книги из ГПНТБ / Гуревич В.Э. Импульсно-кодовая модуляция в многоканальной телефонной связи

но-кодовая обработка сигналов (индивидуальных или групповых), многократная фазовая модуляция несущей цифровым сигналом на второй ступени модуляции и частотное или временное разделение отдельных систем (системы ИКМ-ФМ-ЧД или ВД-ИКМ-ФМ-ВД). Интересным и многообещающим является сочетание ИКМ с ад­ ресно-кодовым принципом разделения канальных сигналов. В этом случае цифровые системы могут строиться как асинхронные [21].

1.2. Структурная схема системы связи ВД-ИКМ

Рассмотрим типичную структурную схему передающей и приемной части аппаратуры ВД-ИКМ (рис. 1.2), предназначенной для передачи телефонных сигналов по кабельной линии связи.

Речевые сигналы каждого из N абонентов через канальные фильтры нижних частот поступают на входы канальных ампли­ тудно-импульсных модуляторов, при помощи которых непрерывный речевой сигнал преобразуется в последовательность его отсчетов (дискретизируется по времени). Управление работой модуляторов осуществляется с помощью импульсных последовательностей, вы­ рабатываемых генераторным оборудованием передачи.

Выходы всех канальных модуляторов соединены параллельно и здесь формируется групповой АИМ сигнал. В групповом АИМ сигнале отсчеты канальных сигналов следуют поочередно: за от­ счетом первого канала следует отсчет второго, за вторым третий и так далее до отсчета последнего канала. Затем вновь следует отсчет первого канала и т. д. Таким образом, передача в системах ВД-ИКМ носит циклический характер, определяемый периодич­ ностью следования отсчетов сигнала в каждом канале. Совокуп­ ность сигналов, передаваемых за один период частоты дискретиза­ ции, образует цикл передачи.

Компрессор мгновенного действия, на вход которого поступает групповой АИМ сигнал, совместно с экспандером, включенным в приемный тракт, улучшает качество передачи слабых сигналов1 ). С выхода компрессора групповой АИМ сигнал поступает на вход кодирующего устройства (кодера), выполняющего функции кван­ тования сигналов по уровню и кодирования квантованных сигна­ лов. На выходе кодера поочередно формируются кодовые группы, соответствующие квантованным по уровню отсчетам сигнала каж­ дого канала.

импульсов канальными передатчиками, последовательно управляе­ мыми генераторным оборудованием. Выходы передатчиков СУВ всех каналов соединены параллельно.

') Компрессия и зкопандироэание сигнала (компавдировавие) могут осу­ ществляться также в цифровой части тракта.

10

СУВ Передатчик

СУВ

Рис. 1.2. Структурная схема системы связи ВД-ИК.М

Групповой импульсно-кодовый сигнал с выхода кодера и груп­ повой сигнал управления и взаимодействия поступают в устрой­ ство объединения, куда также вводится сигнал цикловой синхро­ низации, формируемый передатчиком синхросигнала. Этот сигнал определяет начало цикла передачи и необходим для разделения каналов на приеме. Объединение сигналов производится по прин­ ципу временного уплотнения.

циклов передачи информации в системах ВД-ИК.М. Здесь сигналы цикловой синхронизации и СУВ передаются сосредоточенно, зани­ мая импульсные позиции двух канальных интервалов. Возможны и другие способы передачи этих служебных сигналов, например рассредоточенным способом, когда посылки служебной информа­ ции и кодовых групп речевого сигнала распределены равномерно в пределах циклов. С выхода устройства объединения цифровой сигнал поступает в станционный регенератор передачи, осущест­ вляющий нормализацию импульсов по форме, амплитуде, длитель­ ности и временному положению. Затем через устройство согласо­ вания (иногда называемое кодером линейного тракта) цифровой сигнал поступает в линейный тракт.

Все процессы обработки сигналов в аппаратуре с ИКМ выпол­ няются в определенной последовательности и в строго регламен­ тированные отрезки времени. Последовательность обработки сиг­ налов на передающей станции задается генераторным оборудова­ нием. В состав генераторного оборудования на передаче входят задающий генератор, делители частоты и распределители импуль­ сов. Задающий кварцевый генератор вырабатывает колебания с частотой, равной частоте следования двоичных посылок в линии связи. Эта частота называется тактовой. Выходное напряжение задающего генератора подается на вход цепочки делителей часто­ ты, осуществляющих деление в целое число раз и формирующих необходимую сетку частот управляющих .импульсных последова­ тельностей. Для получения импульсных последовательностей оди­ наковой частоты, но сдвинутых относительно друг друга во вре­ мени, обычіно используют распределители импульсов, которые со-

12

держат элементы задержки и подключены к выходам делителей частоты.

При передаче по линии связи -возникают искажения импульсно- кодового сигнала: изменяется форма и длительность импульсов, уменьшается их амплитуда и нарушается период следования. Для устранения искажений в линию связи на определенном расстоянии друг от друга включают регенераторы, практически полностью восстанавливающие импульсно-кодовый сигнал. Число регенера­ торов может достигать нескольких десятков или даже сотен.

На приемной стороне имлульсно-кодовый сигнал поступает в устройство согласования (декодер линейного тракта), а затем —- в станционный регенератор приема, восстанавливающий форму, амплитуду и длительность каждого импульса. В устройстве раз­ деления групповые сигналы речевой информации, СУВ и цикловой синхронизации разделяются в пространстве и направляются в со­ ответствующие приемники. Кодовые группы речевой информации в декодере преобразуются в квантованный АИМ сигнал, который после эксландирования поступает на канальные временные селек­ торы, открывающиеся поочередно и пропускающие сигналы АИМ, относящиеся только к данному каналу. Восстановление исходного непрерывного сигнала осуществляют фильтры нижних частот, вы­ деляющие огибающую АИМ сигналов. В приемниках СУВ осуще­ ствляется восстановление исходной формы служебных сигналов управления и взаимодействия.

Управляет работой узлов приемной станции приемная часть генераторного оборудования. В качестве задающего колебания на приемной станции обычно используется гармоническое колебание тактовой частоты, выделяемое из спектра линейного сигнала узко- полосным фильтром. По принципу работы и характеристикам фор­ мируемых последовательностей, а также по составу оборудования генераторное оборудование приема в основном не отличается от генераторного оборудования передачи.

Работа генераторного оборудования передачи ,и приема должна быть согласована по частоте и во времени с целью обеспечения правильного декодирования и распределения декодированной ин­ формации. Согласование работы передающей и приемной станции обеспечивается с помощью системы синхронизации. Синхронизация по тактовой частоте (частоте повторения двоичных посылок в ли­ нии) осуществляется в каждом из линейных регенераторов, а так­ же на приемной станции. Этот тип синхронизации обеспечивает равенство скоростей обработки информации на передающей и приемной станциях.

Поскольку в системах ВД-ИКМ передача носит циклический характер, причем число кодовых групп в цикле равно числу теле­ фонных каналов в системе, то для правильного декодирования и распределения информации необходимо фиксировать начало и ко­ нец каждой кодовой группы и каждого цикла. Эту задачу выпол­ няет система цикловой синхронизации, которая путем управления

13

генераторным 'Оборудованием .приема 'устанавливает определенные временные соотношения в системе. В состоянии синхронизма на­ чало процессов декодирования и распределения информации опре­ деляется моментами поступления циклового синхросигнала на вход

приемкой станции.

Приведенная структурная схема аппаратуры ВД-ИКМ состав­ лена применительно к использованию аппаратуры для уплотнения кабельных линий. При использовании аппаратуры на радиолиниях сигнал с выхода станционного регенератора передачи поступает на вход модулятора и управляет колебаниями генератора высокой частоты, от которого - радиоимпульсы поступают в среду распро­ странения. В приемнике радиолинии сигнал демодулируется, а затем восстанавливается в станционном регенераторе приема и об­ рабатывается аналогично тому, как это описано выше.

Х.З. Структурная схема системы связи ЧД-ИКМ

Структурная схема станционной части оконечного обору­ дования системы связи ЧД-ИКМ приведена на рис. 1.4. Особен­ ность этой системы состоит в том, что дискретизации и кодирова­ нию здесь подвергается групповой телефонный сигнал, образован­ ный по принципу частотного уплотнения. В настоящее время раз-

Генераторное.оеоруов&ание

Генератор \Устроистщ синхрониза­

OOOpHÛOùd- ции frue

Рис. 1.4. Структурная схема станционной части системы

связи ЧД-ИКМ

работаны различные типы аналоговых систем связи с частотным уплотнением: от малоканальных (на 3, 12, 24 канала) до много­ канальных (с числом каналов 1920, 2700, 3600). В ряде стран на­ чата разработка таких систем на 7200—10 800 телефонных ка­ налов. Несмотря на существенные различия в полосе передаваемых

14

частот, обработка групповых сигналов различных систем частот­ ного уплотнения методом импулысно-кодовой модуляции проводит­ ся по единой схеме. Различаются лишь частоты дискретизации сигналов и соответственно скорость передачи ИКМ сигналов в линии. В системах ЧД-ИКМ цикл передачи, в отличие от систем ВД-ИКМ, содержит только одну кодовую группу.

На приемной станции системы ЧД-ИКМ сигнал декодируется^ а затем демодулируется с помощью фильтра нижних частот.

Полученный групповой телефонный сигнал разделяется на ка­ нальные обычными средствами частотного разделения. Информа­ цию о начале процесса декодирования обеспечивает устройство синхронизации, управляющее генераторным оборудованием прием­ ной станции. В некоторых системах эта информация может быть получена на приеме путем выявления определенных статистиче­ ских закономерностей, присущих групповому ЧД-ИКМ сигналу.

1.4. Основные особенности систем связи с ИКМ

Разработке и внедрению новых типов систем связи пред­ шествует комплексное изучение вопросов технической целесообраз­ ности применения этих систем, качества передачи, экономичности, эксплуатации и т. д. Проще всего достоинства и недостатки новых систем и, в частности, многоканальных систем связи с ИКМ вы­ являются при сравнении их с другими известными типами систем многоканальной передачи.

Системы связи с ИКМ обладают рядом технических, экономя- ческих и эксплуатационно-технических преимуществ перед систе­ мами аналогового типа. Основное техническое преимущество си\ стем связи с ИКМ перед системами аналоговоготипа состоит в. их высокой помехоустойчивости. Возможность регенерации сигна­

искажений в системах с ИКМ в основном определяется оконечны­ ми устройствами; аддитивные помехи, мгновенные значения кото­ рых по абсолютной величине меньше порога срабатывания реге­ нератора, подавляются.

Системы связи с ИКМ хорошо приспособлены для высокоско­ ростной передачи данных. .Существующие каналы связи аналого­ вых систем позволяют передавать данные со скоростью до 600— 2400 бод. В системах ВД-ИКМ скорость передачи двоичной ин­ формации в одном канале составляет 50—60 тыс. бод, в связи с чем существует возможность непосредственного высокоскоростного ввода данных в линейный тракт, минуя каналообразующее обору­ дование системы. Для передачи данных могут заниматься все ка-

15

налы телефонной системы, в то же время количество вторично уплотняемых каналов аналоговых систем ограничивается допусти­ мой перегрузкой групповых устройств. Ввод данных может осу­ ществляться как синхронным, так и асинхронными способами.

Экономические предпосылки, обусловившие разработку систем связи ВД-ИКМ, основаны, прежде всего, на возможности замены дорогостоящих фильтров аппаратуры частотного уплотнения на импульсные ячейки временного разделения каналов. Простые по схемным решениям канальные блоки систем ВД-ИКМ идентичны, в отличие от разнотипных канальных блоков систем с частотным разделением каналов. Уже в настоящее время затраты на орга­ низацию многоканальной овязи с помощью аппаратуры ВД-ИКМ ниже затрат на прокладку новых кабелей, начиная с длины 8— 15 км. Кроме того, при такой длине кабеля применение аппара­ туры ВД-ИКМ оказывается более экономичным, чем применение аппаратуры частотного уплотнения соединительных линий город­ ских телефонных сетей. Снижение стоимости полупроводниковых приборов и интегральных схем ведет к снижению стоимости обо­ рудования систем с ИКМ, в то же время стоимость сырья, иду­ щего на изготовление кабеля, не имеет тенденции ік снижению.

Системы связи с ИКМ обладают также рядом эксплуатацион­ но-технических преимуществ перед системами аналогового типа. Прежде всего, при использовании систем связи с ИКМ отпадает необходимость в создании высококачественного аналогового ли­ нейного тракта (в частности, в установке и поддержании диа­ граммы уровней). Качество связи (параметры телефонного ка­ нала) не зависит ни от колебания затухания линии, ни от иска­ жений, обусловленных нелинейностью тракта. Стабильность оста­ точного затухания, высокая степень идентичности частотных ха­ рактеристик и времени замедления разных каналов системы соз­ дает значительные эксплуатационные удобства при коммутации каналов. Кроме того, что особенно важно, уплотнению может быть подвергнуто большинство пар многожильного кабеля без от­ бора. Как известно, включению большого числа систем аналого­ вого типа в одном кабеле предшествует трудоемкая и дорогостоя­ щая операция симметрирования кабельных пар. Наличие огром­ ного числа пар кабеля, до настоящего времени используемого без уплотнения, создает предпосылки для массового крупносерийного производства аппаратуры, что является дополнительным источни­ ком снижения ее стоимости.

Приспособленность цифровых систем связи к микроминиатю­ ризации (включая переход на интегральные схемы) позволяет обеспечить высокую надежность аппаратуры, снизить габаритные размеры, массу, а также производственные и эксплуатационные

расходы.

Очевидно, что системам связи с ИКМ свойственны и недостат­ ки. Так для передачи сигналов импульсно-кодавого типа требует­ ся полоса частот более широкая, чем для большинства известных

16

Глава 2

СТАТИСТИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ АБОНЕНТСКОГО ТЕЛЕФОННОГО СИГНАЛА

2.1. Общие положения

Изучение статистических характеристик передаваемых со­

обоснованно выбрать при отсутствии сведений о характеристиках'

ла) и ее связь с характеристиками абонентских сигналов иссле­ дуется в гл. 6.

Экспериментальные исследования абонентского телефонного сигнала проводились неоднократно как у нас в стране, так и за рубежом. Ниже материалы, полученные разными исследователя­ ми, обобщаются с целью получения общих аналитических соотно­ шений, учитывающих как сходство полученных результатов, так и специфические особенности некоторых экспериментов.

Абонентский сигнал многоканальной системы связи и, в част­ ности, системы с ИКМ представляет собой преобразованное в ко­ лебания электрического тока звуковое давление (речь), создавае­ мое источником информации — человеком.

Основными статистическими характеристиками речевого сиг­ нала, представленного в электрической форме, являются:

—одномерная и двумерная функции распределения мгновен­ ных значений;

—энергетический спектр, т. е. спектральная плотность средней мощности;

—корреляционная функция;

—функция распределения средних мощностей речевых сигна­ лов, поступающих от различных абонентов;

18

— распределение длительности пауз в пределах телефонного разговора и коэффициент активности телефонного канала.

Некоторые из этих характеристик взаимосвязаны (например, двумерное распределение, энергетический спектр и корреляцион­ ная функция), но во многих случаях удобно их рассматривать раз­ дельно, как это ниже и делается. Вообще говоря, речевой сигнал не является ни эргодичѳским, ни стационарным случайными процес­ сом. Это видно хотя бы из того, что различные его частные реали­ зации поступают на вход системы связи в различное время от раз­ личающихся физически и по своим параметрам источников (имеет­ ся в виду как абонентская аппаратура — телефонные аппараты, так и генераторы речевого сигнала — голосовые связки коррес­ пондентов). Поэтому статистические характеристики речевого сиг­ нала являются функцией двух переменных: элемента множества и текущего времени. Следуя [1], можно усреднить эти характеристи­ ки, причем совершить это усреднение дважды — по множеству реализаций и по времени. В результате двукратного усреднения будут получены статистические характеристики, не зависящие ни от времени, ни от номера реализации и характеризующие некий среднестатистический, «обобщенный» речевой процесс [2]. Опреде­ лив путем двукратного усреднения нужные статистические харак­

и эргодичеокого случайного процесса. В дальнейшем под терми­ ном «речевой сигнал» будет подразумеваться именно такая «сред­ нестатистическая» речь, обобщенный речевой сигнал. Заметим, что фактически любая методика измерения статистических харак­ теристик речи всегда предполагает усреднение результатов изме­ рений как по времени, так и по множеству (в частности, усредне­ ние для различных голосов).

Для удобства дальнейшего изложения введем некоторые допу­ щения и определения, соответствующие в основном [3]. Будем счи­ тать мощности абонентского сигнала во всех участках тракта ак­ тивными. Обозначим мгновенное напряжение телефонного сигнала

— уровнем в децибелах, где «Изм и ЯИ З м — некоторые произвольно

19