О цифровой радиосвязи.

ПРЕДПОСЫЛКИ. Неудовлетворенность имеющимися аналоговыми системами связи в странах с развитой коммуникационной инфраструктурой возникла довольно давно. Особенно остро нуждалась в новых решениях Европа. Рынок подвижной радиосвязи, включающий как ведомственные (PMR – Privet Mobile Radio), так и коммерческие сети (PAMR – Public access Mobile Radio) в Европе был рассеян между различными стандартами, протоколами, частотными диапазонами. «Новые решения», периодически появляющиеся на рынке, на поверку оказывались лишь косметически улучшенными системами, разработанными на основе уже давно известных протоколов и принципов. Нередко «революционная» продукция носила сугубо «фирменный» характер, вынуждая потребителей попадать в зависимость от монополизма поставщика. Некоторые разработки решали только круг специальных задач, не обеспечивая универсальности. Кроме мешанины протоколов и систем развитие коммуникаций привело к дефициту радиочастотного спектра, что вынудило разработчиков сужать полосу каналов с традиционных 25 до 12.5 кГц и менее. Но сужение полосы в аналоговых системах связи вызывает резкое ухудшение качества передаваемой информации, повышает требования к высокочастотной части радиооборудования и в особенности к антенно-фидерному тракту.     Существование аналоговых транковых протоколов, например МРТ 1327, показало, что, несмотря на жесткую конкуренцию, различия в потребностях пользователей, отсутствие единства в законодательной базе разных государств, имеется возможность создания истинно международных, общепризнанных стандартов. И хотя в системах МРТ 1327 были учтены практически все требования, предъявляемые к транковой радиосвязи на момент разработки стандарта, проникновение в повседневную жизнь цифровых коммуникационных технологий, Интернета, электронной почты и т.п. не могло не сказаться на возрастающих потребностях пользователей. Новые возможности в области цифровых технологий заставили производителей и разработчиков переосмыслить методы построения систем радиосвязи. В свою очередь развитие микроэлектроники дало возможность создавать изделия с объединенными функциями в виде одной микросхемы. Еще несколько лет назад встраивание в портативную радиостанцию микропроцессора и синтезатора частоты приводило в благоговейный трепет специалистов и вызывало нескрываемую гордость счастливых обладателей подобных «чудес» техники. Сегодня в цифровые радиостанции устанавливается одна микросхема, выполняющая функции микропроцессора, синтезатора, аналого-цифрового/цифро-аналогового преобразователей, устройства шифрации речи. Современные технологии позволили создать новый класс коммуникационных устройств – цифровые системы связи.  В цифровых системах весь обмен речевыми сообщениями и данными осуществляется только в цифровом виде. Это позволяет вести обмен информацией в более узком частотном канале 12.5 и даже 6.25 кГц без снижения качества. Так как при передаче цифровых данных используются только две частоты (для 1 и 0), то в идеале возможно создавать системы связи с шириной канала в несколько герц (может быть через несколько лет так и будет). На сегодняшний день достигнута величина полосы радиоканала 6.25 кГц. Причем в пределах этой полосы передается как оцифрованная звуковая информация (речь), так и информация, изначально являющаяся цифровой (телеметрия, компьютерные данные, Интернет).

ПРИНЦИПЫ. В общем виде процесс обмена информацией в цифровых сетях выглядит следующим образом. Звуковая информация (голос) преобразуется в цифровой формат модулируется высокочастотным сигналом и передается в эфир по традиционным физическим законам. На приемной стороне происходит обратная процедура восстановления цифрового сигнала в первоначальный аналоговый вид (Рис. 1). Если исходная информация изначально цифровая (терминал данных, компьютер, сеть цифровой связи, Интернет и т.п.), то этап аналого-цифрового преобразования пропускается. Кроме непосредственно кодирования/декодирования сигнал подвергается ряду манипуляций, призванных предотвратить потери информации. Это так называемые процедуры коррекции ошибок.     Процесс оцифровки и кодирования голоса осуществляется специальным устройством – вокодером. Именно от него зависит алгоритм кодирования. Разные системы цифровой связи используют различные алгоритмы и соответственно строятся на разных вокодерах.

    Процесс аналогово-цифрового преобразования включает процедуру квантования – дискретизация непрерывной величины по времени, уровню или по обоим параметрам одновременно и кодирование. При квантовании непрерывная величина преобразуется в последовательность ее мгновенных значений, выделенных по определенному закону и в совокупности отображающих исходную величину. При кодировании выделенные в процессе квантования мгновенные значения исходной величины измеряются и результаты фиксируются в виде цифрового, в данном случае двоичного, кода. При попадании в приемник цифровой сигнал декодируется и, с помощью процедуры цифро-аналогового преобразования, восстанавливается исходный аналоговый сигнал.
     Для передачи цифрового сигнала по радиоканалу необходимо преобразовать его в высокочастотный вид. Для этого, как и в аналоговых системах связи, служит процедура модуляции или, применительно к цифровым преобразованиям, манипуляция. Цифровой сигнал, представляющий поток двоичных символов 0 и 1 накладывается на несущую – аналоговый высокочастотный сигнал постоянной амплитуды и частоты и затем уже передается по эфиру. Наиболее часто применяют три метода манипуляции 
   При амплитудной манипуляции (ASK amplitude-shift keying), модулируемая волна изменяет амплитуду сигнала (например, с высокого уровня на низкий) в соответствии с двоичной информацией. При частотной манипуляции (FSK frequency-shift keying), поток битов представлен изменениями между двумя частотами. Прифазовой манипуляции (PSK phase-shift keying), амплитуда и частота остается постоянной, а поток битов представлен изменениями фазы модулированного сигнала.
     Фундаментальным отличием аналоговых систем связи от цифровых является только метод подготовки и кодирования исходной информации. Высокочастотная же часть радиостанций, отвечающая за прием и передачу радиоволн, остается практически идентичной во всех видах радиосвязи. Причем ситуация не меняется уже свыше 100 лет со времен демонстрации первой системы связи в 1895 году. При всех достижениях технологии, фундаментальным физическим законам альтернативы пока нет.
FDMA И TDMA – ДВА СИСТЕМНЫХ ПОДХОДА
     В настоящее время цифровые системы радиосвязи можно разделить на две категории в зависимости от метода формирования логических каналов связи в физической частотной полосе.
     FDMA (Frequency Division Multiple Access) – множественный доступ с частотным разделением. Где для каждого сеанса связи выделяется отдельный частотный радиоканал.
     TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с временным разделением. Где несколько одновременных сеансов связи разделяются по времени и объединяются в один радиоканал.


ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ
     Цифровые протоколы в современных коммуникациях заняли лидирующее положение и продолжают расширять свое влияние во всех сферах человеческой деятельности. В профессиональную мобильную радиосвязь (ПМР) цифровые технологии внедряются параллельно с развитием компьютерных коммуникаций, сотовой связи, цифрового радио и телевещания.
     Из преимуществ цифровых протоколов связи, предопределивших их развитие и популярность можно отметить следующие: