудная (AM) и частотная (ЧМ) модуляции получили значительное распространение в системах радиосвязи и вещания. Учеными и инженерами всего мира было сделано огромное число исследований и изобретений, направленных на их совершенствование.

Изобретение ЧМ относится к первым годам XX века. Однако в течение почти тридцати лет, до работ знаменитого американского инженера Э. Х. Армстронга, оно не находило практического применения. Начиная с 40-х годов этот вид модуляции получил широчайшее применение в огромном числе систем связи самого различного назначения: подвижной, радиорелейной, спутниковой связи, в ОВЧ-ЧМ вещании. Сотни научных и экспериментальных работ были направлены на исследование искажений ЧМ сигналов, возникающих в линейных цепях связных устройств, и помехоустойчивости приема таких сигналов.

Передачу речи с помощью AM первым, по-видимому, осуществил один из пионеров радиотехники, американский инженер Фессенден. Модуляция осуществлялась путем включения микрофона, изменяющего затухание в цепи, связывающей передающую антенну и машинный генератор высокой частоты. Этот вид модуляции с 1920 года стал основным в звуковом радиовещании в диапазонах низких, средних и высоких частот (НЧ, СЧ и ВЧ) и сети аналогового AM вещания, которые уже восемьдесят лет развиваются во всех странах мира. До 40-х годов этот вид модуляции использовался не только в вещании, но также и во всех других видах радиосвязи.

Большое значение для электросвязи имело изобретение американским ученым Карсоном амплитудной модуляции с одной боковой полосой (ОБП), сделанное в 1915 году. Этот метод модуляции позволяет весьма эффективно использовать полосу частот канала связи. Системы с ОБП широко применяются до сих пор в системах многоканальной связи и в телевизионном (ТВ) вещании.

В середине XX века из-за чрезвычайно острой проблемы "тесноты в эфире", сохраняющейся и в настоящее время, были предприняты исследования возможности сокращения полосы канала, необходимой для передачи вещательных сигналов. Модернизация сетей AM вещания путем их перевода на ОБП была в середине XX века практически невозможна из-за того, что это требовало замены огромного парка вещательных приемников. Поэтому значительные усилия инженеров были направлены на создание "совместимой ОБП" - нового вида модуляции, с помощью которого можно было бы, с одной стороны, в два раза уменьшить полосу частот, занимаемую каждой станцией, а с другой - сохранить неизменным существующий парк приемников. Такой вид модуляции был предложен в 50-х годах учеными СССР и США. Сокращение занимаемой полосы частот в данном виде модуляции достигалось за счет дополнительной фазовой модуляции AM сигнала. Несмотря на успешные эксперименты, данный вид модуляции практического применения не нашел. В 80-х годах вновь встал вопрос о сокращении в два раза полосы частот вещательных станций в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ. Этот вопрос исследовался в МСЭ, и его предполагалось решить путем поэтапного внедрения до 2015 года ОБП. Однако к концу XX века стало ясно, что эпоха применения аналоговых методов передачи сигналов по каналам связи завершается, и для этих диапазонов частот были разработаны новые цифровые системы звукового вещания.

В СССР в 1939 году был изобретен еще один метод аналоговой модуляции, названный полярной модуляцией (ПМ). Суть этого метода состоит в том, что положительная полуволна несущей частоты модулируется по амплитуде одним сообщением, а отрицательная - другим. В СССР этот метод был выбран для создания системы стереофонического ОВЧ-ЧМ вещания. Передача стереосигналов осуществлялась путем модуляции методом ПМ поднесущей частоты 31. 25 кГц от двух разнесенных в пространстве микрофонов.

Хронология
1902 год Изобретение системы передачи сигналов методом частотной модуляции (ЧМ) (США - Корнелиус Д. Эрет).
1906 год Первый опыт передачи речи и музыки по радио методом AM с помощью машин высокой частоты (США - Р. Фессенден).
1915 год Изобретение метода амплитудной модуляции с одной боковой полосой (ОБП) (США - Дж. Р. Карсон).
1935 год Начало широкого применения ЧМ в радиовещании (США - Э. Х. Армстронг).
1939 год Изобретение полярной модуляции (СССР - А. И. Косцов).
1939 год Изобретение совместимой ОБП (СССР - С. И. Тетельбаум; США - Л. Кан (1961 г.)).
1964 год Изобретение однополосной частотной модуляции (США - К. А. Вон Урфф и Ф. И. Зонис).

Импульсные методы модуляции
Еще в начале XX века инженеры предпринимали поиски импульсных методов передачи непрерывных сигналов (телефонии, телевидения и т. п.). В 30-50-х годах были изобретены методы передачи сигналов с помощью амплитудно-импульсной (АИМ), широтно-импульсной (ШИМ), фазово-импульсной (ФИМ) и других разновидностей импульсной модуляции. Исследования помехоустойчивости приема сигналов с разными видами импульсной модуляции были выполнены в 40-х и 50-х годах. На базе ФИМ и других видов импульсной модуляции в середине XX века создавались многоканальные радиорелейные линии (РРЛ) связи.

Хронология
1919 год Изобретение метода преобразования непрерывных сообщений в импульсные с помощью катодно-лучевой трубки (СССР - И. Г. Фреймам).
1932 год Изобретение системы радиотелефонной связи с ШИМ (СССР - А. Л. Минц).
1935 год Изобретение многоканальной системы связи с АИМ (СССР - С. Н. Кокурин).
1944 год Создание в диапазоне 5 ГГц восьмиканальной РРЛ с ФИМ (США - фирма "Вестерн-Электрик").
1949 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с помощью ФИМ (СССР - С. В. Бородич).
1952 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с ФИМ (СССР - Г. В. Длугач).
1954 год Разработка многоканальной системы с ФИМ-ЧМ (США - С. Метзгер).
1958 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с ФИМ-ЧМ (СССР - Г. А. Малолепший).

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые
Необходимо отметить два основных метода преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму - импульсно-кодовую (ИКМ) и дельта-модуляцию (ДМ), которые традиционно относят к видам модуляции, хотя таковыми они, по сути, не являются, поскольку не связаны, как это характерно для всех остальных видов модуляции, с изменениями параметров несущей частоты. Оба вида модуляции были изобретены в 40-х годах и приобрели исключительно большое значение в конце XX века, когда началась глобальная цифровизация систем связи и вещания.

Изобретателем ИКМ является французский инженер Ривс. При ИКМ преобразования аналогового сигнала в цифровую форму осуществляют в два этапа. На первом этапе этот сигнал модулирует по амплитуде последовательность импульсов, следующих с частотой, определяемой теоремой Котельникова и равной 2FB, где FB - верхняя частота спектра сигнала. На втором этапе диапазон возможных уровней сигнала разбивается на 2n интервалов и определяется, в каком из интервалов находится уровень каждого из модулированных импульсов. В результате каждый импульс преобразуется в n-значную бинарную кодовую комбинацию, соответствующую данному интервалу. Для увеличения динамического диапазона сигналов, преобразуемых в цифровую форму, применяются компандеры, а при обратном преобразовании - экспандеры. Метод ИКМ нашел широкое применение в современных системах связи при передаче звуковых сигналов и сигналов телевидения.

Дельта-модуляция (ДМ) была изобретена независимо несколькими учеными в конце 40-х - начале 50-х годов во Франции (Е. Делорейн, С. ван Миеро и Б. Дерьявич), СССР (Л. А. Коробков) и США (К. К. Катлер, Ф. де Яджер). При ДМ формируется разность между текущим значением аналогового сигнала и его предсказанным значением на основе предшествующих отсчетов. Эта разность преобразуется в цифровую форму. В изобретениях, сделанных во Франции и СССР, для квантования разностного сигнала использовался бинарный код, символы которого принимают значения (1 или 0) или (±1). Для получения высокой точности преобразования аналогового сигнала в цифровую форму методом ДМ требуется более высокая (в 10-15 раз), чем в ИКМ, частота дискретизации. В 1952 году был предложен метод дельта-ИКМ (ДИКМ), в котором указанная выше разность преобразуется в k-значную кодовую комбинацию с помощью ИКМ. Применение ДИКМ позволяет при заданной точности преобразования аналогового сигнала в цифровую форму уменьшить частоту дискретизации и общую скорость полученного в результате преобразования цифрового потока. В 60-е годы были предложены многочисленные разновидности ДМ, в том числе ДМ с двойным интегрированием, ДМ с компандированием сигналов (адаптивная ДМ) и др.

Начало исследований искажений, которыми сопровождается преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму с помощью ИКМ и ДМ, было положено работами американских ученых Беннетта и Ван де Вега. В этих исследованиях устанавливались зависимости мощности и спектра продукта искажений от параметров метода преобразования (частоты дискретизации, динамического диапазона аналогового сигнала, числа уровней квантования и т. д.). Особенно интенсивные исследования точности преобразования сигналов с помощью ИКМ, ДМ и ДИКМ были выполнены в США и СССР в 60-70-х годах. Были исследованы точность разных алгоритмов преобразования, осуществлен синтез оптимальных алгоритмов преобразования с учетом статистических свойств аналогового сигнала.

Важные результаты, относящиеся к помехоустойчивости приема сообщений при использовании ИКМ, были получены в конце 40-х годов в США и СССР К. Шенноном и профессором С. В. Бородичем.

Хронология
1938 год Изобретение ИКМ (США - А. Ривс).
1944 год Первое исследование точности преобразования аналоговых сигналов методом ИКМ (США - В. Р. Беннетт).
1946 год Изобретение ДМ (Франция - Е. Делорейн, С. ван Миеро и Б. Дерьявич (1946 г.); СССР - Л. А. Коробков (1948 г.); США. - Ф. де Яджер).
1948 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с помощью ИКМ (США - Б. Оливер, Дж. Пирс, К. Шеннон; СССР - С. В. Бородич (1949 г.).
1952 год Изобретение ДИКМ (США - К. К. Катлер).
1952 год Первое исследование точности преобразования аналоговых сигналов методом ДИКМ (США - Г. Ван де Вег).
1960-1975 годы Теоретические и экспериментальные исследования и оптимизация различных алгоритмов ИКМ, ДМ и ДИКМ (СССР - А. И. Величкин, М. Д. Венедиктов; США - Дж. Макс, Дж. Е. Эбейт, Дж. Б. О'Нейл).

Цифровые методы модуляции
На первом этапе развития радиосвязи долгое время использовались искровые передатчики и применялись, по существу, импульсные методы передачи сигналов с амплитудной манипуляцией (АМн). С созданием генераторов непрерывных электрических колебаний (вначале дуговых, затем машинных и позднее ламповых) начали изобретаться новые методы модуляции, основанные либо на непрерывном изменении амплитуды (AM), частоты (ЧМ) и фазы (ФМ) излучаемых колебаний при передаче непрерывных сообщений, либо дискретной манипуляцией этими параметрами (соответственно АМн, ЧМн и ФМн) при передаче дискретных (телеграфных) сигналов. Фазовая манипуляция, изобретенная знаменитым американским ученым Г. Найквистом в 1928 году, долгое время не находила применения из-за явления "обратной работы", возникающего вследствие невозможности восстановления на приеме опорного колебания, строго синфазного с несущей частотой принимаемого сигнала. С 30-х годов в течение почти сорока лет велись интенсивные научные исследования по разработке методов синхронного приема сигналов с ФМн, в которых принимали активное участие ученые и инженеры Франции, СССР, США и других стран.

В 1954 году советским ученым Н. Т. Петровичем было сделано важное изобретение относительно-фазовой манипуляции (ОФМ) - метода передачи, когда фаза последующей посылки изменяется при изменении полярности передаваемого знака относительно предыдущего. Этот метод устранил проблему "обратной работы" при приеме сигналов с фазовой манипуляцией и в течение многих десятилетий широко применялся в системах цифровой связи.

Важные изобретения, которые в последующем нашли широкое применение в системах связи, были сделаны советскими академиками А. Н. Щукиным и А. А. Пистоль-корсом. Они впервые предложили для передачи телеграфии применять многопозиционные сигналы. Первый из названных ученых изобрел систему двойного частотного телеграфирования (ДЧТ), а второй - многократную ФМн.

Проблемы повышения эффективности использования спектра привели к разработке в конце XX века манипуляции минимального частотного сдвига (ММС), в которой за время передачи одного знака фаза сигнала линейно изменяется в зависимости от его полярности на ±я/2. Сигналы ММС обладают весьма компактным спектром с весьма низким уровнем внеполосного излучения. В 1960 году были изобретены N=2n-позиционные сигналы с квадратурной амплитудной манипуляцией (KAM-N), в которой амплитуда квадратурных составляющих излучаемого колебания могла принимать от 8 до 128 значений (КАМ-16 и КАМ-256). Новые методы манипуляции сегодня широко применяются в радиорелейных, спутниковых и подвижных системах связи.

В середине века была изобретена синхронная система "Кинеплекс", называемая иногда иначе - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). В этой системе для передачи многоканальной телеграфии каждое из М колебаний, частотный разнос между которыми был обратно пропорционален длительности передаваемого знака, модулировалось с помощью ОФМ. В системе "Кинеплекс" полоса частот канала связи используется весьма эффективно.

В конце XX века эта система, названная COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), была существенно усовершенствована специалистами ряда стран: для манипуляции отдельных колебаний применялась КАМ, использовались помехоустойчивые коды. На базе COFDM создавались системы ВЧ связи, подвижной связи и т. п. Этот вид модуляции будет весьма широко использоваться в XXI веке в цифровых системах звукового (DAB) и телевизионного (DVB) вещания.

Хронология
1915 год Первое применение ЧМн (США - В. Паульсен), Э. Х. Армстронг в 1927 году предложил применять ЧМн.
1928 год Изобретение фазовой манипуляции (ФМн) (США - Г. Найквист).
1932-1942 годы Разработка методов приема сигналов с ФМн (Франция - Г. Бельсиз; СССР - А. А. Пистолькорс, В. И. Сифоров, Е. Г. Момот).
1933 год Изобретение системы двойного частотного телеграфирования (ДЧТ) (СССР - А. Н. Щукин).
1935 год Изобретение многократной ФМн (СССР - А. А. Пистолькорс).
1954 год Изобретение относительно-фазовой манипуляции - ОФМ (СССР - Н. Т. Петрович).
1956 год Изобретение метода синхронного приема сигналов с ФМн (США - Д. Костас).
1957 год Изобретение системы передачи "Кинеплекс" (США - М. Л. Доелс, Е. Т. Хелад, Д. Л. Мартин).
1960 год Изобретение квадратурно-амплитудной модуляции - КАМ (США - К. Кан).
1979 год Изобретение манипуляции с минимальным частотным сдвигом (ММС) (США - С. Пасьюпаси).
1981-1991 годы Создание различных систем, использующих COFDM: для ВЧ связи, подвижной связи, цифрового звукового и телевизионного вещания (Франция, Германия, Япония).

Методы кодирования
Начало истории кодирования можно отнести к 1948 году, когда была опубликована знаменитая статья Клода Шеннона, доказавшего принципиальную возможность безошибочной передачи сигналов, если скорость передачи меньше пропускной способности канала связи, которая тем больше, чем выше отношение сигнал/шум на входе приемного устройства. Это указывало на то, что энергетика линий связи определяет только их пропускную способность, а сколь угодно высокой помехоустойчивости приема сообщений можно достигнуть путем применения специальным образом построенных кодов. Революционные идеи Шеннона осуществили переворот в сознании инженеров-связистов, ведь до создания этой теории считалось само собой разумеющимся, что единственные возможности повышения помехоустойчивости приема сигналов состоят в увеличении мощности передатчика или в многократной передаче по каналу связи одного и того же сообщения. Оба эти способа приводят к весьма низкой эффективности использования пропускной способности канала связи.

Многочисленные исследования 50-х годов XX века были направлены на решение следующих проблем теории кодирования:

построение кодов с хорошими корректирующими свойствами;
выбор алгоритма декодирования, имеющего малую сложность;
согласование кодов, корректирующих ошибки, видов модуляции, алгоритмов декодирования и характеристик канала связи.
Первые блочные коды, позволявшие корректировать одиночные ошибки, были построены в 1949 и 1950 годах известными американскими учеными М. Дж. Голеем и Р. Хэммингом. При блочном кодировании последовательность информационных символов разбивается на отдельные блоки определенной длины. Для каждого такого блока формируются дополнительные проверочные символы, которые образуются путем сложения по модулю 2 определенных информационных символов. Блоки информационных и проверочных символов передаются в канал связи. Коды Хэмминга имели простой алгоритм декодирования и позволяли корректировать одну ошибку в кодовой комбинации. Эти коды были разочаровывающе слабы по сравнению с тем, на что указывала теория Шеннона, однако их значение весьма велико, так как их создание дало толчок для огромного числа последующих работ в области алгебраической теории кодирования.

Работа Хэмминга явилась катализатором цепной реакции выдвижения новых идей в данной области, которая началась с 1954 года. Американский ученый И. С. Рид был первым, кто использовал мажоритарное декодирование кодов Рида-Маллера. При мажоритарном декодировании для каждого информационного символа формируется нечетное число оценок путем сложения по модулю 2 определенных комбинаций символов принятого кода. Решение об истинном значении принятого символа принимается по мажоритарному принципу - если большее количество оценок равно 1, то принимается именно такое решение. В 1963 году Дж. Л. Месси установил общие принципы построения и декодирования подобных кодов. Достоинством мажоритарно декодируемых кодов является чрезвычайная простота и быстродействие алгоритмов декодирования. Однако класс таких кодов весьма мал, и эти коды слабее других. Значительный вклад в создание теории построения мажоритарно декодируемых кодов внесли в 1965 году советские ученые В. Д. Колесников и Е. Т. Мирончиков.

Весьма интересный класс блочных кодов был предложен в 1954 году американским ученым Г. Форни. Каскадные коды формируются следующим образом: последовательность информационных символов длиной n = n1 * n2 записывается в буферную память в виде таблицы, имеющей n1 столбцов и n2 строк. Символы отдельных строк и столбцов кодируются с помощью корректирующих кодов (соответственно внутреннего и внешнего), и дополнительные проверочные символы вместе с информационными передаются по каналу связи. Весьма значимые результаты по исследованию каскадных кодов были получены Г. Форни и советскими учеными Э. Л. Блохом и В. В. Зябловым. Исследования последних (1976 и 1982 гг.) показали, что при соответствующем выборе внутреннего и внешнего кодов каскадные коды позволяют разрешить указанные выше проблемы помехоустойчивого кодирования.

В 1955 году в США и СССР был предложен весьма важный класс сверточных или рекуррентных кодов, нашедший широкое применение в современной технике связи. Исследования, связанные с построением таких кодов и разработкой эффективных с вычислительной точки зрения алгоритмов их декодирования, заняли почти двадцать лет.

В этом классе кодов информационная последовательность символов разбивается на блоки, содержащие по m символов, которые поступают на линейный преобразователь, имеющий память на K-подобных блоков. В этом преобразователе каждый блок из m поступивших символов с учетом содержащихся в памяти K-блоков (K - длина кодового ограничения), преобразуются в n (n > m) символов, передаваемых по каналу связи. При этом относительная скорость передачи информации составляет R = m/п. Сверточные коды являются частным случаем блочных линейных кодов. Однако введение сверточной структуры наделяет эти коды рядом дополнительных свойств, которые существенно облегчают его декодирование. Эти коды имеют древовидную или решетчатую структуру. Каждому ребру древовидной структуры соответствует определенная последовательность m информационных символов. По принятой последовательности символов для каждого ребра может быть найден его вес - число, характеризующее его расстояние от принятой последовательности. Для измерения этого расстояния может быть использована метрика Хэмминга, если в демодуляторе принимается жесткое решение, или евклидова метрика, если декодирование осуществляется по методу максимума правдоподобия. Декодирование сверточных кодов состоит в прослеживании по кодовой решетке того пути, для которого расстояние от принятой последовательности символов имеет минимальное значение. Сверточная структура кода позволяет использовать рекуррентные алгоритмы, существенно упрощающие вычисления этого расстояния.

Для декодирования этих кодов американским ученым Дж. Возенкрафтом в 1957 году был предложен изящный алгоритм последовательного декодирования, в соответствии с которым в декодере просматриваются не все возможные пути по ребрам кодовой решетки сверточного кода, а наиболее вероятные. Если декодер выбрал на каком-то шаге неверный путь, то он вскоре обнаруживает, что при последующих выборах ребер происходит быстрое увеличение расстояния между выбранным путем и принимаемой последовательностью. Это является сигналом к тому, чтобы декодер сделал несколько шагов назад и начал исследовать альтернативные, более правдоподобные пути. При последовательном декодировании число вычислений на одно ребро является случайной

величиной, и в памяти декодера должны храниться вычисленные расстояния для всех исследованных ветвей. Первые исследования алгоритма последовательного декодирования выполнили Дж. Возенкрафт и Б. Рейффен. В 1963 году его усовершенствовал P. M. Фано, в 1966 году эффективную модификацию этого алгоритма предложил советский ученый К. Ш. Зигангиров, а несколько позднее (1969 г.) аналогичное предложение сделал американский ученый Ф. Джелинек.

Значительным достижением в области теории кодирования явилась разработка в 1967 году одним из крупнейших американских ученых А. Витерби весьма эффективного с вычислительной точки зрения алгоритма декодирования сверточных кодов по максимуму правдоподобия. Этот алгоритм, в отличие от алгоритма последовательного декодирования, исследует все возможные пути по кодовой решетке на длине кодового ограничения k, поэтому он применим для декодирования сверточных кодов при сравнительно небольших значениях K = 1-10.

Сверточные коды и алгоритмы Витерби и последовательного декодирования получили в настоящее время весьма широкое распространение в магистральных радиорелейных и спутниковых системах связи.

Американский ученый Д. Слепян, получивший значительные результаты в разных областях теории связи, был первым, кто в 1956 году заложил строгий фундамент теории линейных блочных кодов с проверкой на четность - математическую теорию групп.

В 1957 году другой американец, Е. Прейндж, первый ввел понятие циклического кода и указал на его связь с идеалами алгебр. Циклические коды являются важным подклассом линейных кодов, которые имеют эффективные алгоритмы кодирования и декодирования, основанные на применении идей алгебраической теории полей Галуа. Значительный вклад в разработку теории этих кодов внесли американские ученые Пи-терсон, Берлекамп и Касами.

Весьма важный и обширный класс линейных циклических кодов Боуза, Рой-Чоудхури (США, 1960 г.) и Хоквингема (Франция, 1959 г.), названный кодами БЧХ по первым буквам имени открывших их независимо ученых, позволял корректировать многократные ошибки в принятой кодовой комбинации. Эти коды имели следующие параметры: n = 2m - 1, k > 2m - 1 - mt, d > 2t + 1 (здесь n - длина кода, k - число информационных символов в кодовой комбинации, t - количество корректируемых ошибок, d - минимальное хэммингово расстояние между кодовыми комбинациями). Декодирование кодов БЧХ производят на основе решения определенных алгебраических уравнений.

Были построены специальные коды для работы в каналах связи, в которых возникают пакеты ошибок. Однако задача коррекции пакетов ошибок может быть сведена к задаче коррекции независимых ошибок путем применения метода перемежения символов, который состоит в перестановке передаваемых символов таким образом, чтобы соседние символы передаваемой кодовой комбинации оказывались разнесенными в достаточной степени во времени так, чтобы их искажения в канале связи были независимыми. На приеме производится восстановление исходного порядка символов. Эта простая идея, выдвинутая в 1960 году советскими учеными академиком А. А. Харкевичем и профессором Э. Л. Блохом и позднее (1970 г.) американским ученым Дж. Л. Рамсеем, сегодня применяется во многих системах радиорелейной и подвижной связи, в которых при приеме цифровых сигналов имеет место группирование ошибок.

Сердцем любой цифровой системы связи является аналоговый канал. Цифровая система связи для такого канала включает модулятор/демодулятор (модем), преобразующий аналоговый канал в дискретный так, чтобы можно было использовать кодер/декодер (кодек).

Наименьшую вероятность ошибки можно получить, вычисляя в демодуляторе расстояния между принятым сигналом и всеми возможными кодовыми комбинациями. Решение принимается в пользу той кодовой комбинации, которая находится на минимальном расстоянии от принятого сигнала. Однако при этом для кодов большой длины, имеющих огромное количество кодовых комбинаций, сложность демодулятора столь сильно возрастает, что его практическая реализация становится невозможной. Поэтому использование кодов дает наилучшие результаты при разумном согласовании модема и кодека. Это возможно, если в демодуляторе принимается мягкое решение о принимаемом символе и если декодер получает дополнительную информацию, характеризующую надежность решения, принятого в демодуляторе. В простейшем случае при передаче бинарных сигналов в демодуляторе те принимаемые символы, для которых надежные решения не могут быть приняты, стираются, и декодер извещается о тех позициях кода, на которых находятся стертые символы.

Идеи применения мягкого решения в демодуляторе для декодирования кодовых комбинаций зародились почти с самого начала возникновения теории кодирования. Первой работой в этом направлении можно считать выполненное в 1954 году американскими учеными Сильверманом и Болсером исследование помехоустойчивости приема с мягким решением кода Вагнера, содержащего всего один избыточный двоичный символ для проверки информационных символов на четность. На приеме принимается жесткое решение о значениях всех принятых символов и, кроме того, дополнительно определяется наименее надежный из них. При декодировании этот символ изменяется на противоположный в том случае, если проверка принятой кодовой комбинации на четность не выполняется. При наличии всего одного проверочного символа в кодовой комбинации такой алгоритм декодирования позволял корректировать в ней одиночные ошибки. Эта идея была позже в обобщенном виде применена к декодированию кодов БЧХ в канале со стираниями ненадежно принятых символов.

С конца 60-х - начала 70-х годов были выполнены многочисленные исследования, направленные на разработку методов приема сигналов в целом. При этом в приемном устройстве решение о приеме той или иной кодовой комбинации принимается по методу максимального правдоподобия, то есть при декодировании ищется такая кодовая комбинация, которая находится на наименьшем евклидовом расстоянии от принятого сигнала. Учет структуры кода позволял существенно упростить вычисления этого расстояния.

Для сверточных кодов их декодирование при мягком решении в демодуляторе можно осуществить, используя алгоритмы Витерби и последовательного декодирования.

Для кодов с пороговым декодированием применение мягкого решения исследовалось в США Дж. Л. Месси и несколько позже в СССР Л. М. Финком и Б. Д. Каганом.

Для блочных кодов в начале 70-х годов американскими учеными Е. Велдоном и Д. Чейзом были предложены алгоритмы декодирования, использующие мягкое решение демодулятора и позволяющие приблизиться к решению по максимуму правдоподобия.

С 80-х годов появилось новое научное направление - разработка и анализ помехоустойчивости приема специально построенных сигналов, названных сигнально-кодовыми конструкциями. Это направление представляет собой синтез методов модуляции, кодирования и их оптимального приема и позволяет создавать системы связи, в которых по каналу связи, имеющему ограниченную полосу частот, возможно передавать информацию с качеством, приближающимся к потенциальному пределу, определяемому положениями теорий Котельникова и Шеннона.

В 1982 году в результате теоретических исследований американского ученого Г. Унгербоека была создана решетчатая кодовая модуляция (РКМ). Этот вид модуляции основывается на сочетании многопозиционных сигналов и помехоустойчивых кодов. При этом ансамбль многопозиционных сигналов, содержащий М=2n сигналов, разбивается на K = 2k+1 вложенных подансамблей с монотонно возрастающими расстояниями. В качестве сигналов используются многопозиционная ФМ и КАМ. Информационная последовательность символов преобразуется в кодовую с помощью сверточного кода, который применяется к кодированию k из п информационных символов, причем сверточный код имеет скорость k/k+1 и вводит 1-битовую избыточность. Кодированные биты определяют выбор подансамбля, а некодированные - конкретную сигнальную точку в этом выбранном подансамбле. Для оптимального приема сигналов РКМ используется метод максимального правдоподобия, реализуемый в виде алгоритма Витерби. Применение РКМ позволяет (при заданных скорости передачи сигналов и вероятности ошибочного приема) уменьшить необходимые энергетику линии и полосу частот. Этот вид модуляции находит применение на магистральных высокоскоростных линиях радиорелейной и спутниковой связи.

Весьма обширные исследования помехоустойчивости различных методов приема сигнально-кодовых конструкций в гауссовском канале связи были выполнены советскими учеными С. Л. Портным, В. В. Зябловым, В. В. Гинзбургом и В. Л. Банкетом.

Хронология
1949 год Создание линейного кода М. Дж. Голея (США).
1950 год Создание кодов Р. Хэмминга, корректирующих одиночные ошибки (США).
1954 год Создание и исследования каскадных кодов (США - Г. Форни. СССР - Э. Л. Блох и В. В. Зяблов).
1954 год Создание кодов с мажоритарным декодированием (США - И. С. Рид и Д. Е. Маллер).
1954 год Исследование помехоустойчивости приема с мягким решением для кода Р. А. Вагнера (США - Сильверман и М. Болсер).
1955 год Создание сверточных кодов (США - П. Элайес; СССР - Л. М. Финк и В. И. Шляпоберский).
1956 год Применение математического аппарата теории групп к построению линейных кодов, корректирующих ошибки (США - Д. Слепян).
1956 год Исследование линейных переключающих схем с точки зрения теории линейных фильтров и применение генераторов с регистром сдвига для получения кодов, исправляющих ошибки (США - Д. А. Хаффмен).
1957 год Первые исследования циклических кодов (США - Е. Прейндж).
1957 год Открытие метода последовательного декодирования (США - Дж. Возенкрафт).
1959 год Создание кодов БЧХ (США - Р. К. Боуз и Д. К. Рой-Чоудхури (1960 г.), Франция - А. Хоквингем (1959 г.)).
1960 год Исследование помехоустойчивости приема сигналов в канале с группированием ошибок при использовании метода перемежения информационных символов (СССР - А. А. Харкевич и Э. Л. Блох (1960 г.), США - Дж. Л. Рамсей (1970 г.)).
1960 год Создание эффективных линейных блоковых кодов (США - И. С. Рид и Г. Соломон).
1961 год Исследование эффективности метода последовательного декодирования (США - Дж. Возенкрафт и Б. Рейффен).
1963 год Исследования методов мажоритарного декодирования блоковых кодов как при жестком, так и при мягком решении демодулятора (США - Дж Л. Месси).
1963 год Создание модификации алгоритма последовательного декодирования (США - P. M. Фано).
1965 год Исследования циклических кодов с мажоритарным декодированием (СССР - В. Д. Колесников и Е. Т. Мирончиков).
1966 год Создание стэк-алгоритма последовательного декодирования (СССР - К. Ш. Зигангиров, США - Ф. Джелинек (1969 г.)).
1967 год Алгоритм декодирования сверточных кодов по максимуму правдоподобия (США - А. Дж. Витерби).
1971-1972 годы Алгоритмы мягкого декодирования блочных кодов (США - Е. Велдон и Д. Чейз).
1982 год Исследования решетчатой кодовой модуляции (США - Г. Ундербоек).
1982-1991 годы Исследования помехоустойчивости различных методов приема сигнально-кодовых конструкций в гауссовском канале связи (СССР - С. Л. Портной, В. В. Зяблов, В. В. Гинзбург, В. Л. Банкет).

Широкополосные методы модуляции
Весьма важными достижениями инженеров XX столетия явились изобретение широкополосных сигналов (ШПС) и создание на их основе новых систем радиосвязи и радиолокации. Широкое использование этих сигналов для создания радиосистем массового применения началось в последние 10-15 лет. Однако к разработке идей их использования для повышения помехоустойчивости приема приступили еще в 40-х годах. В обычных видах модуляции информационный поток изменяет амплитуду, фазу или частоту гармонического колебания - несущей частоты. При этом ширина спектра излучаемого в эфир сигнала соизмерима с шириной спектра модулирующего сигнала. Однако переносчиком информации может быть не только гармонический, но и сложный широкополосный сигнал. Такой сигнал может быть сформирован разным образом: несущая может быть модулирована вспомогательной кодовой последовательностью или вспомогательным аналоговым сигналом по фазе, частоте или амплитуде.

Первые работы, связанные с ШПС, были направлены на разработку методов борьбы с мощными радиопомехами, мешающими приему радиолокационных сигналов. В последующие годы были разработаны и нашли применение в системах радиосвязи три основных способа формирования ШПС.

Первые идеи построения ШПС были связаны с ЧМ несущей частоты вспомогательным сигналом, структура которого должна была быть известна на приеме. Одно из первых изобретений, позволяющих выделить ШПС на фоне шума и мощной помехи, представляющее, по сути, полосовой коррелятор, было сделано еще в 1942 году. В этом же году было сделано еще одно пионерское изобретение - способ формирования ШПС методом скачкообразного изменения частоты несущего колебания за время передачи одного информационного символа (FH-SS - Frequency Hopping Spread Spectrum). Честь этого изобретения, долгое время остававшегося секретным, принадлежит известной американской актрисе Хэди Ламар, признанной в 1940 году на конкурсе красоты самой красивой женщиной мира, и ее мужу - композитору Георгу Атсейлу. Изобретенный ими принцип формирования широкополосных сигналов сегодня находит применение в ряде систем связи. В отечественной литературе такие сигналы называют сигналами с частотно-временной матрицей (ЧВМ).

Другим методом формирования ШПС, дуальным к методу ЧВМ и разработанным в 1946 году, является метод скачкообразного изменения относительного временного положения коротких кодовых импульсов за время передачи одного информационного символа (TH-SS - Time Hopping Spread Spectrum).

Один из наиболее широко применяемых сегодня на практике способов формирования ШПС, который называется методом прямого расширения спектра путем непосредственной фазовой модуляции несущей определенной кодовой последовательностью (DS-SS - Direct Sequence Spread Spectrum), был изобретен американскими специалистами Дж. Г. Грином и М. Г. Никольсоном в 1957 году. Ими был предложен метод построения бинарной кодовой последовательности с хорошими корреляционными свойствами. Позже было выполнено значительное число работ, посвященных синтезу подобных псевдослучайных последовательностей с помощью регистров сдвига. К пионерским теоретическим работам в этом направлении относятся исследования С. Голомба (1955 г.) и Н. Цирлера (1959 г.).

Во всех указанных случаях возможно создание в общей полосе частот больших ансамблей сигналов, которые отличаются либо законом чередования фазы несущей частоты для сигналов DS-SS, либо законом изменения значения несущей частоты для сигналов FH-SS, либо определенной временной расстановкой коротких импульсов для сигналов TH-SS. Аналогично тому, как в системах с ЧУ и ВУ сигналы разных каналов могут быть разделены по частоте либо по временному положению, которое они занимают в общей временной последовательности, возможно разделение и разных сигналов ансамбля ШПС по индивидуальной кодовой структуре каждого из этих сигналов. Таким образом, ШПС могут использоваться в качестве переносчиков информации подобно тому, как используются гармонические колебания в обычных системах связи. При этом аналогом AM является передача одного из ШПС, принадлежащего к определенному ансамблю сигналов, с определенной амплитудой, аналогом ФМн является манипуляция фазы ШПС, а аналогом обычной ЧМн является передача одного из двух возможных сигналов ШПС по линии связи.

Сигналы, не перекрывающиеся по спектру или времени, являются полностью ортогональными. Их применение в качестве переносчиков информации в многоканальных системах позволяет полностью разделить соответствующие каналы связи. В отличие от таких сигналов разные ШПС, принадлежащие к одному ансамблю, не являются полностью ортогональными, и поэтому при их разделении возникают дополнительные шумы. Однако их замечательное свойство состоит в том, что в системах связи, использующих ШПС, которые называются системами с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple Access) или асинхронно-адресными системами, поступающие на вход помехи подавляются в В = WIF раз, где В - база ШПС, W - полоса частот, занимаемая ШПС в канале связи, F - полоса частот информационного сигнала. В широкополосных системах связи В= 100 - 10 000, и в них обеспечивается весьма значительное подавление помех, действующих в той же самой полосе частот, в которой работает данная система. Данное свойство ШПС является уникальным и позволяет многократно использовать один и тот же частотный канал для связи разных абонентов на ограниченной территории. В традиционных системах связи для исключения возможности возникновения помех между зонами, в которых используется один и тот же частотный канал, должен быть обеспечен весьма значительный территориальный разнос. Таким образом, в системах CDMA достигается весьма высокая эффективность использования радиочастотного спектра. Кроме того, ШПС позволяют путем специальной обработки принимаемых сигналов эффективно бороться с замираниями сигналов в многолучевых каналах связи, разделяя отдельные лучи и осуществляя их когерентное сложение.

Первой системой, в которой начали применяться ШПС, явилась созданная в 1946 году система гиперболической навигации "Лоран", в которой около десятка пар станций работали в общем частотном канале независимо друг от друга, используя сигналы TH-SS. В 1952 году на этом же принципе было создано связное оборудование для передачи сигналов телефонии.

В 1958 году была создана первая система коротковолновой связи "Рейк" для работы в многолучевом канале, в которой ШПС применялись для разделения отдельных лучей и устранения замираний, вызванных их интерференцией.

Первые системы, использующие сигналы с FH-SS, появились в начале 60-х годов. В 1963 году была создана наземная система связи RACEP (Random Access and Correlation for Extended Perfomance), в которой для передачи полезных сообщений применялась ФИМ. Система занимала полосу частот 4 МГц и работала в диапазоне 140 МГц. Она позволяла осуществлять передачу сигналов телефонии и цифровой информации и давала возможность организации на одной территории сети связи с емкостью 700 абонентов. Наибольшее число одновременно работающих абонентов составляло 35. Несколько позже была создана аналогичная система RADAS - Random Access Adress System, в которой для передачи информации применялась ДМ.

С 1963 году на основе ШПС начинают создаваться спутниковые системы связи со свободным доступом к общему каналу связи, тропосферные радиорелейные системы связи с разделением отдельных лучей. Исследования эффективности применения ШПС в сравнении с другими методами модуляции в системах связи различных назначений начались с 1965 года.

В 90-х годах системы с ШПС начинают внедряться в системы сотовой подвижной связи. Подобные системы будут применяться в сотовых системах подвижной связи, широкое внедрение которых начнется в XXI веке. Исследования вопросов эффективности использования РЧС в таких системах и разработка методов их частотного планирования были начаты российским ученым Л. Е. Варакиным.

Хронология
1942 год Изобретение метода FH-SS для формирования ШПС (США - X. Ламар и Г. Атсейл).
1946 год Создание системы гиперболической навигации "Лоран", в которой используются сигналы TH-SS (США - Дж. А. Пирс).
1950 год Теоретические исследования возможностей создания ШПС методом TH-SS (США - В. Д. Уайт).
1952 год Создание системы СОМА для передачи сигналов телефонии с применением сигналов TH-SS (США).
1953 год Изобретение метода DS-SS для построения ШПС (США -Дж. Г. Грин, М. Г. Никольсон).
1955 год Применение генераторов с регистром сдвига для получения псевдослучайных последовательностей (США - Н. Цирлер, С. В. Голомб (1965 г.).
1960 год Создание наземной система связи RASEP с использованием сигналов с ЧВМ и ФИМ (США).
1963 год Создание системы RADAS, в которой для передачи информации применялись ЧВМ и ДМ (США).
1963 год Создание спутниковых систем с СОМА (США).
1963 год Создание тропосферных радиорелейных систем связи с использованием ШПС (США).
1965 год Первая теоретическая работа, в которой дано сравнение псевдошумовых и обычных методов модуляции в спутниковых системах с многократным доступом (США - Г. А. Блэзбалг).
1982 год Исследования возможностей использования широкополосных сигналов в сетях сотовой подвижной связи и разработка методов частотного планирования таких сетей (СССР - Л. Е. Варакин, М. А. Быховский (1995 г.); США - В. К. Ли, К. С. Гилхоусен и И. М. Джекобс (1991 г.) и др.).

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 02:00:41)
Дата 20.06.2002 02:01:13

История кодирования




Развитие методов модуляции и кодирования
Передача сообщений по радиоканалу осуществляется путем изменения параметров несущего колебания под воздействием информационного сообщения. При передаче аналоговых сигналов эти параметры изменяются непрерывно и пропорционально их уровню; при передаче цифровых сигналов в зависимости от значений одного или нескольких информационных символов осуществляется манипуляция параметров несущего колебания, то есть они принимают определенные фиксированные значения.

В первой половине XX века разрабатываются и внедряются аналоговые системы радиосвязи и вещания, по которым передаются сигналы телефонии (в том числе многоканальной) и телевидения. В этих системах применяются аналоговые методы модуляции, основанные на изменении параметров гармонической несущей (амплитуды, частоты и фазы) пропорционально величине модулирующего информационного сигнала. Многоканальные системы создаются с использованием частотного разделения каналов. В середине 30-х годов, в связи с развитием импульсной техники, выдвигаются новые идеи создания аналоговых многоканальных систем с импульсными видами модуляции и временным разделением каналов. Аппаратура выделения отдельных каналов в таких системах оказывается более простой по сравнению с системами, в которых используется частотное разделение каналов.

Создаются также системы связи (в основном в диапазоне ВЧ) для передачи сигналов телеграфии. В таких системах осуществляется манипуляция указанных выше параметров гармонического колебания.

В последние двадцать пять лет XX столетия на смену аналоговым методам передачи сообщений приходят и начинают широко внедряться цифровые методы. Цифровые системы связи в начале XXI века полностью заменят аналоговые. Эта революция в области передачи сигналов была подготовлена в 40-х годах, когда были изобретены два исключительно важных для последующего развития техники связи вида преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму - импульсно-кодовая и дельта-модуляция.

На совершенствование цифровых методов передачи сигналов значительное влияние оказали положения теории информации, на основе которых во второй половине XX века были созданы помехоустойчивые коды и сложные многопозиционные сигналы. Это позволило обеспечить высокую помехоустойчивость приема сигналов, а также весьма эффективно использовать пропускную способность канала связи.

В середине XX века в связи с проблемами военной радиосвязи рождаются идеи использования в качестве несущего колебания широкополосных сигналов, а не гармонических. Широкое использование таких сигналов в системах фиксированной и подвижной связи начинается в последней четверти XX века.

Рассмотрим более подробно развитие методов передачи аналоговых и цифровых сигналов по радиоканалам.

Аналоговые методы модуляции
В XX веке для передачи сигналов амплитудная (AM) и частотная (ЧМ) модуляции получили значительное распространение в системах радиосвязи и вещания. Учеными и инженерами всего мира было сделано огромное число исследований и изобретений, направленных на их совершенствование.

Изобретение ЧМ относится к первым годам XX века. Однако в течение почти тридцати лет, до работ знаменитого американского инженера Э. Х. Армстронга, оно не находило практического применения. Начиная с 40-х годов этот вид модуляции получил широчайшее применение в огромном числе систем связи самого различного назначения: подвижной, радиорелейной, спутниковой связи, в ОВЧ-ЧМ вещании. Сотни научных и экспериментальных работ были направлены на исследование искажений ЧМ сигналов, возникающих в линейных цепях связных устройств, и помехоустойчивости приема таких сигналов.

Передачу речи с помощью AM первым, по-видимому, осуществил один из пионеров радиотехники, американский инженер Фессенден. Модуляция осуществлялась путем включения микрофона, изменяющего затухание в цепи, связывающей передающую антенну и машинный генератор высокой частоты. Этот вид модуляции с 1920 года стал основным в звуковом радиовещании в диапазонах низких, средних и высоких частот (НЧ, СЧ и ВЧ) и сети аналогового AM вещания, которые уже восемьдесят лет развиваются во всех странах мира. До 40-х годов этот вид модуляции использовался не только в вещании, но также и во всех других видах радиосвязи.

Большое значение для электросвязи имело изобретение американским ученым Карсоном амплитудной модуляции с одной боковой полосой (ОБП), сделанное в 1915 году. Этот метод модуляции позволяет весьма эффективно использовать полосу частот канала связи. Системы с ОБП широко применяются до сих пор в системах многоканальной связи и в телевизионном (ТВ) вещании.

В середине XX века из-за чрезвычайно острой проблемы "тесноты в эфире", сохраняющейся и в настоящее время, были предприняты исследования возможности сокращения полосы канала, необходимой для передачи вещательных сигналов. Модернизация сетей AM вещания путем их перевода на ОБП была в середине XX века практически невозможна из-за того, что это требовало замены огромного парка вещательных приемников. Поэтому значительные усилия инженеров были направлены на создание "совместимой ОБП" - нового вида модуляции, с помощью которого можно было бы, с одной стороны, в два раза уменьшить полосу частот, занимаемую каждой станцией, а с другой - сохранить неизменным существующий парк приемников. Такой вид модуляции был предложен в 50-х годах учеными СССР и США. Сокращение занимаемой полосы частот в данном виде модуляции достигалось за счет дополнительной фазовой модуляции AM сигнала. Несмотря на успешные эксперименты, данный вид модуляции практического применения не нашел. В 80-х годах вновь встал вопрос о сокращении в два раза полосы частот вещательных станций в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ. Этот вопрос исследовался в МСЭ, и его предполагалось решить путем поэтапного внедрения до 2015 года ОБП. Однако к концу XX века стало ясно, что эпоха применения аналоговых методов передачи сигналов по каналам связи завершается, и для этих диапазонов частот были разработаны новые цифровые системы звукового вещания.

В СССР в 1939 году был изобретен еще один метод аналоговой модуляции, названный полярной модуляцией (ПМ). Суть этого метода состоит в том, что положительная полуволна несущей частоты модулируется по амплитуде одним сообщением, а отрицательная - другим. В СССР этот метод был выбран для создания системы стереофонического ОВЧ-ЧМ вещания. Передача стереосигналов осуществлялась путем модуляции методом ПМ поднесущей частоты 31. 25 кГц от двух разнесенных в пространстве микрофонов.

Хронология
1902 год Изобретение системы передачи сигналов методом частотной модуляции (ЧМ) (США - Корнелиус Д. Эрет).
1906 год Первый опыт передачи речи и музыки по радио методом AM с помощью машин высокой частоты (США - Р. Фессенден).
1915 год Изобретение метода амплитудной модуляции с одной боковой полосой (ОБП) (США - Дж. Р. Карсон).
1935 год Начало широкого применения ЧМ в радиовещании (США - Э. Х. Армстронг).
1939 год Изобретение полярной модуляции (СССР - А. И. Косцов).
1939 год Изобретение совместимой ОБП (СССР - С. И. Тетельбаум; США - Л. Кан (1961 г.)).
1964 год Изобретение однополосной частотной модуляции (США - К. А. Вон Урфф и Ф. И. Зонис).

Импульсные методы модуляции
Еще в начале XX века инженеры предпринимали поиски импульсных методов передачи непрерывных сигналов (телефонии, телевидения и т. п.). В 30-50-х годах были изобретены методы передачи сигналов с помощью амплитудно-импульсной (АИМ), широтно-импульсной (ШИМ), фазово-импульсной (ФИМ) и других разновидностей импульсной модуляции. Исследования помехоустойчивости приема сигналов с разными видами импульсной модуляции были выполнены в 40-х и 50-х годах. На базе ФИМ и других видов импульсной модуляции в середине XX века создавались многоканальные радиорелейные линии (РРЛ) связи.

Хронология
1919 год Изобретение метода преобразования непрерывных сообщений в импульсные с помощью катодно-лучевой трубки (СССР - И. Г. Фреймам).
1932 год Изобретение системы радиотелефонной связи с ШИМ (СССР - А. Л. Минц).
1935 год Изобретение многоканальной системы связи с АИМ (СССР - С. Н. Кокурин).
1944 год Создание в диапазоне 5 ГГц восьмиканальной РРЛ с ФИМ (США - фирма "Вестерн-Электрик").
1949 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с помощью ФИМ (СССР - С. В. Бородич).
1952 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с ФИМ (СССР - Г. В. Длугач).
1954 год Разработка многоканальной системы с ФИМ-ЧМ (США - С. Метзгер).
1958 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с ФИМ-ЧМ (СССР - Г. А. Малолепший).

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые
Необходимо отметить два основных метода преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму - импульсно-кодовую (ИКМ) и дельта-модуляцию (ДМ), которые традиционно относят к видам модуляции, хотя таковыми они, по сути, не являются, поскольку не связаны, как это характерно для всех остальных видов модуляции, с изменениями параметров несущей частоты. Оба вида модуляции были изобретены в 40-х годах и приобрели исключительно большое значение в конце XX века, когда началась глобальная цифровизация систем связи и вещания.

Изобретателем ИКМ является французский инженер Ривс. При ИКМ преобразования аналогового сигнала в цифровую форму осуществляют в два этапа. На первом этапе этот сигнал модулирует по амплитуде последовательность импульсов, следующих с частотой, определяемой теоремой Котельникова и равной 2FB, где FB - верхняя частота спектра сигнала. На втором этапе диапазон возможных уровней сигнала разбивается на 2n интервалов и определяется, в каком из интервалов находится уровень каждого из модулированных импульсов. В результате каждый импульс преобразуется в n-значную бинарную кодовую комбинацию, соответствующую данному интервалу. Для увеличения динамического диапазона сигналов, преобразуемых в цифровую форму, применяются компандеры, а при обратном преобразовании - экспандеры. Метод ИКМ нашел широкое применение в современных системах связи при передаче звуковых сигналов и сигналов телевидения.

Дельта-модуляция (ДМ) была изобретена независимо несколькими учеными в конце 40-х - начале 50-х годов во Франции (Е. Делорейн, С. ван Миеро и Б. Дерьявич), СССР (Л. А. Коробков) и США (К. К. Катлер, Ф. де Яджер). При ДМ формируется разность между текущим значением аналогового сигнала и его предсказанным значением на основе предшествующих отсчетов. Эта разность преобразуется в цифровую форму. В изобретениях, сделанных во Франции и СССР, для квантования разностного сигнала использовался бинарный код, символы которого принимают значения (1 или 0) или (±1). Для получения высокой точности преобразования аналогового сигнала в цифровую форму методом ДМ требуется более высокая (в 10-15 раз), чем в ИКМ, частота дискретизации. В 1952 году был предложен метод дельта-ИКМ (ДИКМ), в котором указанная выше разность преобразуется в k-значную кодовую комбинацию с помощью ИКМ. Применение ДИКМ позволяет при заданной точности преобразования аналогового сигнала в цифровую форму уменьшить частоту дискретизации и общую скорость полученного в результате преобразования цифрового потока. В 60-е годы были предложены многочисленные разновидности ДМ, в том числе ДМ с двойным интегрированием, ДМ с компандированием сигналов (адаптивная ДМ) и др.

Начало исследований искажений, которыми сопровождается преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму с помощью ИКМ и ДМ, было положено работами американских ученых Беннетта и Ван де Вега. В этих исследованиях устанавливались зависимости мощности и спектра продукта искажений от параметров метода преобразования (частоты дискретизации, динамического диапазона аналогового сигнала, числа уровней квантования и т. д.). Особенно интенсивные исследования точности преобразования сигналов с помощью ИКМ, ДМ и ДИКМ были выполнены в США и СССР в 60-70-х годах. Были исследованы точность разных алгоритмов преобразования, осуществлен синтез оптимальных алгоритмов преобразования с учетом статистических свойств аналогового сигнала.

Важные результаты, относящиеся к помехоустойчивости приема сообщений при использовании ИКМ, были получены в конце 40-х годов в США и СССР К. Шенноном и профессором С. В. Бородичем.

Хронология
1938 год Изобретение ИКМ (США - А. Ривс).
1944 год Первое исследование точности преобразования аналоговых сигналов методом ИКМ (США - В. Р. Беннетт).
1946 год Изобретение ДМ (Франция - Е. Делорейн, С. ван Миеро и Б. Дерьявич (1946 г.); СССР - Л. А. Коробков (1948 г.); США. - Ф. де Яджер).
1948 год Исследования помехоустойчивости системы передачи сообщений с помощью ИКМ (США - Б. Оливер, Дж. Пирс, К. Шеннон; СССР - С. В. Бородич (1949 г.).
1952 год Изобретение ДИКМ (США - К. К. Катлер).
1952 год Первое исследование точности преобразования аналоговых сигналов методом ДИКМ (США - Г. Ван де Вег).
1960-1975 годы Теоретические и экспериментальные исследования и оптимизация различных алгоритмов ИКМ, ДМ и ДИКМ (СССР - А. И. Величкин, М. Д. Венедиктов; США - Дж. Макс, Дж. Е. Эбейт, Дж. Б. О'Нейл).

Цифровые методы модуляции
На первом этапе развития радиосвязи долгое время использовались искровые передатчики и применялись, по существу, импульсные методы передачи сигналов с амплитудной манипуляцией (АМн). С созданием генераторов непрерывных электрических колебаний (вначале дуговых, затем машинных и позднее ламповых) начали изобретаться новые методы модуляции, основанные либо на непрерывном изменении амплитуды (AM), частоты (ЧМ) и фазы (ФМ) излучаемых колебаний при передаче непрерывных сообщений, либо дискретной манипуляцией этими параметрами (соответственно АМн, ЧМн и ФМн) при передаче дискретных (телеграфных) сигналов. Фазовая манипуляция, изобретенная знаменитым американским ученым Г. Найквистом в 1928 году, долгое время не находила применения из-за явления "обратной работы", возникающего вследствие невозможности восстановления на приеме опорного колебания, строго синфазного с несущей частотой принимаемого сигнала. С 30-х годов в течение почти сорока лет велись интенсивные научные исследования по разработке методов синхронного приема сигналов с ФМн, в которых принимали активное участие ученые и инженеры Франции, СССР, США и других стран.

В 1954 году советским ученым Н. Т. Петровичем было сделано важное изобретение относительно-фазовой манипуляции (ОФМ) - метода передачи, когда фаза последующей посылки изменяется при изменении полярности передаваемого знака относительно предыдущего. Этот метод устранил проблему "обратной работы" при приеме сигналов с фазовой манипуляцией и в течение многих десятилетий широко применялся в системах цифровой связи.

Важные изобретения, которые в последующем нашли широкое применение в системах связи, были сделаны советскими академиками А. Н. Щукиным и А. А. Пистоль-корсом. Они впервые предложили для передачи телеграфии применять многопозиционные сигналы. Первый из названных ученых изобрел систему двойного частотного телеграфирования (ДЧТ), а второй - многократную ФМн.

Проблемы повышения эффективности использования спектра привели к разработке в конце XX века манипуляции минимального частотного сдвига (ММС), в которой за время передачи одного знака фаза сигнала линейно изменяется в зависимости от его полярности на ±я/2. Сигналы ММС обладают весьма компактным спектром с весьма низким уровнем внеполосного излучения. В 1960 году были изобретены N=2n-позиционные сигналы с квадратурной амплитудной манипуляцией (KAM-N), в которой амплитуда квадратурных составляющих излучаемого колебания могла принимать от 8 до 128 значений (КАМ-16 и КАМ-256). Новые методы манипуляции сегодня широко применяются в радиорелейных, спутниковых и подвижных системах связи.

В середине века была изобретена синхронная система "Кинеплекс", называемая иногда иначе - OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). В этой системе для передачи многоканальной телеграфии каждое из М колебаний, частотный разнос между которыми был обратно пропорционален длительности передаваемого знака, модулировалось с помощью ОФМ. В системе "Кинеплекс" полоса частот канала связи используется весьма эффективно.

В конце XX века эта система, названная COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing), была существенно усовершенствована специалистами ряда стран: для манипуляции отдельных колебаний применялась КАМ, использовались помехоустойчивые коды. На базе COFDM создавались системы ВЧ связи, подвижной связи и т. п. Этот вид модуляции будет весьма широко использоваться в XXI веке в цифровых системах звукового (DAB) и телевизионного (DVB) вещания.

Хронология
1915 год Первое применение ЧМн (США - В. Паульсен), Э. Х. Армстронг в 1927 году предложил применять ЧМн.
1928 год Изобретение фазовой манипуляции (ФМн) (США - Г. Найквист).
1932-1942 годы Разработка методов приема сигналов с ФМн (Франция - Г. Бельсиз; СССР - А. А. Пистолькорс, В. И. Сифоров, Е. Г. Момот).
1933 год Изобретение системы двойного частотного телеграфирования (ДЧТ) (СССР - А. Н. Щукин).
1935 год Изобретение многократной ФМн (СССР - А. А. Пистолькорс).
1954 год Изобретение относительно-фазовой манипуляции - ОФМ (СССР - Н. Т. Петрович).
1956 год Изобретение метода синхронного приема сигналов с ФМн (США - Д. Костас).
1957 год Изобретение системы передачи "Кинеплекс" (США - М. Л. Доелс, Е. Т. Хелад, Д. Л. Мартин).
1960 год Изобретение квадратурно-амплитудной модуляции - КАМ (США - К. Кан).
1979 год Изобретение манипуляции с минимальным частотным сдвигом (ММС) (США - С. Пасьюпаси).
1981-1991 годы Создание различных систем, использующих COFDM: для ВЧ связи, подвижной связи, цифрового звукового и телевизионного вещания (Франция, Германия, Япония).

Методы кодирования
Начало истории кодирования можно отнести к 1948 году, когда была опубликована знаменитая статья Клода Шеннона, доказавшего принципиальную возможность безошибочной передачи сигналов, если скорость передачи меньше пропускной способности канала связи, которая тем больше, чем выше отношение сигнал/шум на входе приемного устройства. Это указывало на то, что энергетика линий связи определяет только их пропускную способность, а сколь угодно высокой помехоустойчивости приема сообщений можно достигнуть путем применения специальным образом построенных кодов. Революционные идеи Шеннона осуществили переворот в сознании инженеров-связистов, ведь до создания этой теории считалось само собой разумеющимся, что единственные возможности повышения помехоустойчивости приема сигналов состоят в увеличении мощности передатчика или в многократной передаче по каналу связи одного и того же сообщения. Оба эти способа приводят к весьма низкой эффективности использования пропускной способности канала связи.

Многочисленные исследования 50-х годов XX века были направлены на решение следующих проблем теории кодирования:

построение кодов с хорошими корректирующими свойствами;
выбор алгоритма декодирования, имеющего малую сложность;
согласование кодов, корректирующих ошибки, видов модуляции, алгоритмов декодирования и характеристик канала связи.
Первые блочные коды, позволявшие корректировать одиночные ошибки, были построены в 1949 и 1950 годах известными американскими учеными М. Дж. Голеем и Р. Хэммингом. При блочном кодировании последовательность информационных символов разбивается на отдельные блоки определенной длины. Для каждого такого блока формируются дополнительные проверочные символы, которые образуются путем сложения по модулю 2 определенных информационных символов. Блоки информационных и проверочных символов передаются в канал связи. Коды Хэмминга имели простой алгоритм декодирования и позволяли корректировать одну ошибку в кодовой комбинации. Эти коды были разочаровывающе слабы по сравнению с тем, на что указывала теория Шеннона, однако их значение весьма велико, так как их создание дало толчок для огромного числа последующих работ в области алгебраической теории кодирования.

Работа Хэмминга явилась катализатором цепной реакции выдвижения новых идей в данной области, которая началась с 1954 года. Американский ученый И. С. Рид был первым, кто использовал мажоритарное декодирование кодов Рида-Маллера. При мажоритарном декодировании для каждого информационного символа формируется нечетное число оценок путем сложения по модулю 2 определенных комбинаций символов принятого кода. Решение об истинном значении принятого символа принимается по мажоритарному принципу - если большее количество оценок равно 1, то принимается именно такое решение. В 1963 году Дж. Л. Месси установил общие принципы построения и декодирования подобных кодов. Достоинством мажоритарно декодируемых кодов является чрезвычайная простота и быстродействие алгоритмов декодирования. Однако класс таких кодов весьма мал, и эти коды слабее других. Значительный вклад в создание теории построения мажоритарно декодируемых кодов внесли в 1965 году советские ученые В. Д. Колесников и Е. Т. Мирончиков.

Весьма интересный класс блочных кодов был предложен в 1954 году американским ученым Г. Форни. Каскадные коды формируются следующим образом: последовательность информационных символов длиной n = n1 * n2 записывается в буферную память в виде таблицы, имеющей n1 столбцов и n2 строк. Символы отдельных строк и столбцов кодируются с помощью корректирующих кодов (соответственно внутреннего и внешнего), и дополнительные проверочные символы вместе с информационными передаются по каналу связи. Весьма значимые результаты по исследованию каскадных кодов были получены Г. Форни и советскими учеными Э. Л. Блохом и В. В. Зябловым. Исследования последних (1976 и 1982 гг.) показали, что при соответствующем выборе внутреннего и внешнего кодов каскадные коды позволяют разрешить указанные выше проблемы помехоустойчивого кодирования.

В 1955 году в США и СССР был предложен весьма важный класс сверточных или рекуррентных кодов, нашедший широкое применение в современной технике связи. Исследования, связанные с построением таких кодов и разработкой эффективных с вычислительной точки зрения алгоритмов их декодирования, заняли почти двадцать лет.

В этом классе кодов информационная последовательность символов разбивается на блоки, содержащие по m символов, которые поступают на линейный преобразователь, имеющий память на K-подобных блоков. В этом преобразователе каждый блок из m поступивших символов с учетом содержащихся в памяти K-блоков (K - длина кодового ограничения), преобразуются в n (n > m) символов, передаваемых по каналу связи. При этом относительная скорость передачи информации составляет R = m/п. Сверточные коды являются частным случаем блочных линейных кодов. Однако введение сверточной структуры наделяет эти коды рядом дополнительных свойств, которые существенно облегчают его декодирование. Эти коды имеют древовидную или решетчатую структуру. Каждому ребру древовидной структуры соответствует определенная последовательность m информационных символов. По принятой последовательности символов для каждого ребра может быть найден его вес - число, характеризующее его расстояние от принятой последовательности. Для измерения этого расстояния может быть использована метрика Хэмминга, если в демодуляторе принимается жесткое решение, или евклидова метрика, если декодирование осуществляется по методу максимума правдоподобия. Декодирование сверточных кодов состоит в прослеживании по кодовой решетке того пути, для которого расстояние от принятой последовательности символов имеет минимальное значение. Сверточная структура кода позволяет использовать рекуррентные алгоритмы, существенно упрощающие вычисления этого расстояния.

Для декодирования этих кодов американским ученым Дж. Возенкрафтом в 1957 году был предложен изящный алгоритм последовательного декодирования, в соответствии с которым в декодере просматриваются не все возможные пути по ребрам кодовой решетки сверточного кода, а наиболее вероятные. Если декодер выбрал на каком-то шаге неверный путь, то он вскоре обнаруживает, что при последующих выборах ребер происходит быстрое увеличение расстояния между выбранным путем и принимаемой последовательностью. Это является сигналом к тому, чтобы декодер сделал несколько шагов назад и начал исследовать альтернативные, более правдоподобные пути. При последовательном декодировании число вычислений на одно ребро является случайной

величиной, и в памяти декодера должны храниться вычисленные расстояния для всех исследованных ветвей. Первые исследования алгоритма последовательного декодирования выполнили Дж. Возенкрафт и Б. Рейффен. В 1963 году его усовершенствовал P. M. Фано, в 1966 году эффективную модификацию этого алгоритма предложил советский ученый К. Ш. Зигангиров, а несколько позднее (1969 г.) аналогичное предложение сделал американский ученый Ф. Джелинек.

Значительным достижением в области теории кодирования явилась разработка в 1967 году одним из крупнейших американских ученых А. Витерби весьма эффективного с вычислительной точки зрения алгоритма декодирования сверточных кодов по максимуму правдоподобия. Этот алгоритм, в отличие от алгоритма последовательного декодирования, исследует все возможные пути по кодовой решетке на длине кодового ограничения k, поэтому он применим для декодирования сверточных кодов при сравнительно небольших значениях K = 1-10.

Сверточные коды и алгоритмы Витерби и последовательного декодирования получили в настоящее время весьма широкое распространение в магистральных радиорелейных и спутниковых системах связи.

Американский ученый Д. Слепян, получивший значительные результаты в разных областях теории связи, был первым, кто в 1956 году заложил строгий фундамент теории линейных блочных кодов с проверкой на четность - математическую теорию групп.

В 1957 году другой американец, Е. Прейндж, первый ввел понятие циклического кода и указал на его связь с идеалами алгебр. Циклические коды являются важным подклассом линейных кодов, которые имеют эффективные алгоритмы кодирования и декодирования, основанные на применении идей алгебраической теории полей Галуа. Значительный вклад в разработку теории этих кодов внесли американские ученые Пи-терсон, Берлекамп и Касами.

Весьма важный и обширный класс линейных циклических кодов Боуза, Рой-Чоудхури (США, 1960 г.) и Хоквингема (Франция, 1959 г.), названный кодами БЧХ по первым буквам имени открывших их независимо ученых, позволял корректировать многократные ошибки в принятой кодовой комбинации. Эти коды имели следующие параметры: n = 2m - 1, k > 2m - 1 - mt, d > 2t + 1 (здесь n - длина кода, k - число информационных символов в кодовой комбинации, t - количество корректируемых ошибок, d - минимальное хэммингово расстояние между кодовыми комбинациями). Декодирование кодов БЧХ производят на основе решения определенных алгебраических уравнений.

Были построены специальные коды для работы в каналах связи, в которых возникают пакеты ошибок. Однако задача коррекции пакетов ошибок может быть сведена к задаче коррекции независимых ошибок путем применения метода перемежения символов, который состоит в перестановке передаваемых символов таким образом, чтобы соседние символы передаваемой кодовой комбинации оказывались разнесенными в достаточной степени во времени так, чтобы их искажения в канале связи были независимыми. На приеме производится восстановление исходного порядка символов. Эта простая идея, выдвинутая в 1960 году советскими учеными академиком А. А. Харкевичем и профессором Э. Л. Блохом и позднее (1970 г.) американским ученым Дж. Л. Рамсеем, сегодня применяется во многих системах радиорелейной и подвижной связи, в которых при приеме цифровых сигналов имеет место группирование ошибок.

Сердцем любой цифровой системы связи является аналоговый канал. Цифровая система связи для такого канала включает модулятор/демодулятор (модем), преобразующий аналоговый канал в дискретный так, чтобы можно было использовать кодер/декодер (кодек).

Наименьшую вероятность ошибки можно получить, вычисляя в демодуляторе расстояния между принятым сигналом и всеми возможными кодовыми комбинациями. Решение принимается в пользу той кодовой комбинации, которая находится на минимальном расстоянии от принятого сигнала. Однако при этом для кодов большой длины, имеющих огромное количество кодовых комбинаций, сложность демодулятора столь сильно возрастает, что его практическая реализация становится невозможной. Поэтому использование кодов дает наилучшие результаты при разумном согласовании модема и кодека. Это возможно, если в демодуляторе принимается мягкое решение о принимаемом символе и если декодер получает дополнительную информацию, характеризующую надежность решения, принятого в демодуляторе. В простейшем случае при передаче бинарных сигналов в демодуляторе те принимаемые символы, для которых надежные решения не могут быть приняты, стираются, и декодер извещается о тех позициях кода, на которых находятся стертые символы.

Идеи применения мягкого решения в демодуляторе для декодирования кодовых комбинаций зародились почти с самого начала возникновения теории кодирования. Первой работой в этом направлении можно считать выполненное в 1954 году американскими учеными Сильверманом и Болсером исследование помехоустойчивости приема с мягким решением кода Вагнера, содержащего всего один избыточный двоичный символ для проверки информационных символов на четность. На приеме принимается жесткое решение о значениях всех принятых символов и, кроме того, дополнительно определяется наименее надежный из них. При декодировании этот символ изменяется на противоположный в том случае, если проверка принятой кодовой комбинации на четность не выполняется. При наличии всего одного проверочного символа в кодовой комбинации такой алгоритм декодирования позволял корректировать в ней одиночные ошибки. Эта идея была позже в обобщенном виде применена к декодированию кодов БЧХ в канале со стираниями ненадежно принятых символов.

С конца 60-х - начала 70-х годов были выполнены многочисленные исследования, направленные на разработку методов приема сигналов в целом. При этом в приемном устройстве решение о приеме той или иной кодовой комбинации принимается по методу максимального правдоподобия, то есть при декодировании ищется такая кодовая комбинация, которая находится на наименьшем евклидовом расстоянии от принятого сигнала. Учет структуры кода позволял существенно упростить вычисления этого расстояния.

Для сверточных кодов их декодирование при мягком решении в демодуляторе можно осуществить, используя алгоритмы Витерби и последовательного декодирования.

Для кодов с пороговым декодированием применение мягкого решения исследовалось в США Дж. Л. Месси и несколько позже в СССР Л. М. Финком и Б. Д. Каганом.

Для блочных кодов в начале 70-х годов американскими учеными Е. Велдоном и Д. Чейзом были предложены алгоритмы декодирования, использующие мягкое решение демодулятора и позволяющие приблизиться к решению по максимуму правдоподобия.

С 80-х годов появилось новое научное направление - разработка и анализ помехоустойчивости приема специально построенных сигналов, названных сигнально-кодовыми конструкциями. Это направление представляет собой синтез методов модуляции, кодирования и их оптимального приема и позволяет создавать системы связи, в которых по каналу связи, имеющему ограниченную полосу частот, возможно передавать информацию с качеством, приближающимся к потенциальному пределу, определяемому положениями теорий Котельникова и Шеннона.

В 1982 году в результате теоретических исследований американского ученого Г. Унгербоека была создана решетчатая кодовая модуляция (РКМ). Этот вид модуляции основывается на сочетании многопозиционных сигналов и помехоустойчивых кодов. При этом ансамбль многопозиционных сигналов, содержащий М=2n сигналов, разбивается на K = 2k+1 вложенных подансамблей с монотонно возрастающими расстояниями. В качестве сигналов используются многопозиционная ФМ и КАМ. Информационная последовательность символов преобразуется в кодовую с помощью сверточного кода, который применяется к кодированию k из п информационных символов, причем сверточный код имеет скорость k/k+1 и вводит 1-битовую избыточность. Кодированные биты определяют выбор подансамбля, а некодированные - конкретную сигнальную точку в этом выбранном подансамбле. Для оптимального приема сигналов РКМ используется метод максимального правдоподобия, реализуемый в виде алгоритма Витерби. Применение РКМ позволяет (при заданных скорости передачи сигналов и вероятности ошибочного приема) уменьшить необходимые энергетику линии и полосу частот. Этот вид модуляции находит применение на магистральных высокоскоростных линиях радиорелейной и спутниковой связи.

Весьма обширные исследования помехоустойчивости различных методов приема сигнально-кодовых конструкций в гауссовском канале связи были выполнены советскими учеными С. Л. Портным, В. В. Зябловым, В. В. Гинзбургом и В. Л. Банкетом.

Хронология
1949 год Создание линейного кода М. Дж. Голея (США).
1950 год Создание кодов Р. Хэмминга, корректирующих одиночные ошибки (США).
1954 год Создание и исследования каскадных кодов (США - Г. Форни. СССР - Э. Л. Блох и В. В. Зяблов).
1954 год Создание кодов с мажоритарным декодированием (США - И. С. Рид и Д. Е. Маллер).
1954 год Исследование помехоустойчивости приема с мягким решением для кода Р. А. Вагнера (США - Сильверман и М. Болсер).
1955 год Создание сверточных кодов (США - П. Элайес; СССР - Л. М. Финк и В. И. Шляпоберский).
1956 год Применение математического аппарата теории групп к построению линейных кодов, корректирующих ошибки (США - Д. Слепян).
1956 год Исследование линейных переключающих схем с точки зрения теории линейных фильтров и применение генераторов с регистром сдвига для получения кодов, исправляющих ошибки (США - Д. А. Хаффмен).
1957 год Первые исследования циклических кодов (США - Е. Прейндж).
1957 год Открытие метода последовательного декодирования (США - Дж. Возенкрафт).
1959 год Создание кодов БЧХ (США - Р. К. Боуз и Д. К. Рой-Чоудхури (1960 г.), Франция - А. Хоквингем (1959 г.)).
1960 год Исследование помехоустойчивости приема сигналов в канале с группированием ошибок при использовании метода перемежения информационных символов (СССР - А. А. Харкевич и Э. Л. Блох (1960 г.), США - Дж. Л. Рамсей (1970 г.)).
1960 год Создание эффективных линейных блоковых кодов (США - И. С. Рид и Г. Соломон).
1961 год Исследование эффективности метода последовательного декодирования (США - Дж. Возенкрафт и Б. Рейффен).
1963 год Исследования методов мажоритарного декодирования блоковых кодов как при жестком, так и при мягком решении демодулятора (США - Дж Л. Месси).
1963 год Создание модификации алгоритма последовательного декодирования (США - P. M. Фано).
1965 год Исследования циклических кодов с мажоритарным декодированием (СССР - В. Д. Колесников и Е. Т. Мирончиков).
1966 год Создание стэк-алгоритма последовательного декодирования (СССР - К. Ш. Зигангиров, США - Ф. Джелинек (1969 г.)).
1967 год Алгоритм декодирования сверточных кодов по максимуму правдоподобия (США - А. Дж. Витерби).
1971-1972 годы Алгоритмы мягкого декодирования блочных кодов (США - Е. Велдон и Д. Чейз).
1982 год Исследования решетчатой кодовой модуляции (США - Г. Ундербоек).
1982-1991 годы Исследования помехоустойчивости различных методов приема сигнально-кодовых конструкций в гауссовском канале связи (СССР - С. Л. Портной, В. В. Зяблов, В. В. Гинзбург, В. Л. Банкет).

Широкополосные методы модуляции
Весьма важными достижениями инженеров XX столетия явились изобретение широкополосных сигналов (ШПС) и создание на их основе новых систем радиосвязи и радиолокации. Широкое использование этих сигналов для создания радиосистем массового применения началось в последние 10-15 лет. Однако к разработке идей их использования для повышения помехоустойчивости приема приступили еще в 40-х годах. В обычных видах модуляции информационный поток изменяет амплитуду, фазу или частоту гармонического колебания - несущей частоты. При этом ширина спектра излучаемого в эфир сигнала соизмерима с шириной спектра модулирующего сигнала. Однако переносчиком информации может быть не только гармонический, но и сложный широкополосный сигнал. Такой сигнал может быть сформирован разным образом: несущая может быть модулирована вспомогательной кодовой последовательностью или вспомогательным аналоговым сигналом по фазе, частоте или амплитуде.

Первые работы, связанные с ШПС, были направлены на разработку методов борьбы с мощными радиопомехами, мешающими приему радиолокационных сигналов. В последующие годы были разработаны и нашли применение в системах радиосвязи три основных способа формирования ШПС.

Первые идеи построения ШПС были связаны с ЧМ несущей частоты вспомогательным сигналом, структура которого должна была быть известна на приеме. Одно из первых изобретений, позволяющих выделить ШПС на фоне шума и мощной помехи, представляющее, по сути, полосовой коррелятор, было сделано еще в 1942 году. В этом же году было сделано еще одно пионерское изобретение - способ формирования ШПС методом скачкообразного изменения частоты несущего колебания за время передачи одного информационного символа (FH-SS - Frequency Hopping Spread Spectrum). Честь этого изобретения, долгое время остававшегося секретным, принадлежит известной американской актрисе Хэди Ламар, признанной в 1940 году на конкурсе красоты самой красивой женщиной мира, и ее мужу - композитору Георгу Атсейлу. Изобретенный ими принцип формирования широкополосных сигналов сегодня находит применение в ряде систем связи. В отечественной литературе такие сигналы называют сигналами с частотно-временной матрицей (ЧВМ).

Другим методом формирования ШПС, дуальным к методу ЧВМ и разработанным в 1946 году, является метод скачкообразного изменения относительного временного положения коротких кодовых импульсов за время передачи одного информационного символа (TH-SS - Time Hopping Spread Spectrum).

Один из наиболее широко применяемых сегодня на практике способов формирования ШПС, который называется методом прямого расширения спектра путем непосредственной фазовой модуляции несущей определенной кодовой последовательностью (DS-SS - Direct Sequence Spread Spectrum), был изобретен американскими специалистами Дж. Г. Грином и М. Г. Никольсоном в 1957 году. Ими был предложен метод построения бинарной кодовой последовательности с хорошими корреляционными свойствами. Позже было выполнено значительное число работ, посвященных синтезу подобных псевдослучайных последовательностей с помощью регистров сдвига. К пионерским теоретическим работам в этом направлении относятся исследования С. Голомба (1955 г.) и Н. Цирлера (1959 г.).

Во всех указанных случаях возможно создание в общей полосе частот больших ансамблей сигналов, которые отличаются либо законом чередования фазы несущей частоты для сигналов DS-SS, либо законом изменения значения несущей частоты для сигналов FH-SS, либо определенной временной расстановкой коротких импульсов для сигналов TH-SS. Аналогично тому, как в системах с ЧУ и ВУ сигналы разных каналов могут быть разделены по частоте либо по временному положению, которое они занимают в общей временной последовательности, возможно разделение и разных сигналов ансамбля ШПС по индивидуальной кодовой структуре каждого из этих сигналов. Таким образом, ШПС могут использоваться в качестве переносчиков информации подобно тому, как используются гармонические колебания в обычных системах связи. При этом аналогом AM является передача одного из ШПС, принадлежащего к определенному ансамблю сигналов, с определенной амплитудой, аналогом ФМн является манипуляция фазы ШПС, а аналогом обычной ЧМн является передача одного из двух возможных сигналов ШПС по линии связи.

Сигналы, не перекрывающиеся по спектру или времени, являются полностью ортогональными. Их применение в качестве переносчиков информации в многоканальных системах позволяет полностью разделить соответствующие каналы связи. В отличие от таких сигналов разные ШПС, принадлежащие к одному ансамблю, не являются полностью ортогональными, и поэтому при их разделении возникают дополнительные шумы. Однако их замечательное свойство состоит в том, что в системах связи, использующих ШПС, которые называются системами с кодовым разделением каналов (CDMA - Code Division Multiple Access) или асинхронно-адресными системами, поступающие на вход помехи подавляются в В = WIF раз, где В - база ШПС, W - полоса частот, занимаемая ШПС в канале связи, F - полоса частот информационного сигнала. В широкополосных системах связи В= 100 - 10 000, и в них обеспечивается весьма значительное подавление помех, действующих в той же самой полосе частот, в которой работает данная система. Данное свойство ШПС является уникальным и позволяет многократно использовать один и тот же частотный канал для связи разных абонентов на ограниченной территории. В традиционных системах связи для исключения возможности возникновения помех между зонами, в которых используется один и тот же частотный канал, должен быть обеспечен весьма значительный территориальный разнос. Таким образом, в системах CDMA достигается весьма высокая эффективность использования радиочастотного спектра. Кроме того, ШПС позволяют путем специальной обработки принимаемых сигналов эффективно бороться с замираниями сигналов в многолучевых каналах связи, разделяя отдельные лучи и осуществляя их когерентное сложение.

Первой системой, в которой начали применяться ШПС, явилась созданная в 1946 году система гиперболической навигации "Лоран", в которой около десятка пар станций работали в общем частотном канале независимо друг от друга, используя сигналы TH-SS. В 1952 году на этом же принципе было создано связное оборудование для передачи сигналов телефонии.

В 1958 году была создана первая система коротковолновой связи "Рейк" для работы в многолучевом канале, в которой ШПС применялись для разделения отдельных лучей и устранения замираний, вызванных их интерференцией.

Первые системы, использующие сигналы с FH-SS, появились в начале 60-х годов. В 1963 году была создана наземная система связи RACEP (Random Access and Correlation for Extended Perfomance), в которой для передачи полезных сообщений применялась ФИМ. Система занимала полосу частот 4 МГц и работала в диапазоне 140 МГц. Она позволяла осуществлять передачу сигналов телефонии и цифровой информации и давала возможность организации на одной территории сети связи с емкостью 700 абонентов. Наибольшее число одновременно работающих абонентов составляло 35. Несколько позже была создана аналогичная система RADAS - Random Access Adress System, в которой для передачи информации применялась ДМ.

С 1963 году на основе ШПС начинают создаваться спутниковые системы связи со свободным доступом к общему каналу связи, тропосферные радиорелейные системы связи с разделением отдельных лучей. Исследования эффективности применения ШПС в сравнении с другими методами модуляции в системах связи различных назначений начались с 1965 года.

В 90-х годах системы с ШПС начинают внедряться в системы сотовой подвижной связи. Подобные системы будут применяться в сотовых системах подвижной связи, широкое внедрение которых начнется в XXI веке. Исследования вопросов эффективности использования РЧС в таких системах и разработка методов их частотного планирования были начаты российским ученым Л. Е. Варакиным.

Хронология
1942 год Изобретение метода FH-SS для формирования ШПС (США - X. Ламар и Г. Атсейл).
1946 год Создание системы гиперболической навигации "Лоран", в которой используются сигналы TH-SS (США - Дж. А. Пирс).
1950 год Теоретические исследования возможностей создания ШПС методом TH-SS (США - В. Д. Уайт).
1952 год Создание системы СОМА для передачи сигналов телефонии с применением сигналов TH-SS (США).
1953 год Изобретение метода DS-SS для построения ШПС (США -Дж. Г. Грин, М. Г. Никольсон).
1955 год Применение генераторов с регистром сдвига для получения псевдослучайных последовательностей (США - Н. Цирлер, С. В. Голомб (1965 г.).
1960 год Создание наземной система связи RASEP с использованием сигналов с ЧВМ и ФИМ (США).
1963 год Создание системы RADAS, в которой для передачи информации применялись ЧВМ и ДМ (США).
1963 год Создание спутниковых систем с СОМА (США).
1963 год Создание тропосферных радиорелейных систем связи с использованием ШПС (США).
1965 год Первая теоретическая работа, в которой дано сравнение псевдошумовых и обычных методов модуляции в спутниковых системах с многократным доступом (США - Г. А. Блэзбалг).
1982 год Исследования возможностей использования широкополосных сигналов в сетях сотовой подвижной связи и разработка методов частотного планирования таких сетей (СССР - Л. Е. Варакин, М. А. Быховский (1995 г.); США - В. К. Ли, К. С. Гилхоусен и И. М. Джекобс (1991 г.) и др.).

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 02:01:13)
Дата 20.06.2002 02:01:47

Эффективность каналов




Развитие методов эффективного использования каналов связи
...Если XVII столетие и начало XVIII столетия - век часов, то настоящее время есть век связи и управления.

Норберт Винер

Повышение эффективности использования канала связи достигается как путем применения разных методов уплотнения каналов связи, так и за счет сокращения избыточности сообщений.

Весьма актуальной проблемой электросвязи является вопрос об эффективном использовании каналов связи. Эта проблема возникла еще в XIX веке, и над ее решением работали многие инженеры и ученые. Одним из них был крупнейший американский изобретатель в области электросвязи Грей, который, по-видимому, первым предложил применение частотного уплотнения (ЧУ) проводных каналов связи, другим был французский инженер Бодо, изобретший метод временного уплотнения (ВУ). Эти методы позволяли по одному физическому каналу организовать передачу многоканальных сообщений. Они нашли широчайшее применение в технике электросвязи в XX столетии, в том числе в технике радиосвязи. При применении на передаче методов ЧУ или ВУ на приеме используются соответствующие методы разделения сигналов.

На начальном этапе развития радиосвязи при передаче аналоговых сигналов использовалось ЧУ. Временное уплотнение каналов для передачи телеграфных сигналов по радиоканалам начало применяться в 30-х годах, а для передачи аналоговых сигналов - в 40-х годах, когда стали создаваться радиорелейные системы с импульсными видами модуляции. В связи с внедрением цифровых систем связи в последние десятилетия XX века началось широкое применение многоканальных систем с ВУ, а также нового вида уплотнения каналов связи - кодового, основанного на использовании широкополосных сигналов с большой базой.

Сокращение избыточности передаваемых сообщений является другим методом, который позволяет повысить эффективность использования канала связи. Это особенно важно в современных системах, которые почти исключительно являются цифровыми.

Основными видами передаваемых сообщений до сего времени остаются звуковые и видеосигналы. Было установлено, что для качественной передачи этих сигналов в цифровом виде без применения методов сокращения избыточности сообщений требуются высокоскоростные системы. Скорость передачи сигналов в этих системах составляет: для речи - 64 Кбит/с, для звукового вещания - 350-600 Кбит/с, а для сигналов цветного ТВ - до 216 Мбит/с.

Для цифровых систем необходимая полоса частот канала связи увеличивается в десятки раз по сравнению с той, которая нужна для передачи звуковых и видеосигналов в аналоговом виде. С целью сокращения полосы частот, необходимой для создания цифровых систем связи, начиная с середины XX столетия выполняются многочисленные исследования и разработки, направленные на решение проблем сокращения избыточности сообщений.

Уплотнение каналов радиосвязи
Первые опыты по частотному уплотнению радиоканалов были осуществлены в США еще в 1914 году. После изобретения метода модуляции ОБП во многих странах велись разработки многоканальных радиосистем, использующих этот вид модуляции. В СССР первая такая работа была выполнена в 1935 году под руководством В. А. Котельникова. В этом же году в СССР была предложена система связи с многостанционным доступом и частотным разделением каналов (МДЧР), в которой отдельные каналы не закреплялись за абонентами. В этой системе абоненты имели возможность свободного доступа к отдельным частотным каналам, находящимся в пределах полосы частот, выделенной для работы многоканальной системы связи. Принцип свободного доступа существенно повышал эффективность использования этой полосы, и с 60-х годов XX столетия он начал широко использоваться в системах подвижной и спутниковой связи.

Советские ученые в 1941 году предложили применение метода ЧУ для создания многоканальных систем радиосвязи с ЧМ. Такие системы получили в XX веке широчайшее применение в радиорелейной связи.

С начала 60-х годов различные методы многостанционного доступа начинают применяться в системах спутниковой связи. Разрабатываются многоканальные системы "один канал на несущую - ОКН", в которых абоненты, используя ЧМ, имеют свободный доступ к любому из узкополосных частотных каналов системы. Позднее разрабатывается цифровая система SPADE, в которой на каждой несущей методом ОФМ-ИКМ передаются речевые сигналы. В этой системе предусмотрено выключение несущей в паузах речи, что позволяет увеличить число одновременно передаваемых через нелинейный спутниковый ретранслятор каналов до 800.

Создание спутниковых систем многостанционного доступа с временным разделением (МДВР) относится к 70-м годам. Эти системы весьма перспективны и также широко применяются в современной технике связи. В частности, они применяются в системах сотовой подвижной связи второго поколения, а также в радиорелейных линиях связи.

В 60-х годах в спутниковой связи начинают применяться системы многостанционного доступа с кодовым разделением (МДКР) каналов. В этих системах применяются широкополосные сигналы с большой базой, что позволяет многим абонентам, использующим такие сигналы с различной структурой, работать в общей полосе частот, не создавая друг другу ощутимых помех. Этот вид уплотнения оказался весьма эффективным, и в настоящее время он применяется в системах спутниковой и наземной, фиксированной и подвижной связи.

Хронология
1914 год Опыты по частотному уплотнению радиоканала (США - Р. А. Хейсинг).
1918 год Создание первой системы проводной связи с частотным уплотнением сигналами с ОБП (США).
1935 год Создание в СССР однополосной многоканальной системы передачи сигналов телефонии и телеграфии (В. А. Котельников, А. В. Черенков, А. Ф. Ганин).
1935 год Изобретение метода МДЧР (СССР - М. П. Долуханов).
1941 год Изобретение многоканальной системы связи ЧУ-ЧМ (СССР - И. С. Гоноровский, В. И. Сифоров).
1964 год Создание опытной спутниковой системы МДВР-ИКМ (США - фирма COMSAT).
1964 год Создание спутниковой системы связи с МДКР-ИКМ (США - Г. Блэсбарг, Д. Фридман, Р. Киилер).
1969 год Создание спутниковой системы "SPADE"-МДЧР-ИКМ (США - А. Вере).
1970 год Создание спутниковой системы SMAX МДВР-ИКМ (Япония - С. Накамура, С. Кондо, Ю. Иноге).


Сокращение избыточности при передаче звуковых сигналов
Речевые сигналы
Речевые сигналы занимают полосу частот, равную примерно 3 кГц. Для их передачи с высоким качеством в цифровом виде с помощью ИКМ требуется канал связи со скоростью передачи 64 Кбит/с. Устранение избыточности речевых сигналов позволяет уменьшить эту скорость. Одним из методов сокращения избыточности сигналов речи является применение адаптивной ДИКМ. В этом методе осуществляется преобразование в цифровую форму разности между передаваемым отсчетом сообщения и его предсказанным значением по нескольким предыдущим отсчетам. Применение ДИКМ позволяет для речевых сигналов сократить необходимую скорость передачи в 2-4 раза.

Уменьшить избыточность сигналов речи можно и с помощью вокодерной техники. Первое изобретение вокодера, позволявшего сократить избыточность речевых сигналов, было сделано в 1939 году американским инженером Г. Дадли. В течение многих лет инженеры США, России, Франции, Японии и других стран работали над совершенствованием вокодеров.

В вокодерах путем анализа речевого сигнала голосовой тракт моделируется формирующим фильтром, возбуждаемым импульсным и шумовым сигналами. В процессе анализа определяются основные параметры речевого сигнала - параметры формирующего фильтра и частота основного тона речи, определяющая частоту импульсного воздействия. Эти параметры изменяются медленно, и для их передачи требуется скорость 4.8-16 Кбит/с.

Вокодеры широко применяются в современных системах подвижной связи. В системе сотовой подвижной связи стандарта GSM применяется вокодер с многоимпульсным возбуждением и линейным кодированием с предсказанием.

Над проблемами создания вокодерной техники активно работали многие советские ученые: А. П. Петерсон, А. С. Пирогов, М. А. Сапожков, Н. Н. Акинфиев, С. П. Баронин, В. Е. Муравьев, Ю. К. Трофимов, А. И. Куштуев и др. Современные методы компрессии речевых сигналов позволяют повысить эффективность использования канала связи в 15-30 раз. Вокодеры находят применение не только в системах подвижной и спутниковой связи, но и в устройствах запоминания речи, криптографии речевых сигналов, в устройствах автоматического распознавания речи и т. п.

Повысить приблизительно в 2 раза эффективность использования каналов связи в многоканальных системах, по которым передаются сигналы речи, возможно и более простыми методами, без применения в каждом канале вокодеров. Этого можно достичь, используя то обстоятельство, что каждый абонент занимает канал только 40% времени, в течение которого он говорит. Первой подобной системой, в которой паузы речи использовались для увеличения пропускной способности каналов связи, была аналоговая 48-канальная система TASI, созданная в 1957 году для подводной кабельной телефонной связи между Европой и Америкой.

В 1978 году в СССР был разработан цифровой аналог системы TASI, названный блочной ИКМ (БИКМ). В системе БИКМ сигнал каждого канала длительностью 2 мс методом ИКМ преобразуется в цифровую форму, и из всех отсчетов этого сигнала исключаются старшие разряды, имеющие значения логического нуля. Данный метод дает экономию в числе передаваемых по каналу связи битов за счет того, что в нем учитываются не только паузы между словами и слогами, как в системе TASI, но и распределение уровней речевых сигналов. Он нашел применение в цифровых многоканальных системах передачи сообщений по радиорелейным и спутниковым каналам связи. Применение БИКМ в цифровых системах связи со скоростью передачи 2048 Кбит/с удваивает их пропускную способность, позволяя передавать по ним не 30, а 60 ТФ каналов с высоким качеством, удовлетворяющим Рекомендациям МСЭ.

Сигналы звукового вещания
Сигнал звукового вещания занимает полосу частот порядка 15 кГц и имеет значительный динамический диапазон (75 дБ). Для качественной передачи такого сигнала по цифровым каналам связи необходимо применение 16-разрядной ИКМ. При этом скорость цифрового потока при преобразовании сигнала 3В вещания с помощью линейной ИКМ составляет 512 Кбит/с.

Для сокращения избыточности вещательных сигналов в современной технике применяется несколько методов. В 1980 году в компании Би-Би-Си была создана система NICAM (Near Instantaneous Companded) - система ИКМ с почти мгновенным компандированием для сокращения избыточности сигналов звукового вещания. Ее также называют системой ИКМ с масштабирующими множителями. Заложенные в ней принципы сокращения избыточности по существу мало отличаются от изобретенной несколько раньше системы БИКМ. Применение мгновенного компандирования сигнала и введение масштабных коэффициентов для блоков из последовательных 32 отсчетов позволяет уменьшить количество двоичных разрядов на один отсчет с 16 до 9.

Использование ДИКМ с введением масштабирования для блоков отсчетов также позволяет сократить количество двоичных разрядов на один отсчет до 9. При этом скорость цифрового потока при преобразовании монофонического сигнала 3В вещания уменьшается до 320 Кбит/с.

Значительным успехом в сокращении избыточности сигналов звукового вещания явилась разработка в 1989 году метода MUSICAM, включенного в стандарт MPEG (Moving Picture Expert Group), который предназначен для сокращения избыточности ТВ сигнала, включая сигнал звукового сопровождения. В системе MUSICAM вещательный сигнал разбивается на 32 парциальные полосы частот. Преобразование сигналов каждой полосы частот в цифровые потоки с помощью ИКМ осуществляется в соответствии с управляющими сигналами психоакустической модели восприятия человеком звуковых сигналов. При этом количество двоичных разрядов на один отсчет сокращается до 2. Система позволяет сократить скорость цифрового потока, необходимого для передачи сигналов моновещания, до 100 Кбит/с. В цифровом потоке со скоростью 256 Кбит/с возможна передача стереопрограммы с качеством компакт-диска.

Хронология
1939 год Изобретение полосного вокодера (США - Г. Дадли).
1956 год Создание формантного вокодера (США - Дж. Флаган, К. Говард).
1957 год Создание гармонического вокодера (СССР - А. А. Пирогов). 1959 год - создание системы TASI (США - К. Булингтон и М. Фразер).
1962 год Разработка корреляционных методов сжатия спектра речи (США - М. Шредер).
1978 год Создание системы БИКМ (СССР - В. П. Кокошкин).
1980 год Разработка системы NICAM для сокращения избыточности сигналов звукового вещания (Великобритания - К. Р. Каин и Ю. В. О'Кларей).
1988 год Разработка высокоэффективной системы MUSICAM для сжатия сигнала звукового вещания.

Сокращение избыточности при передаче ТВ сигналов
Огромная работа во второй половине XX века была выполнена исследователями разных стран по разработке методов сжатия ТВ сигналов. Сокращение полосы частот таких сигналов обусловлено тем, что ТВ сигнал обладает большой избыточностью, так как имеются незначительные отличия двух последовательных кадров изображения и в каждом кадре имеются значительные однотонные участки. Эта избыточность приводит к особенностям спектра ТВ сигнала, которые могут быть использованы для сокращения полосы частот канала связи, требуемой для передачи ТВ сигнала. Такое сокращение возможно за счет использования статистических свойств изображения и психофизиологических особенностей визуального восприятия человека.

Первым исследованием, в котором было показано, что ТВ сигнал имеет значительную избыточность, так как основная энергия его спектра, имеющего линейчатую структуру, расположена на гармониках строчной и кадровой частоты, явилась работа, выполненная в 1934 году американскими инженерами П. Мертцом и Ф. Греем.

В 1950 году в США инженер Р. Дом предложил использовать частотное уплотнение спектра ТВ сигнала дополнительной информацией, передаваемой на поднесущей, частота которой выбиралась нечетно-кратной половине частоты строк, то есть она располагалась в середине между гармониками строчной частоты. Эти исследования в последующем были использованы при выборе частоты поднесущих для передачи сигналов цветности в спектре черно-белого ТВ сигнала. На этом принципе основаны все современные стандарты цветного ТВ (NTSC, PAL, SECAM).

В СССР первые исследования возможностей сокращения избыточности ТВ сигнала были проведены в конце 50-х годов Н. Г. Дерюгиным и Д. С. Лебедевым.

Одна из ранних идей использования линейчатого характера спектра ТВ сигнала состояла в том, чтобы в одном частотном канале передавать две ТВ программы, при этом спектр второго ТВ сигнала инвертировался и помещался в промежутки между частотными составляющими спектра первого ТВ сигнала. Разделение двух сигналов осуществлялось с помощью гребенчатых фильтров. Этот метод не нашел практического применения, но через тридцать лет на основе этих идей были созданы две современные аналоговые системы передачи ТВ сигналов высокой четкости (ТВЧ).

Одна из них была разработана в Японии (MUSA - Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding), а другая - во Франции (HD-MAC). Суть сжатия спектра в этих системах состоит в том, что частотные составляющие, лежащие в верхней области спектра исходного ТВ сигнала, помещаются в промежутки между частотными составляющими, находящимися в средней части исходного спектра. В системе MUSA достигалось сжатие спектра исходного ТВЧ сигнала в 3 раза (до 8.1 МГц), а в системе HD-MAC - в 1.5 раза (до 11 МГц). В обеих системах использовалась последовательная передача сигналов яркости, цветности, звукового сопровождения и сигналов синхронизации.

Будущее развитие систем передачи видеосигналов связано с применением цифровых методов их обработки, дающих сокращение скорости цифрового потока, необходимого для передачи этих сигналов с высоким качеством. В большинстве этих методов используется ДИКМ. При этом осуществляется предсказание каждого элемента изображения на основе взвешенной комбинации предыдущих отсчетов, расположенных вблизи от него. В канал связи передается разность между предсказанным и истинным значением этого элемента. Эта разность незначительна вследствие высокой корреляции соседних элементов изображения, и для ее передачи в цифровой форме необходимо значительно меньшее количество битов, нежели это требуется для преобразования в цифровую форму его исходных отсчетов. Применяется также и субнайквистовое кодирование, когда отсчеты по вертикальной, горизонтальной и временной оси изображения передаются с частотой, меньшей, чем 1/2W, где W - полоса частот изображения. На приеме восстановление недостающих элементов осуществляется путем интерполяции.

В стандартах MPEG для сжатия сигналов изображения учитывается также то, что большая часть изменений изображения от кадра к кадру является следствием смещений малых областей изображения в предыдущем кадре. Определив для каждой области это смещение (вектор движения), можно существенно повысить точность предсказания элементов изображения и, в итоге, сократить избыточность передаваемого сигнала.

Использование ДИКМ позволяет сократить цифровой поток для цветного ТВ сигнала до 50-70 Мбит/с. Применение адаптивной ДИКМ с использованием межполевого и межкадрового предсказания позволяет сократить этот поток до 30 Мбит/с.

Использование алгоритмов компенсации движения и кодирования блоков элементов изображения с помощью косинус-преобразования или преобразования Адамара дает возможность сократить цифровой поток вещательного ТВ сигнала до 6 Мбит/с.

Этот цифровой поток путем применения многопозиционных сигналов (например, КАМ-16) можно передать в полосе частот 1.5-2 МГц, что позволяет в полосе частот стандартного канала наземного ТВ вещания разместить 4-5 цифровых ТВ программ.

Хронология
1934 год Установление тонкой структуры частотного спектра сигнала изображения (США - П. Мертц и Ф. Грей).
1950 год Открытие метода частотной синхронизации, позволяющего уплотнить спектр ТВ сигнала путем передачи сигналов на поднесущих, частота которых выбирается равной нечетно-кратной половине частоты строк (США - Р. Дом).
1957 год Экспериментальные исследования спектра мощности и функции корреляции ТВ сигнала (СССР - Н. Г. Дерюгин).
1958 год Исследования возможностей применения статистического кодирования ТВ сигналов (СССР - Д. С. Лебедев).
1984 год Разработка системы MUSE (Япония).
1986-1990 годы Разработка методов сокращения цифрового потока для ТВ сигналов (Япония, Франция, США, СССР, Германия, Италия и др.).
1988 год Разработка европейской системы HD-MAC.
1989 год Завершение начатой в 1988 году разработки международной группой экспертов стандарта MPEG-1 для сжатия ТВ сигнала и стандарта для сжатия сигнала звукового сопровождения (MUSICAM).
1991 год Разработка метода сокращения избыточности цифрового сигнала ТВЧ до 25 Мбит/с.
1994 год Разработка и широкое внедрение в современную технику цифрового ТВ вещания стандарта MPEG-2 - усовершенствованной версии ранее разработанного стандарта MPEG-1.
1998 год Разработка стандарта MPEG-4, дающего большее сжатие сигналов ТВ и звукового сопровождения, нежели стандарт MPEG-2.

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.
От Офф-Топик
К Офф-Топик (20.06.2002 02:01:47)
Дата 20.06.2002 02:02:26

Ну и наконец телевидение




Вещание
Было время, когда дома не имели окон. Тем, кто не жил в пещерах и в палатке, трудно представить, что это такое. В наше время в течение жизни одного поколения в наиболее развитых странах каждый дом получил новое окно невероятной магической силы - телевизионный экран. То, что сначала казалось просто одним из роскошных излишеств, за исторически ничтожный срок стало жизненной потребностью.

Артур Кларк

Одно из наиболее значительных достижений человечества в XX столетии - создание и развитие систем звукового и телевизионного вещания. Эти системы играют огромную роль в жизни современного общества, давая возможность практически каждому человеку быть в курсе всех происходящих в мире событий и способствуя широкому распространению новейших достижений культуры и науки. По своему значению для человеческой цивилизации радиовещание имеет огромное значение, не меньшее, чем изобретение книгопечатания в XVI веке. Именно благодаря широкому распространению знаний с помощью печатных изданий за прошедшие столетия мир столь значительно изменился в культурном, образовательном и политическом отношении.

Русский историк Н. М. Карамзин так оценил роль книгопечатания: "История ума представляет две главные эпохи: изобретение букв и типографии, все другие были следствием".

Радиовещание открыло третью эпоху "истории ума". В XX столетии оно явилось мощным катализатором интеллектуального и политического развития человеческого сообщества. Несомненно, что в XXI веке его роль в жизни общества еще более возрастет.

Звуковое вещание
Первые опыты по передаче с помощью радио сигналов звукового (3В) вещания проводились еще в начале XX столетия. Они связаны с именами американских инженеров Фессендена и Ли де Фореста. В 20-х годах начинается интенсивное строительство радиовещательных (РВ) станций во многих странах мира. Первые РВ станции работали в диапазоне длинных волн и использовали амплитудную модуляцию. В системах AM вещания, которые и в настоящее время распространены весьма широко, звуковые сигналы передаются в полосе частот 5 кГц. Столь узкая полоса частот и взаимные помехи между многочисленными AM станциями, использующими один и тот же частотный канал, не позволяют обеспечить прием вещательных программ с высоким качеством.

Из-за интенсивного внедрения станций AM вещания сразу же возникла проблема устранения помех между разными станциями. Это могло быть достигнуто путем повышения стабильности частоты РВ станций, снижения уровней внеполосных излучений и улучшения избирательности приемников. До середины XX столетия инженеры интенсивно работали над решением этих проблем.

Для AM вещания в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ в настоящее время выделено всего 135 частотных каналов, в которых общее число действующих в разных странах передатчиков составляет примерно 3000. Суммарная мощность этих передатчиков колоссальна и составляет около 50 МВт. Таким образом, насыщенность этих диапазонов частот работающими станциями AM вещания весьма велика.


Здание первой мощной радиовещательной станции ВЦСПС (1929 г.)
Для повышения эффективности использования радиочастотного спектра в сетях AM вещания английским ученым Т. Л. Эккерслеем в 1929 году было предложено создавать синхронные сети, в которых все передающие станции сети, обслуживающие определенную территорию, работают на одной частоте с весьма высокой стабильностью и передают одну и ту же программу. В таких сетях существенно снижаются необходимые защитные отношения для полезных сигналов в зоне обслуживания одной РВ станции, поэтому возможно в одном частотном канале организовать вещание на весьма значительной территории. Синхронные сети были созданы только в нескольких странах (Великобритании, Франции, Германии и Японии). Однако из-за того, что в большинстве стран вещательные станции являлись частными и передавали разные программы, синхронные сети широкого распространения не получили. В США их создание было запрещено антимонопольным законом.

В СССР, где распространение центральных вещательных программ на всей территории страны являлось важной государственной задачей, синхронные сети в диапазоне СЧ начали создаваться в 1950 году. Использование синхронных сетей позволяло применять в них маломощные передатчики и исключить в темное время суток нелинейные и частотные искажения в зонах интерференции земного и пространственного луча. Заметно повышалась также и надежность вещания.

Из-за быстрого увеличения количества работающих в эфире AM вещательных станций и роста взаимных помех качество приема сигналов было достаточно низким. Исследования Э. Г. Армстронга, выполненные в 1936 году, показали перспективность применения в сетях вещания ЧМ, так как в этих сетях обеспечивается значительно более высокое качество приема вещательных сигналов, нежели в сетях AM вещания, и более просто решаются вопросы обеспечения их электромагнитной совместимости (ЭМС). В системах ЧМ вещания значительно (до 15 кГц) расширялась полоса частот передаваемых вещательных сигналов. С 40-х годов во всех странах в диапазоне метровых волн (ОВЧ) начинается создание сетей ЧМ вещания.

Повышение качества радиовещания всегда было и остается весьма важной задачей. Одним из путей ее решения было создание стереофонических систем, в которых, по сравнению с монофоническим воспроизведением звука, достигается большая естественность звучания музыкальных программ. В СССР первые опыты по созданию стереофонических систем воспроизведения музыкальных программ были проведены еще в 30-х годах под руководством профессора И. Е. Горона. В стереосистемах для передачи по каналу связи формируются сигналы в двух разнесенных в пространстве микрофонах - правом и левом (формирующих сигналы А и В). Необходимая полоса частот канала связи для этих систем значительно шире, нежели для AM вещания и поэтому организация стереовещания началась в сетях ОВЧ-ЧМ вещания.

В 50-х годах в разных странах было предложено более тридцати различных систем стереовещания. В эти годы в США, Японии, СССР и в других странах были проведены обширные экспериментальные исследования подобных систем. В Великобритании исследовались системы с импульсной модуляцией и временным разделением стереоканалов, в США некоторое время применялась система Кросби, в которой разностный сигнал (А-В) модулировал поднесущую по частоте. Однако в результате выполненных исследований в США в 1961 году была принята система, разработанная фирмами "Зенит" и "Дженерал Электрик". В этой системе на нижних частотах передавался суммарный сигнал правого и левого микрофона (А+В), а на поднесущей методом AM - разностный сигнал (А-В) стереопрограммы. Сама поднесущая подавлялась. Поэтому для ее восстановления на приеме передавался пилот-сигнал, частота которого (19 кГц) была в два раза ниже частоты поднесущей. Данная система получила широкое распространение во многих странах.

В СССР под руководством профессора Л. М. Кононовича была разработана и внедрена в 1963 году система с полярной модуляцией, изобретенной в 1939 году А. И. Косцовым. В этой системе частота поднесущей была выбрана равной 31.25 кГц. Ее положительные полупериоды модулируются сигналом А, а отрицательные - сигналом В. В 60-х годах в сетях ОВЧ-ЧМ вещания во многих странах начинает внедряться система стереофонического вещания. В СССР, США и Японии в 70-х годах для повышения качества передачи музыкальных программ разрабатываются аналоговые системы 4-канального стереовещания (квадрофония). Однако такие системы распространения не получили.

Совершенствование систем вещания в конце XX столетия идет по пути разработки цифровых систем, в которых может быть обеспечено весьма высокое качество воспроизведения речи и музыки. Цифровые РВ системы позволяют создавать сети вещания с высокой эффективностью использования радиочастотного спектра.

В конце 60-х годов цифровые методы передачи начинают внедряться на линиях распределения 3В программ. При этом применяется ИКМ, и монофонический сигнал 3В преобразуется в цифровой поток со скоростью, примерно равной 512 Кбит/с. Этот цифровой поток включает в себя как информационные, так избыточные символы, образуемые при применении кода БЧХ, исправлявшего информационные символы, принятые с ошибками. Применение метода почти мгновенного компандирования для сокращения избыточности сигналов 3В вещания позволяет сократить скорость цифрового потока до 320 Кбит/с. В 80-х годах для распределения программ 3В вещания по кабельным, аналоговым радиорелейным и спутниковым линиям связи используются цифровые методы передачи. Типовой являлась система объединения в один цифровой поток со скоростью 2 Мбит/с нескольких (до семи) стерео- и моновещательных программ 3В. Этот поток передается на поднесущей, модулируемой методом ОФМ или ДОФМ. Передача сигналов 3В вещания осуществляется в верхней части частотного спектра аналоговой системы передачи.

В конце 80-х годов в Германии и Японии в диапазоне 12 ГГц создаются спутниковые системы непосредственного 3В вещания с использованием цифровых методов передачи. В этих системах в полосе частот одного спутникового ствола передается общий цифровой поток со скоростью порядка 25 Мбит/с, в котором методом ВУ размещены цифровые потоки порядка пятидесяти моновещательных (или двадцати пяти стереовещательных) программ, передаваемых с качеством компакт-дисков. Передача этого потока осуществляется методом ОФМ или ДОФМ. В Европейском вещательном союзе (EBU) была разработана система MAC/packet. Система MAC была разработана для передачи ТВ сигналов методом ЧМ. Подробнее о ней будет сказано в следующем разделе. В системе MAC/packet площадь телевизионного кадра, обычно заполняемая видеосигналом, заменяется пакетами данных или цифровыми потоками программ 3В вещания.

В существующих наземных сетях 3В вещания невозможно передавать высокоскоростные цифровые потоки, так как они используют сравнительно узкополосные радиоканалы. В США и в европейских странах в 80-е годы ведутся разработки новых систем наземного цифрового 3В вещания. В СССР в начале 80-х годов в диапазоне 100 МГц была разработана и экспериментально испытана одна такая система. В этой системе для сокращения избыточности 3В сигналов применялась ИКМ с мгновенным компандированием, она позволяла передать на одной несущей методом ДОФМ пять стереопрограмм (или две моно- и четыре стереопрограммы) и занимала полосу 4 МГц.

В начале 90-х годов европейские страны объединяют свои усилия в разработке перспективной системы цифрового звукового вещания (DAB - Digital Audio Broadcasting), и в 1994 году эта разработка завершается. В ряде стран Европы, Азии и Америки в 1996 году началась опытная эксплуатация наземных сетей вещания стандарта DAB, в котором используется метод модуляции COFDM. В этой системе для устранения избыточности 3В сигналов используется метод MUSICAM. Ширина полосы частот, занимаемая одним частотным каналом, в этой системе составляет 1.5 МГц. Сети DAB по эффективности использования РЧС существенно превосходят сети ОВЧ-ЧМ вещания, поскольку, во-первых, в этих сетях упрощается обеспечение ЭМС между разными станциями, работающими в сети, а во-вторых, в этих сетях возможна реализация идеи создания синхронных одночастотных сетей, покрывающих значительные регионы страны. В одном канале системы DAB могут быть переданы до шести стереофонических программ с качеством компакт-дисков. За последние несколько лет опытные сети DAB созданы в большинстве европейских стран, а также в Канаде, Китае, Гонконге, Индии, Малайзии, Японии, Южной Африке и в некоторых других странах. В первом десятилетии XXI века в сетях вещания во многих странах будет осуществлен переход от аналоговых систем к цифровым.

Хронология
1906 год Первый опыт передачи речи и музыки по радио с помощью машин высокой частоты (Р. Фессенден).
1906-1910 годы Опыты передачи речи и музыки с помощью дуговых передатчиков (Ли де Форест).
1915 год Опыты по передаче речи и музыки с помощью ламповых передатчиков (Ли де Форест).
1920 год Начало AM звукового вещания в США.
1922 год Начало регулярного AM звукового вещания в Великобритании и Франции.
1923 год Начало регулярного AM звукового вещания в Германии.
1924 год Начало регулярного AM звукового вещания в СССР (М. А. Бонч-Бруевич, А. Л. Минц).
1929 год Предложение П. П. Эккерслея о синхронной работе вещательных передатчиков на средних волнах.
1930-1932 годы Исследования вопросов создания синхронных сетей 3В вещания (Великобритания - П. П. Эккерслей; США - К. Б. Айкен; Германия - Ф. Герц; СССР - К. М. Косиков).
1929-1930 год Создание синхронных сетей 3В вещания в Великобритании и Германии.
1931 год Опыты по 3В вещанию на метровых волнах (СССР - Б. А. Введенский).
1936 год Экспериментальные исследования системы 3В вещания с использованием ЧМ (США - Э. Г. Армстронг).
1941 год Начало вещания с использованием ЧМ (США).
1946 год Начало ЧМ радиовещания в СССР.
1955 год Опытная передача стереофонических программ по радио в СССР (Н. С. Куприянов).
1958 год Создание системы стереовещания, в которой разностный сигнал передавался на поднесущей частоте методом ЧМ (США - М. Дж. Кросби).
1959 год Разработка системы звукового стереофонического вещания с полярной модуляцией (СССР - Л. М. Кононов) и с пилот-тоном (США - Л. Кан).
1960 год Создание синхронных сетей 3В вещания в Японии.
1961 год Начало внедрения стереофонического ЧМ вещания в США.
1963 год Внедрение в эксплуатацию цифровых методов передачи 3В программ с использованием ИКМ по каналам связи (СССР).
1963 год Начало внедрения стереофонического ЧМ вещания в СССР.
1967-1980 годы Внедрение цифровых методов передачи с помощью ИКМ сигналов вещания по спутниковым трактам распределения 3В программ, а также передача программ 3В вещания и полос газет в системе "Орбита-РВ" (СССР - О. С. Тихонов, Г. В. Рабинович, Е. Я. Чеховский, Л. Я. Кантор).
1970-1980 годы Исследования и внедрение синхронного вещания в СССР (А. А. Пирогов, Н. М. Санкин, Г. Я. Тимофеева, С. С. Гейнце).
1970-1976 годы Разработка квадрафонических аналоговых систем вещания (США, Япония, СССР).
1982-1984 годы Разработка и экспериментальные исследования системы наземного цифрового вещания в СССР (М. У. Банк, В. М. Колесников, Ю. Б. Окунев, Л. М. Финк, М. Я. Лесман).
1985-1989 годы Разработка и внедрение системы DSR непосредственного цифрового спутникового звукового вещания и передачи данных (Германия).
1988 год Разработка многоканальной системы DSR (Япония).
1994 год Завершены разработки европейской системы DAB для наземного и для непосредственного спутникового цифрового звукового вещания.
1996 год Создание в ряде европейских стран опытных сетей наземного вещания по стандарту DAB.

Телевизионное вещание
Зарождение электронных систем телевизионного вещания относится к 1907 году и связано с именем русского ученого Б. Л. Розинга, который предложил использовать для преобразования изображения в электрический сигнал трубку Брауна и последовательную электрическую развертку. В XX веке произошел огромный прогресс в создании техники и сетей ТВ вещания. Этот прогресс обусловлен самоотверженным трудом нескольких поколений ученых и инженеров многих стран. Значительный вклад в создание ТВ систем внесли специалисты США, Германии, России, Франции, Японии, Венгрии, Польши и др.

До начала 30-х годов разрабатывались в основном механические ТВ системы, в которых формирование электронного сигнала изображения осуществлялось с помощью диска Нипкова, изобретенного в 1884 году и осуществлявшего разложение передаваемого изображения на последовательные элементы. Одна из таких систем ТВ вещания была создана в СССР в 1929 году под руководством В. И. Архангельского в лаборатории одного из крупнейших советских ученых в области телевидения П. В. Шмакова. В этой системе использовались параметры развертки 30 строк и 12.5 кадр/с. В ней ТВ сигнал занимал полосу частот, равную всего 7.5 кГц, и передавался по радиоканалу на частоте I МГц, а звуковое сопровождение - на частоте 500 кГц. В 20-х годах в США, СССР, Франции, Германии и других странах разрабатываются передающие телевизионные трубки и появляется возможность создания полностью электронных ТВ систем. Опытные полностью электронные ТВ системы впервые создаются в 1930 году в США и Германии. В СССР создание ТВ центров и первые опытные передачи ТВ вещания в Москве (343 строки) и Ленинграде (240 строк) начались в 1937 году. Необходимая ширина полосы частот радиоканала для такой передачи составляла примерно 1.5 МГц.

Современные стандарты на системы черно-белого ТВ вещания в разных странах создаются в 40-х годах. Для развития сетей ТВ вещания был выделен диапазон метровых и дециметровых волн.

В СССР внедрение таких систем начинается в 1948 году с реконструкции Московского ТВ центра на используемый и сегодня стандарт 625 строк, 25 кадр/с и 50 полей/с (полоса частот радиоканала составляет 6.5 МГц). Он был принят в 1952-1953 годах в качестве международного стандарта многими странами Европы, а также Австралией.

Появления первых идей создания систем передачи по каналам электросвязи цветного изображения относится к началу XX века. В 1900 году русский ученый А. А. Полумордвинов на основе трехкомпонентной теории цветовосприятия создал первый проект механической ТВ системы с последовательной передачей цветов. В 1908 году другой русский ученый И. А. Адамян предложил проект двухцветной механической ТВ системы с одновременной передачей цветов.

Современные системы цветного ТВ вещания стандартов NTSC, PAL и SECAM были разработаны в 50-60-х годах XX века, а в 1966 году на международной конференции МЭС в Осло было рекомендовано их применение. В европейских странах ширина полосы частот, выделенная для передачи ТВ сигнала, составляет 8 МГц. В СССР на сети ТВ вещания с 1967 года начинает внедряться система цветного ТВ стандарта SECAM.


Сравнительная высота ряда высотных сооружений и телевизионных башен мира: башня Шухова (Москва); небоскреб "Эмпайр стейт билдинг" (Нью-Йорк); Московский государственный университет; Эйфелевая башня (Париж); телевизионная башня в Штутгарте (Германия); башня Московского телецентра

Все страны испытывают дефицит частотных каналов для организации наземной сети ТВ вещания. Повысить эффективность использования РЧС можно, увеличив зону обслуживания одним ТВ передатчиком. Для этого его следует разместить на большой высоте над поверхностью Земли. В 1937 году известный советский специалист в области телевидения профессор П. В. Шмаков предложил использовать ТВ передатчики, установленные на борту самолета, для организации ТВ вещания на большую территорию. Однако в те годы эта идея не была реализована.

К идее применения летательных аппаратов для трансляции ТВ сигналов ученые возвращались в 70-х и в конце 90-х годов. В России в 1978 году в Научно-исследовательском институте радио был разработан проект организации ТВ вещания с использованием дирижаблей. В начале 70-х годов в некоторых странах (Турция, США) идея самолетной ретрансляции нашла свое воплощение, так как таким образом оказалось экономически наиболее выгодным организовать ТВ вещание общеобразовательных программ. Хотя идея использования летательных аппаратов в ТВ вещании широкого развития не получила, в конце XX века на ее основе был разработан грандиозный проект "Sky Station", о котором будет рассказано ниже. По этому проекту в начале XXI столетия должна быть создана глобальная система фиксированной связи, услугами которой смогут пользоваться около одного миллиарда абонентов.

На другой метод повышения эффективности использования РЧС, названный смещением несущих частот (СНЧ), в 1956 году указал американский инженер В. Беренд. Метод СНЧ основывается на том, что спектр ТВ сигнала имеет линейчатую структуру. Поэтому сдвиг несущих соседних станций, работающих в одном и том же частотном канале, на частоту, нечетно-кратную половине кадровой или строчной частоты, при высокой стабильности несущей частоты передатчиков позволяет обеспечить условия, при которых защитные отношения сигнал/помеха для этих станций могут быть существенно снижены. Это в свою очередь позволяет уменьшить необходимый территориальный разнос между ТВ станциями.

С 1967 года начинают создаваться спутниковые системы ТВ вещания. В СССР создается первая в мире система "Орбита", позволившая осуществлять подачу центральных ТВ программ в отдаленные районы нашей страны. Сеть станций "Орбита" дала возможность охватить ТВ вещанием практически всю огромную территорию СССР. С этого времени системы спутникового ТВ вещания получают широкое развитие во всем мире.


Земная передающая станция сети "Орбита"
В системах спутникового ТВ вещания до 90-х годов для передачи сигналов применялась ЧМ. При этом передача звукового сопровождения на ЧМ поднесущей, как это принято в системах наземного ТВ вещания, оказалась затруднительной из-за низкой помехоустойчивости приема сигналов звукового сопровождения. Поэтому был разработан ряд других методов, использующих интервалы строчных гасящих импульсов ТВ сигнала для передачи звуковых сигналов. При этом использовалась ШИМ либо цифровые методы передачи. В СССР соответствующие теоретические исследования и разработки были выполнены в 60-80-х годах учеными С. И. Катаевым, Ю. Б. Зубаревым, В. М. Цирлиным, Л. А. Севальневым и В. Т. Хоробрых. Позже сигналы звукового сопровождения передавались на ЧМ поднесущей, а для повышения помехоустойчивости их приема применялось компандирование.

В 80-х годах создаются сети спутникового вещания "Москва" и "Москва-Глобальная" с повышенной энергетикой спутникового ретранслятора и с дисперсией несущей. Первая из этих систем обеспечивала прием российских ТВ программ на территории СССР, а вторая - их прием во многих странах мира.

Первый проект системы непосредственного спутникового вещания в диапазоне 12 ГГц был разработан в 1971 году в Европейском вещательном союзе.

В СССР в диапазоне 800 МГц в 1976 году была создана первая система непосредственного спутникового ТВ вещания "Экран", действующая до сих пор и обеспечивающая прием одной программы центрального ТВ на территории Сибири и Дальнего Востока. В 1979 году, когда прогресс в создании малошумящих усилителей позволил создавать приемные станции со сравнительно небольшим диаметром антенн, началась разработка систем непосредственного спутникового ТВ вещания в диапазоне частот 12 ГГц. Были созданы несколько таких систем: ANIK (Канада - 1982 г.), BS-2 (Япония - 1984 г.), TV SAT (Германия и Франция - 1987 г.). В России современная цифровая система непосредственного спутникового вещания (НТВ-Плюс), которая обеспечивает трансляцию до сорока ТВ программ, была создана в 1997 году.

В период с 1978 по 1987 год в Японии, США и Европе разрабатываются системы телевидения высокой четкости (ТВЧ). Параметры развертки изображения этих систем приняты соответственно следующими: 1125/60, 1050/60 и 1125/50 (здесь в числителе указано число строк в кадре, а в знаменателе - частота кадров в секунду). Полоса частот, необходимая для передачи сигналов полного ТВЧ в аналоговом канале связи, составляет примерно 20 МГц. Сети наземного ТВ вещания работают в диапазоне радиоволн ниже 1 ГГц, в котором столь широкополосные каналы не могут быть выделены. Поэтому вещание ТВЧ в этом диапазоне частот возможно только при использовании методов сжатия спектра ТВ сигнала, позволяющих уменьшить необходимую полосу частот в 5-6 раз. В современных системах для этого применяется стандарт MPEG-2.

В результате проведенных в Японии в 1984 году разработок создается аналоговая система ТВЧ MUSE, в которой видеосигнал занимает полосу частот 8.1 МГц. Такой сигнал может быть передан методом ЧМ в радиоканале с полосой 21-24 МГц. Данная система используется Японией для спутникового ТВЧ вещания на своей территории с 1989 года.

Передача по спутниковым каналам связи ТВ сигналов стандартов NTSC, PAL и SECAM с необходимой помехоустойчивостью требует значительной энергетики линии связи. Для ее снижения в 1986 году в ряде стран создается семейство систем MAC

(Multiplexed Analog Component) с повышенной помехоустойчивостью приема ТВ сигналов. Видеосигнал в этих системах формируется путем временного сжатия сигналов яркости и цветности. При этом во время передачи одного поля ТВ сигнала последовательно во времени передаются сжатые сигнал яркости и один из сигналов цветности (в соседних полях передаются разные сигналы цветности), а также в цифровом виде - сигналы синхронизации, звукового сопровождения и данных. Для передачи по радиоканалу сформированного сигнала применяется ЧМ. Такие системы несколько лет находились в эксплуатации. Однако в 90-х годах произошел стремительный переход к более совершенным цифровым системам передачи ТВ сигналов, разработка которых была завершена во второй половине 90-х годов, и они начали внедряться в США и в ряде стран Европы.

В 1988 году во Франции создается европейская система ТВЧ HD-MAC (High Definition MAC). Видеосигнал этой системы занимает полосу частот 10.1 МГц. Этот сигнал методом ЧМ передается по спутниковому стволу с полосой 27 МГц.

Наряду с совершенствованием обычных систем ТВ вещания в последнем десятилетии XX века продолжаются разработки систем стереотелевидения, которые, как показали эксперименты, усиливают эмоциональное воздействие телепрограмм на зрителей. Кроме того, стереосистемы находят применение в промышленности, используются для исследовательских и учебных целей. В 1950 году состоялась первая опытная демонстрация такой системы, разработанной под руководством профессора П. В. Шмакова. Результаты этой разработки отражены как вклад СССР в Отчетах Исследовательских комиссий МСЭ. В 1979 году в Ленинграде проводилось опытное стереотелевизионное вещание.

Подобные работы шли в последующие годы в США, Японии, Франции, Германии, Австралии и других странах. С начала 80-х годов в ряде городов США и Германии началось опытное стереотелевизионное вещание. В 1989 году в Японии была создана и испытана новая опытная система стереотелевидения с использованием оборудования ТВЧ. Основными препятствиями для внедрения подобных систем в коммерческую эксплуатацию являются сложность оборудования и, что более важно, расширение полосы частот канала связи, необходимой для передачи сигналов. Несомненно, что эти препятствия будут преодолены, и стереотелевидение войдет в быт людей XXI века.

В 1994 году создаются европейские стандарты DVB (Digital Video Broadcasting) цифрового ТВ, определяющие способы передачи информационного цифрового потока по разным каналам связи (наземным радио и кабельным, спутниковым и т. д.). Для формирования информационного цифрового потока и сокращения избыточности ТВ сигнала используется стандарт MPEG-2, что позволяет в радиоканале с шириной полосы частот в 8 МГц передать, в зависимости от требуемого качества приема, 4-6 обычных ТВ программ либо одну программу ТВЧ. С созданием цифровых систем вещания понятие специализированной сети вещания утрачивает свой смысл, так как эти сети пригодны для распространения не только вещательных программ, но и любой другой циркулярной цифровой информации. Начиная с 1996 года в ряде стран мира начинают организовываться опытные сети цифрового ТВ вещания. В первом десятилетии XXI века цифровое вещание повсеместно заменит аналоговое вещание.

Хронология
1900 год Первый проект механической ТВ системы с последовательной передачей цветов (Россия - А. А. Полумордвинов).
1907 год Изобретение системы воспроизведения изображения с помощью электронно-лучевой трубки Брауна и последовательной электрической развертки (Россия - Л. Б. Розинг).
1908 год Проект двухцветной механической ТВ системы с одновременной передачей цветов (Россия - И. А. Адамян).
1925 год Опытные передачи изображений с помощью систем механического типа (США - Ч. Ф. Дженкис; Великобритания - Д. Л. Бэрд).
1930 год Опытные передачи изображения с помощью систем электронного типа (США - Ф. Т. Фарнсуорт; Германия - М. Арденне).
1931 год Начало регулярного ТВ вещания на частоте 60 МГц с помощью системы механического типа в СССР.
1936-1938 годы Начало внедрения электронного ТВ вещания (США, СССР, Великобритания и Германия).
1937 год Предложение использовать радиостанции, установленные на борту самолета, для ТВ вещания (СССР - П. В. Шмаков).
1938 год Опытные передачи цветных изображений с помощью механической системы передачи ТВ сигналов (Великобритания - Д. Л. Бэрд).
1940 год Опытные передачи цветных изображений с помощью электронной системы передачи ТВ сигналов с поочередной передачей цветов (США - П. Голдмарк).
1941 год Начало черно-белого ТВ вещания с использованием ОБП (США).
1944 год Разработка стандарта черно-белого ТВ вещания на 625 строк и 25 кадр/с (СССР - И. С. Джигит, С. В. Новаковский, С. И. Катаев, П. В. Шмаков, Ю. И. Казначеев и др.).
1948 год Начало в СССР ТВ вещания по стандарту 625 строк и 25 кадр/с.
1950 год Демонстрация опытной установки стереоскопического телевидения (СССР - П. В. Шмаков).
1953 год Разработка и внедрение системы NTSC цветного ТВ (США - В. Хьюз).
1956 год Предложение о применении СНЧ для повышения эффективности использования РЧС (США - В. Беренд).
1959 год Разработка системы SECAM цветного ТВ (Франция - А. де Франс).
1962 год Разработка системы PAL цветного ТВ (ФРГ - В. Брух).
1962 год Передача ТВ сигналов через искусственный спутник Земли "Телстар" (США).
1965 год Передача сигналов ТВ и многоканальной телефонии через спутник "Молния" (СССР).
1967 год Внедрение в СССР цветного ТВ вещания по системе SECAM.
1967 год Создание в России первой в мире системы спутникового вещания "Орбита" (СССР - Н. В. Талызин, Л. Я. Кантор, М. З. Цейтлин).
1971 год Первый проект системы непосредственного ТВ вещания с использованием ИСЗ в диапазоне 12 ГГц (EBU - Европа - Г. Хансен).
1974-1987 годы Разработка системы ТВЧ в Японии, США и Европе.
1973 год Создание систем ТВ вещания с использованием оборудования, размещенного на борту самолета (США, Турция).
1976 год Создание в России системы непосредственного спутникового ТВ вещания "Экран" в диапазоне 800 МГц (СССР - А. Д. Фортушенко, В. А. Шамшин, М. В. Бродский, И. С. Цирлин, С. В. Бородин).
1978 год Разработка проекта системы ТВ вещания с использованием дирижаблей (СССР - М. Г. Локшин, В. А. Быховский).
1979 год Опытное стереотелевизионное вещание в Ленинграде (СССР - П. В. Шмаков, В. Е. Джакония).
1980-1982 годы Опытное стереотелевизионное вещание в США и Германии.
1980 год Создание системы спутникового вещания "Москва" с дисперсией несущей (СССР - Л. Я. Кантор, А. В. Соколов, Э. И. Кумыш, Б. А. Локшин).
1986 год Разработка семейства систем MAC для передачи ТВ сигналов по спутниковым каналам связи (США, Канада, Франция, Великобритания).
1986 год Экспериментальное спутниковое ТВЧ вещание с использованием системы MUSA (Япония).
1987 год Принятие Рекомендаций МСЭ по двум вещательным стандартам ТВЧ (1125/60, 1250/50, 16: 9).
1989 год Введение в эксплуатацию системы спутникового вещания "Москва-Глобальная", обеспечивающей прием российских ТВ программ на территории многих стран (СССР).
1989 год Начало регулярных экспериментальных передач ТВЧ (Япония).
1989 год Создание опытной системы стереотелевидения с использованием оборудования ТВЧ (Япония).
1990 год Принятие Рекомендации МСЭ по единому студийному стандарту ТВЧ.
1994 год Создание европейского стандарта цифрового ТВ вещания (DVB).
1996 год Начало цифрового ТВ вещания через спутник системы Eutelsat на основе применения стандартов DVB и MPEG-2.
1996 год Создание опытных наземных сетей цифрового ТВ вещания в ряде стран Европы, Америки и Азии.
1997 год Создание в России системы непосредственного спутникого вещания (НТВ-Плюс) в диапазоне 11, 7-12, 5 ГГц (Россия - Л. Я. Кантор, Б. А. Локшин и др.).
1998 год Начало внедрения наземного цифрового ТВ вещания в США.

Этапы развития сетей звукового и телевизионного вещания
В XX столетии выполнена грандиозная работа по созданию и внедрению систем звукового и ТВ вещания. Значительная часть населения Земли из радио- и телевизионных передач черпают сведения обо всех происходящих в мире событиях, знакомятся с достижениями науки и культуры человеческой цивилизации. Радио и телевидение оказывают огромное влияние на политические и социальные процессы в человеческом обществе, формируя единое информационное пространство нашего мира, в котором рождаются ростки новой единой культуры человечества.

Первая вещательная станция в Питтсбурге (США) начала регулярную работу в ноябре 1920 года, в Великобритании и Франции - в 1922 году, а в Германии и СССР - в 1923 и в 1924 году. К концу 40-х годов сети вещания были развернуты во многих странах. К 1960 году в мире насчитывалось 50 миллионов приемников, а к началу 1973 года это число составляло уже 850 миллионов. К концу XX века количество радиоприемников у населения увеличилось до полутора миллиардов.

В развитии систем 3В вещания можно выделить следующие основные этапы.

Стремительное развитие начиная с 1920 года сетей AM вещания в диапазонах НЧ, СЧ и ВЧ, что вызвало значительную перегрузку этих диапазонов и, следовательно, значительный уровень взаимных помех между разными вещательными сетями и низкое качество приема вещательных программ. Для повышения эффективности использования РЧС начиная с 30-х годов в некоторых странах создаются синхронные сети вещания. В СССР такие сети создаются в 70-х годах. Сети AM вещания в настоящее время имеют наибольшее число абонентов и продолжают развиваться, хотя, в связи с началом внедрения техники цифрового вещания, грядет коренное изменение подходов к развитию звукового вещания. Возможно, диапазоны НЧ, СЧ и ВЧ в будущем будут высвобождены от вещательных станций и станут использоваться для оперативной организации радиолиний передачи данных большой протяженности с незначительной пропускной способностью.
С конца 30-х годов в США, а затем, после Второй мировой войны, и в других странах мира, в диапазоне ОВЧ начинается внедрение сетей ЧМ вещания. В этих сетях было улучшено качество приема вещательных программ за счет значительного расширения полосы частот передаваемых сигналов и повышения помехоустойчивости приема.
В начале 60-х годов в сетях ОВЧ-ЧМ вещания начинается внедрение стереовещания, заметно улучшающего естественность и качество звучания музыкальных программ. Разработки в этом направлении продолжаются вплоть до 80-х годов. Однако созданные в этот период квадрафонические системы в коммерческую эксплуатацию внедрены не были.
В последнем десятилетии XX века завершается разработка и начинается опытная эксплуатация во многих странах мира сетей цифрового вещания в диапазоне ОВЧ. Применение современных методов устранения избыточности вещательных сигналов и принципов синхронного вещания позволяет создавать сети 3В вещания с весьма высокой эффективностью использования радиочастотного спектра. Помимо существенного улучшения качества вещания, абонентам этих сетей предоставляется весьма широкий спектр услуг, позволяющий им автоматически селектировать и запоминать интересующие их передачи для их воспроизведения в удобное время.
Опыты по передаче по радиоканалам ТВ сигналов начались в ряде стран примерно через десять лет после начала звукового вещания. Основные этапы развития ТВ вещания в мире состоят в следующем:

В 30-е годы выполняются многочисленные разработки вначале механических, а позже электронных систем передачи и приема ТВ сигналов. Первые ТВ системы имели малое число строк и занимали в эфире сравнительно небольшую полосу частот. В этот период в Великобритании и США выполняются также экспериментальные исследования и разработки механических и электронных систем цветного ТВ. До 1940 года только в крупнейших городах нескольких стран, в том числе в США и СССР, были созданы сети ТВ вещания.
После Второй мировой войны разрабатываются современные стандарты черно-белого ТВ вещания. Для передачи ТВ сигналов по радиоканалу применяется AM с частично подавленной нижней боковой частотой. В разных странах для передачи ТВ сигналов была выделена разная полоса частот радиоканала (равная 6, 7 и 8 МГц). В СССР, во многих странах Европы и в других регионах мира выбран стандарт 625/25, а полоса частот радиоканала в 8 МГц. В 50-е годы происходит интенсивное развитие наземных сетей ТВ вещания в диапазоне ОВЧ, а позже ультравысоких частот (УВЧ). В этот же период во многих странах ведутся весьма многочисленные разработки стандартов цветного ТВ вещания, и в конце 50-х - начале 60-х годов принимаются три мировых стандарта цветного ТВ вещания: NTSC, SECAM и PAL.
В начале 60-х годов начинается новая эра в развитии ТВ вещания на основе спутниковых систем. Во многих развитых странах (СССР, США и др.) создаются национальные спутниковые системы распределения ТВ программ с помощью спутниковых систем. На основе международной кооперации создаются глобальные системы Интелсат, Евросат и другие. Спутниковые системы позволяют организовать каналы подачи ТВ программ в удаленные регионы разных частей мира и приблизить территориальный охват населения ТВ вещанием к 100%. Практически во всех системах передача ТВ сигналов осуществляется с помощью ЧМ. Развитие таких систем происходит до конца 80-х годов.
С середины 70-х годов выполняются разработки систем MAC с последовательной передачей сигналов яркости и цветности, направленные на повышение помехоустойчивости приема аналоговых ТВ сигналов в спутниковых каналах связи с ЧМ. В это же время начинаются разработки систем ТВ высокой четкости. В Европе и Японии создаются аналоговые системы HD-MAC и MUSA, причем последняя система вводится в постоянную коммерческую эксплуатацию в 1989 году.
В конце 80-х годов на смену аналоговым системам приходят цифровые системы как наземного, так и спутникового ТВ вещания, в которых применяются эффективные методы сокращения избыточности и сложные методы кодирования и модуляции. Цифровые системы позволяют существенно повысить эффективность использования радиочастотного спектра и расширить предоставляемые абонентам услуги. В Европе создаются шесть совместимых стандартов на системы цифрового вещания по спутниковым и наземным радио- и кабельным каналам.
В 1971 году разрабатывается первый проект спутникового непосредственного ТВ вещания. Подобные системы создаются во многих странах. В СССР первая такая система "Экран" в диапазоне 800 МГц вводится в эксплуатацию в 1976 году, а в 1997 году в России создается современная система вещания НТВ-Плюс.
За прошедшие 50 лет произошел поразительный прогресс в развитии техники и в распространении ТВ вещания. В настоящее время в мире у населения имеется около 700 миллионов телевизоров, из которых около 70% принимают сигналы цветного ТВ.

В первом десятилетии XXI века произойдет быстрое внедрение сетей цифрового ТВ вещания. Этот процесс уже начался в США, где к 1998 году в 67 городах было построено 117 станций наземного цифрового ТВ вещания. Уже начата опытная эксплуатация наземных сетей цифрового вещания в некоторых европейских странах.

В XXI веке будут продолжаться разработки систем ТВЧ и стереотелевидения, направленные на повышение качества ТВ вещания. В Японии внедрение вещания ТВЧ началось десять лет назад, и сегодня в этой стране сеть спутникового ТВЧ вещания уже имеет около 100 тысяч абонентов.

Системы цифрового 3В и ТВ вещания, по существу, могут быть использованы для распространения любой циркулярной информации, а при организации обратного канала позволяют реализовать интерактивное вещание.

Известным российским ученым - профессором М. И. Кривошеевым, председателем одной из Исследовательских комиссий МСЭ, занимающейся проблемами ТВ вещания, был предложен новый подход к цифровому ТВ и звуковому вещанию как к наиболее эффективному средству для создания системы массового многоцелевого информационного обслуживания. Эта система должна представлять собой единую систему циркулярной связи, в которой будет передаваться интегрированный транспортный поток, образованный составляющими сигналов изображения и звука, телематическими и мультимедийными данными. При этом ее пользователям по их требованию будет предоставляться любая интересующая их информация, будь то вещательная программа, информация из определенных банков данных, сообщения телетекста, доступ к сети Интернет и т. п.

Статья опубликована в книге М. Быховского "Круги памяти".
Перепечатывается с разрешения автора.