17.1. Особенности построения цифровых систем передачи

В большинстве развитых стран мира принят курс на цифровизацию сетей связи, предусматривающий построение сети на базе цифровых методов передачи и коммутации. Это объясняется сле­дующими существенными преимуществами цифровых методов пе­редачи перед аналоговыми.

Высокая помехоустойчивость.

Представление ин­формации в цифровой форме, т. е. в виде последовательности символов с малым числом разрешенных уровней (обычно не бо­лее трех) и детерминированной частотой следования, позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) этих символов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации.

Цифровые методы передачи весьма эффективны при работе по световодным линиям, отличающимся относительно высоким уровнем дисперсионных искажений и нелинейностью электронно-опти­ческих и оптоэлектронных преобразователей.

Слабая зависимость качества передачи от длины линии связи.

В пределах каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов оказываются ничтож­ными. Длина регенерационного участка и оборудование регенера­тора при передаче сигналов на большие расстояния остаются практически такими же, как и в случае передачи на малые рас­стояния.

Стабильность параметров каналов ЦСП.

Ста­бильность и идентичность параметров опреде­ляются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме, стабильность параметров каналов в таких системах значительно выше, чем в аналоговых.

Эффективность использования пропускной способности каналов для передачи дискретных сигналов.

При вводе дискретных сигналов непосредственно в групповой тракт ЦСП скорость их пе­редачи может приближаться к скорости передачи группового сиг­нала, скорость передачи дискретных сигналов будет близка к 64 кбит/с, в то время как в аналоговых системах она обычно не превышает 9,6 кбит/с.

Возможность построения цифровой сети связи. Цифровые системы передачи в сочетании с цифровыми коммута-ционными станциями являются основой цифровой сети связи, в ко­торой передача, транзит и коммутация сигналов осуществляются в цифровой форме.

Высокие технико-экономические показатели. Передача и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать весь аппаратурный комплекс цифровой сети на чисто электронной основе с широким применением цифровых инте­гральных схем.

Аппаратура ЦСП состоит из аппаратуры формирования и приема цифровых сигналов, а также аппаратуры линейного тракта. Цифровой сигнал формируется в оборудовании аналого-цифро­вого преобразования первичных ЦСП или в оборудовании временного группообразования ЦСП более высо­кого уровня. В данной лекции основное внимание уделено передаче телефонных сигналов по каналам ЦСП с ВРК при использовании импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). В этом случае формирова­ние группового цифрового сигнала предусматривает последователь­ное выполнение следующих основных операций (рис. 5.1):1) дискретизации индивидуальных телефонных сигналов по вре­мени, в результате чего формируется импульсный сигнал, промодулированный по амплитуде, т. е. АИМ сигнал; 2) объединения N индивидуальных АИМ сигналов в групповой АИМ сигнал с использованием принципов временного разделения каналов; 3) квантования группового АИМ сигнала по уровню; 4) последовательного кодирования отсчетов группового АИМ сиг­нала, в результате чего формируется групповой ИКМ сигнал, г. е. цифровой сигнал.

Рис. 2.1.Дискретизация сигнала во времени

В системах передачи с ВРК, каждый канальный сигнал представляет собой периодическую последова­тельность импульсов, промодулированных исходным сигналом. При этом чаще всего используется амплитудно-импульсная моду­ляция, при которой модулируется амплитуда импульсов, а другие параметры (длительность, частота следования, временное положе­ние) остаются неизменными.

При АИМ амплитуда периодической последовательности им­пульсов изменяется в соответствии с изменениями амплитуды мо­дулирующего сигнала c(t). Раз­личают амплитудно-импульсную модуляцию первого (АИМ-1) и второго (АИМ-2) рода. Поскольку все реально существующие непрерывные сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно ши­роким спектром, .причем основная энергия сосредоточена в отно­сительно узкой полосе частот, перед дискретизацией на передаче необходимо с помощью фильтра нижних частот ограничить спектр сигнала некоторой частотой Для телефонных сигналов необхо­димо использовать ФНЧ с частотой среза ƒ = 3,4 кГц.

Частотный спектр модулированной последовательности при АИМ однополярного сигнала содержит (рис. 2.3): постоянную составляющую составляющие с частотами исходного модулирующего сигнала составляющие с частотой дискретизации и ее гармоник составляющие боковых полос (нижней и верхней) при частоте дискретизации и ее гармониках

При дискретизации двуполярных сигналов (телефонных, звуко­вого вещания) в спектре АИМ сигнала практически отсутствуют постоянная составляющая и составляющие с частотами

Из рис. 2.1 видно, что для восстановления исходного непре­рывного сигнала из АИМ сигнала на приеме достаточно поста­вить ФНЧ с частотой среза, равной F_B, который выделит исходный сигнал. Поскольку для телефонного сигнала то должна выбираться из условия Реально выбрана что позволяет упрощать требования к ФНЧ приема.

Рис. 2.2.Спектральный состав АИМ сигнала Рис2.3. Формирование АИМ сигнала

На рис 2.5 над каждым отсчетом указан номер канала, к кото­рому он относится. Групповой АИМ сигнал передается между вы­ходом формирователя АИМ сигнала (АИМ модулятора) и входом кодирующего устройства в оконечном оборудовании передачи и выходом декодирующего устройства и входом устройства разделе­ния канальных сигналов (временного селектора) в оконечном оборудовании приема.

Искажения, возникающие из-за ограничения полосы частот снизу, называются искажениями второго рода. Это ограни­чение происходит из-за наличия в цепях группового сигнала реактивных элементов (трансформаторов, емкостей и др.). Харак­тер возникающих искажений при передаче прямоугольных импуль­сов показан на рис. 2.6,б В отличие от искажений первого рода выбросы обратной полярности затухают медленно, поэтому влиянию подвергается даже каналы существенно удаленные по времени от влияющего канала.

Это делает искажения второго рода более опасными по сравнению с искажениями первого рода. В реальных трактах возникают искажения обоих типов.

На рис. 2.7 в качестве примера приведена упрощенная схема АИМ модулятора, выполненного в виде сбалансированного ключа на транзисторах При наличии импульса в управляющем сигнале ключ открывается и через нагрузку протекает ток, про­порциональный входному сигналу, а между импульсами управ­ляющего сигнала ключ оказывается в закрытом (разомкну­том) состоянии и ток через нагрузку не протекает. Режимы работы транзисторов должны быть подобраны таким образом, чтобы в от­крытом состоянии сопротивление ключа было как можно меньше, а в закрытом — стремилось к бесконечности.

В результате в нагрузке формируется сигнал в виде АИМ-1. Управляющее импульсное напряжение в нагрузку не поступает, т. е. подавляется. Это объясняется тем, что управляющее напря­жение поступает одновременно на базы VT1 и VT2 и вызывает по­явление эмиттерных токов, которые протекают через нагрузку в противоположных направлениях. Если транзисторы имеют одина­ковые параметры, то эти токи равны по величине и суммарный ток в нагрузке оказывается равным нулю.

Как видно из рис. 2.9, амплитуды отсчетов при АИМ-2 поддер­живаются практически неизменными в течение всего канального интервала что обеспечивает устойчивую работу кодирую- щего устройства, на вход которого поступает групповой АИМ сигнал.

Квантование сигнала по уровню

АИМ сигнал является дискретным по времени, но непрерывным по уровню, так как амплитуда отсчетов может принимать бесконечное множество значений. Операции квантования по уровню и кодирования, как правило, осуществляются в одном устройстве, называемом аналого-циф­ровым преобразователем (АЦП) или кодером, однако с целью выявления особенностей указанных операций целесооб­разно рассматривать их отдельно.

Значение как будет показано ниже, зависит от вида передаваемого сигнала и требований к качеству передачи. Помимо общего числа уровней квантования квантующее устройство ха­рактеризуется шагом квантования и напряжением ог­раничения.

Шагом квантования называется разность между двумя соседними разрешенными уровнями, а определяет максимальное значение амплитуды отсчета, подвергаемого квантова­нию. Очевидно, что должно быть выбрано таким образом, чтобы вероятность появления отсчета с амплитудой выше была пренебрежимо мала. Очевидно, что Если шаг кванто­вания во всем диапазоне изменений амплитуды сигналов остается постоянным, т.е. то квантование называет- ся равно­мерным.

На рис. 2.10, а приведена временная диаграмма, поясняющая принцип равномерного квантования униполярных сигналов, а на рис.2.11,

а-амплитудная характеристика квантующего устройства

Квантование осуществляется следующим образом.

Основной недостаток равномерного квантования заключается в следующем. Поскольку мощность шумов квантования не зависит от величины сигнала, защищенность от шумов квантования, опре­деляемая как оказывается неболь­шой для сигналов с малыми уровнями (слабых сигналов) и воз­растает при увеличении уровня сигнала (рис. 2.12). Для того чтобы выполнить требования к защищенности необходимо уменьшить помощью сжатия динамического диапазона сигнала с последую­щим равномерным квантованием.

Литература:

Осн. 3. [стр. 90-95]

Доп. 4. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы:

1.Какие особенности цифровых систем передачи?

2.Аппаратуры цифровой системы передачи?

3.Дискретизация сигналов?

4.Выбор частоты дискретизации?

5.Квантование сигналов?

6.Кодирование и декодирование сигналов.

Лекция 18. Дельта модуляция с компандированием

1. Виды компандирование при ДМ.

2. Динамический диапазон при компандировании.

3. Дельта-декодер работает.

Тактовая частота в системе передачи с ДМ могут быть существенно уменьшена, если во избежание перегрузки шаг квантования менять с изменением крутизны сигнала. Различают следующие виды компандирование при ДМ: инерционное,мгновенное и компандирование по структуре цифрового сигнала на выходе модулятора. Компандирование позволяет не только уменшить тактовую частоту. но и поддерживать постоянство отношения сигнал/шум квантования при изменении средней мощности сигнала в достаточно больших пределах и тем самым расширять динамический диапазон канала.

Инерционное компандирование применяют при передачи речевых сигналов. При этом величина шага квантования меняется с изменением уровня средней мощности речевого сигнала (слоговое компандирование). При слоговом компандировании инерционные сжиматель и расширитель включают соответственно на входе модулятора и на выходе демодулятора, как это делается в каналах ТЧ и вещания систем ЧРК, с целью повышения помехозащищенности и расширения динамического диапазона. Так же как и в ЧРК, при большой степени сжатия возникают большие искажения, из-за несогласованности характеристик сжимателя и расширителя, и поэтому применяют инерционные сжиматели и расширители с коэффициентом γ_сж=0,5 и расширения γ_расш=2. Динамический диапазон при таком компандировании расширяется рпименрно на 15 дБ.

Одна из возможных схем адаптивной дельта-модуляции приведена на рис.1 (с инерционной компрессией)

Основу структурной схемы составляет обычный классический демодулятор с одинарным интегратором.

Рисунок 3.1 - Обычный классический демодулятор с одинарным интегратором

Инерционная компрессия в модуляторе осуществляется с помощью формирователя сигнал управления ФУ (ДИ, СФиДО) и амплитудно импульсивного модулятора М, включенного на входе интегратора. ФУ состоит из дополнительного интегратора ДИ, ограничевающего спектра частот импульсной последовательности в области ВЧ, сглаживающего фильтра СФ, детектора огибающей ДО и схемы сложения + огибающей с заданным постоянным напряжением U_о, определяющим заданное минимальное значение амплитуды импульсов на входе интегратора.

Работа схемы поясняется с помощью временных диаграмм.

Непрерывный сигнал (1) →на вход ДУ и на выходе порового устройство ПУ при нарастании входного сигнала начинает формироваться последовательность положительных единичных импульсов (3).

Рисунок 3.2 - Временная диаграмма

Формируемая импульсная последовательность поступает на дополнительную интегрирующую цепь на выходе которой из-за ограничения длительности и импульса возникают межсимвольное искажения6 что приводит к появлению сигала огибающей импульсной последовательности (4). Сф выделяет огибающей (5) амплитуда которого зависит от плотности единиц в импульсной последовательности. Детектор огибающей осуществляет двухполупериодное выпрямление этого сигнала (6). К ней подмешивается постоянное напряжение U_{о которое обеспечивает} постоянную амплитуду импульсов на выходе модулятора при равномерной плотности положительных и отрицательных единиц на его входе, т.е. при отсутствии напряжения огибающей. При увеличении плотности единиц амплитуда импульсов, поступающий на интегратор по цепи обратной связи будет изменяться (7) под действием напряжения огибающей, и аппроксимирующая, ступенчатая функция (8) в зависимости от крутизны нарастания непрерывного сигнала будет иметь переменный шаг квантования.

Декодер работает аналогично только в обратном направлении.

Упрощенная структурная схема кодера с мгновенным компандированием по структуре цифрового потока показана на рис.3.3.

Рисунок 3.3 - Упрощенная структурная схема кодера с мгновенным компандированием

Схема содержит классический дельта-модулятор , к которому дополнительно подключены амплитудно-импульсный модулятор и импульсный преобразователь ИП. ИП в зависимости от характеристик двоичной последовательности изменяет величину приращении аппроксимирующего напряжения, для чего используется модулятор. Главным достоинством данного типа мгновенного компандирования является возможность реализации аппаратуры на современных элементов счетной техники, что обеспечивает точное соответствие характеристик компрессии на стороне передачи и экспандирования на стороне приема.

Принцип работы такой схемы можно пояснить с помощью временных диаграмм.

Рисунок 3.4. - Временная диаграмма

Импульсный преобразователь анализирует плотность единиц и при комбинациях вида 111 или -1-1-1 на его выходе возникает импульс, который увеличивает амплитуду импульса на выходе модулятора в 2 раза, при этом шаг квантования на выходе интегратора возрастает также в 2 раза.

Дельта-декодер работает точно таким же образом, но дополнительно включает в себя схему синхронизации СС и формирователь импульсов ФИ. Использование компандирования позволяет снизить тактовую частоту цифрового потока по сравнению с классической ДМ почти в 4 раза и довести ее до 48 кГц для одного канала ТЧ.

Основным преимуществом ДМ в сравнении с ИКМ является ее большая помехоустойчивость, связанная с тем, что она менее чувствительна к ошибкам в цифровом сигнале, чем ИКМ. Величина ошибки при ИКМ зависит от разряда неправильно принятого символа кодовой группы. При 7-разрядной группе ошибка в старшем разряде кодовой группы приводит к ошибочному восстановлению амплитуды отсчета, величина которой ∆U_ош=2⁶∆=64∆, т.е. половине максимального отсчета сигнала. При ДМ ошибочный прием символов цифрового потока всегда приводит к ошибке в один шаг квантования.

Литература:

Осн. 5. [стр.90-95]

Доп. 6. [стр. 30-32].

Контрольные вопросы

1.Что такое дельта модуляция?

2.Чтот такое компандирование?

Лекция 19. Построение многоканальной аппаратуры с ИКМ и ВРК