Специальные книги / Матюхин А. Ю. и др. Многоканальные и телекоммуникационные системы. Лабораторный практикум. Ч. 2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА»

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ

СИСТЕМЫ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Часть 2

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2016

УДК 621.395.4(075.8)

ББК 32.883я73 М73

Рецензент кандидат технических наук,

профессор кафедры фотоники и линий связи

Л. Н. Кочановский

Рекомендован к печати редакционно-издательским советом СПбГУТ

М73 Многоканальные телекоммуникационные системы : лабораторный практикум : часть 2 / А. Ю. Матюхин, В. В. Анин, А. Б. Волчков, И. В. Гришин, К. А. Комарова, М. В. Лобастова, А. Г. Подгайский, Д. Г. Рафиков, А. В. Ульянов, Е. Л. Федорова ; СПбГУТ. – СПб.,

2016. – 75 с.

Написан в соответствии с рабочей программой дисциплины «Многоканальные телекоммуникационные системы». Издание может быть использовано как основная литература для изучения дисциплин «Многоканальные цифровые системы передачи и средства их защиты» и «Цифровые системы передачи».

Рассматриваются основные принципы и технологии построения многоканальных телекоммуникационных систем.

Предназначен для студентов, обучающихся по направлению 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

УДК 621.395.4(075.8) ББК 32.883я73

©Матюхин А. Ю., Анин В. В., Волчков А. Б., Гришин И. В., Комарова К. А., Лобастова М. В., Подгайский А. Г., Рафиков Д. Г., Ульянов А. В., Федорова Е. Л., 2016

©Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича», 2016

2

3

Лабораторная работа 6 ИЗУЧЕНИЕ КОДЕКА ДМ 1. Цель работы

Изучение практической реализации кодека с дельта-модуляцией (ДМ)

ваппаратуре плезиохронных ЦСП высших ступеней иерархии.

2.Задание на лабораторную работу

2.1. Задание по теоретической части

Изучить:

1) дельта-модуляцию; 2) реализацию и функционирование кодеков ДМ в СВВГ и СТВГ, ис-

пользуемых для организации служебного канала.

2.2. Задание по расчетной части

1. Рассчитать и построить временные диаграммы для испытательного гармонического сигнала в точках А, В и С схемы кодера ДМ (рис. 1) при отсутствии адаптации. Параметры сигнала приведены для различных вариантов задания в табл. 1, форма временной функции испытательного сигна-

ла u(t) Um sin(2 fc t).

2. Рассчитать помехозащищенность от шумов квантования при передаче испытательного гармонического сигнала при отсутствии искажений из-за ограничения крутизны сигнала.

4

2.3. Задание по экспериментальной части

1.Организовать передачу испытательного гармонического сигнала по служебному каналу аппаратуры СВВГ-1, СВВГ-У или СТВГ.

2.Проанализировать осциллограмму этого сигнала на выходе канала по сравнению с осциллограммой на его входе при изменении уровня и частоты испытательного сигнала.

3.Измерить:

–амплитудно-частотную характеристику канала служебной связи;

–амплитудную характеристику;

–помехозащищенность от шумов квантования;

–уровень шумов в незанятом канале.

3. Методические указания по выполнению лабораторной работы

3.1. Методические указания к изучению теоретической части

При дельта-модуляции, так же как и при импульсно-кодовой модуляции, производятся дискретизация по времени, квантование и кодирование передаваемого сигнала. Но при ИКМ в кодовом виде передается информация о мгновенном значении, а при ДМ – о первой производной передаваемого сигнала. Дельта-модуляция относится к дифференциальным или разностным методам модуляций. При этом следует иметь в виду, что аналогоцифровое устройство, в котором используется ДМ, называют модулятором или кодером ДМ, а цифроаналоговое – демодулятором или декодером ДМ

5

(рис. 1). Модулятор и демодулятор принято называть модемом, а кодер и декодер – кодеком. В данной работе используется термин кодек ДМ.

Рис. 1. Схема кодека ДМ. Обозначения блоков на схеме:

ОА – ограничитель амплитуд; ФНЧ – фильтр низких частот; СС – компаратор или схема сравнения, ∫ – интегратор (предсказатель),

АИМ – амплитудно-импульсный модулятор, СК – слоговый компрессор; АИП – анализатор импульсной последовательности; Ус – усилитель

Принципиальным отличием ДМ от ИКМ является ограничение при ДМ предельно допустимой скорости изменения передаваемого сигнала, а не его мгновенного значения, как при ИКМ. Многие сигналы, например речевые, телевизионные и звукового вещания, характеризуются спектральными плотностями, которые уменьшаются с увеличением частоты. В таких сигналах существуют корреляционные связи между отсчетами, следующими с частотой, не менее чем в два раза большей основной максимальной

6

частоты спектра сигнала. В ЦСП с ИКМ при передаче величины каждого отсчета такие корреляционные связи не учитываются. Априорное значение отсчета независимо от величины предыдущего принимается равным нулю. При этом достигается независимость качества передачи от особенностей спектрального распределения передаваемых сигналов, т. е. обеспечивается универсальность канала. Однако избыточность передаваемой информации, присущая такому методу, приводит к повышению пропускной способности цифрового канала для обеспечения требуемого качества передачи в отношении шумов квантования.

При ДМ используются корреляционные зависимости между отсчетами. При этом априорное значение передаваемого отсчета принимается равным значению предыдущего отсчета. В результате может быть снижена избыточность в передаваемом цифровом сигнале, что позволяет снизить пропускную способность цифрового канала для обеспечения требуемого качества передачи в отношении шумов квантования.

ДМ используется для передачи речевых сигналов, поскольку в этих сигналах отсутствуют резкие изменения мгновенных значений, и при увеличении частоты дискретизации, можно снизить разность значений двух соседних отсчетов так, чтобы она не превышала величины одного шага квантования. Величина шага квантования выбирается исходя из допустимой мощности шумов квантования, попадающих в полосу частот, совпадающую с полосой спектра аналогового сигнала, передаваемого по каналу.

Определим отношение сигнал/шум на выходе канала с кодеком ДМ при передаче испытательного гармонического сигнала вида

u(t) Um sin(2 fc t) .

Если считать ошибки квантования некоррелированными, то среднеквадратическое значение напряжения шума квантования в полосе приемного фильтра будет определяться формулой

где – шаг квантования;

fc.max – максимальная частота полосы пропускания приемного фильтра; fд – частота дискретизации.

Для гармонического сигнала

c2 Um2 .

2

На единичном сопротивлении мощность шума и среднеквадратическое значение напряжения в квадрате численно равны.

7

Выберем частоту дискретизации в кодеке ДМ при условии отсутствия искажений вследствие ограничения крутизны сигнала.

Первая производная временной функции испытательного сигнала равна

При передаче речевых сигналов методом ДМ принимается, что перегрузки по крутизне не происходит, если обеспечивается неискаженная передача гармонического сигнала частотой 0,8 кГц, мощность которого равна мощности речевого сигнала. Тогда из (1) получим

Pc 0,035 f 3 .

Pкв д

Различают линейную ДМ с постоянным шагом квантования и адаптивные ДМ, шаг квантования в которых изменяется при изменении первой производной или крутизны сигнала. Параметры линейной ДМ, такие как шаг квантования и частота дискретизации, при передаче речевых сигналов могут быть рассчитаны по приведенным выше формулам. После дополнительных преобразований может быть выведена формула для расчета частоты дискретизации fд, кГц, следующего вида

fд 3100,1 Aз.доп D ,

0,035

где Aз.доп – допустимое значение помехозащищенности от шумов кванто-

вания;

D – динамический диапазон передаваемого сигнала.

8

Пример. Допустим, Aз.доп = 30 дБ, D = 35 дБ, тогда fд = 300 кГц. Таким образом, цифровой канал с линейной ДМ для передачи рече-

вых сигналов должен иметь пропускную способность 300 кбит/с. Адаптивные ДМ позволяют обеспечить такое же качество передачи сигналов по цифровым каналам с пропускной способностью 32 кбит/с.

Для передачи речевых сигналов по каналу служебной связи в плезиохронных ЦСП высших ступеней иерархии используется адаптивная ДМ. Схема кодека приведена на рис. 1. Сигналы в точках А, В и С схемы кодера ДМ при отсутствии адаптации приведены на рис. 2.

U(t)

Управляющая

последовательность

t

UC

U(t)

U A

t

U(t)

U B

U

t

Рис. 2. Сигналы в точках А, В и С схемы кодера ДМ при отсутствии адаптации

Аналоговый сигнал поступает от микрофона через ограничитель амплитуд на фильтр низких частот с частотой среза 7 кГц. С выхода ФНЧ сигнал подается на первый вход компаратора, на второй вход которого приходит сигнал с выхода интегратора (или предсказателя). В схеме выполнено предсказание на одном тактовом интервале. Величина тактового интервала и величина интервала дискретизации в данной схеме одинаковы, поскольку количество битов в кодовом слове равно единице. Частота дискретизации

9

равна 32 кГц. Цепи управления от генераторной аппаратуры на схеме кодека не показаны. Сигналы с выхода компаратора поступают на выход. Скорость передачи 32 кбит/с. Эти же сигналы поступают и на входы анализатора импульсной последовательности и амплитудно-импульсного модулятора. На выходе АИП формируются «единицы» при появлении в цифровом сигнале четырех и более последовательных «единиц» или «нулей». Этот сигнал поступает на слоговый компрессор, представляющий собой интегрирующую цепь с постоянной времени 10 мс. Изменение выходного тока СК приводит к пропорциональному изменению сигнала на выходе АИМ. Сигнал с выхода АИМ поступает на интегратор и приводит к пропорциональному изменению шага квантования. Интегратор обеспечивает предсказание на одном тактовом интервале.

Сигнал на выходе интегратора представляет собой дискретный во времени сигнал или сигнал с АИМ-2. Поэтому в декодере ДМ для выделения спектра информационного сигнала достаточно включить ФНЧ.

На выходе декодера ДМ прием сигнала сопровождается шумами дискретизации, шумами квантования и перегрузки по крутизне.

3.2. Методические указания по выполнению расчетной части

1. В точках А, В, С схемы кодека ДМ (рис. 1) расчет временных диаграмм необходимо выполнить для дискретных значений времени от минимального до максимального, которые приведены в табл. 1.

Интервал дискретизации равен

Результаты расчета могут быть представлены в виде таблицы, по данным которой построены временные диаграммы.

Точка А

Входной сигнал является непрерывным

u(t) Um sin 2 fc t ,

но в кодеке ДМ выполняется дискретизация во времени, поэтому рассчитываются напряжения сигнала в дискретные моменты времени

Расчет выполняется на интервале времени, указанном в табл. 1.

Точка В

Управляющие импульсы с частотой дискретизации поступают на компаратор. В момент существования управляющего импульса на выходе

10