Телекоммуникационные_системы_и_сети_Т_1_Современные_технологии_620

ветствует двоичной цифре 0. Думаем, читатели без труда завершат процедуру взвешивания.

Таким образом, за время взвешивания одного отсчетного значения кодер вырабатывает серию импульсов, полностью повторяющую двоичный код отсчетного значения микрофонного тока.

Нельзя не напомнить вновь еще об одном виде искажений, появляющихся при переводе отсчетного значения тока в двоичный код. Так, если кодированию подвергается отсчетное значение 21,7 мА, кодер все равно выдает код 10101, как и в случае целого значения 21 мА. Это и понятно, поскольку «взвешивание» проводилось с точностью до 1 мА – веса самой меньшей «электрической гири». Такое округление чисел в технике называется квантованием, а разница между отсчетным значением тока и величиной, набираемой двоичным кодом, – ошибкой квантования.

Однако и искажения, вызванные ошибками квантования, можно если и не исключить совсем, то по крайней мере значительно уменьшить. Пусть, например, самая маленькая «электрическая гиря» будет иметь «вес» 0,125 мА. Тогда, взяв восемь «гирь», соот-

ветствующие 16; 8; 4; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,125 мА, можно будет «взве-

шивать» отсчетные значения тока с точностью до 0,125 мА. При этом число 21 представится 8-разрядным двоичным кодом 10101000, а число 21,7 – кодом 10101101, где последние три цифры означают добавку 0,625 к числу 21. Применение же 12-разрядного двоичного кода позволяет вместо числа 21,7 набрать весьма близкое к нему число 21,6921895.

Успехи в развитии интегральной микросхемотехники позволили объединить в корпусе одной небольшой микросхемы электронный ключ и кодер. Эта микросхема преобразует непрерывную (часто говорят аналоговую) электрическую величину в двоичный цифровой код и известна под названием аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Выпускаются АЦП с 8-, 10- и 12-разрядными двоичными кодами.

Интересно подсчитать, какую скорость имеет цифровой поток, полученный из непрерывного телефонного сигнала путем дискретизации его через 125 мкс и 8-разрядного кодирования. За секунду ток микрофона изменяется 8000 раз. В 8-разрядном кодере каждое измеренное значение тока представляется двоичным словом из 8 бит. Значит, каждую секунду в линию отправляется 8000 8 = 64000 бит, т.е. скорость цифрового потока равна 64 кбит/с.

Кодовая комбинация из 8 бит, образующая двоичное слово, называется байтом. Символы в каждой кодовой комбинации отделены друг от друга временным интервалом t т , т.е. следует с частотой fт =1 t т . Эта частота называется тактовой. Преобразование отсчетов непрерывного сигнала в двоичный код называется им-

пульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). В настоящее время этот способ получения цифровых сигналов из аналоговых наиболее распространен. Системы передачи, использующие данное преобразование сигналов, называются ИКМ-системами. В иностранной литературе используется аббревиатура РСМ (от английских слов pulse code modulation, что в переводе как раз и означает импульснокодовая модуляция).

3.4. Восстановление аналоговых сигналов

Все устройства, предназначенные для демодуляции сигналов, будут рассмотрены при изучении конкретных систем передачи и аппаратуры, входящей в состав этих систем.

При приеме сигналов ИКМ для восстановления аналогового сигнала необходимо преобразовать цифровой сигнал (последовательность двоичных импульсов) в квантованный АИМ-сигнал (такое преобразование называется декодированием) и затем осуществить операцию демодуляции, т.е. выделения из АИМ-сигнала аналого-

вого сигнала s (t ).

Итак, при использовании ИКМ выполняются следующие преобразования аналогового сигнала: в пункте передачи – амплитудноимпульсная модуляция, квантование и кодирование; в пункте приема – декодирование и демодуляция квантованного АИМ-сигнала. Полученный на приеме аналоговый сигнал отличается от переданного, так как образуется из квантованных импульсов, амплитуды которых

равны не мгновенным значениям сигнала s (t ), а ближайшим разрешенным значениям.

Таким образом, операция квантования вносит в процесс передачи сигнала неустранимую ошибку, которая тем меньше, чем больше уровней квантования.

А как узнать, какое десятичное число скрывается под его записью в двоичной системе? Правило простое: под каждым разрядом двоичного числа следует записать его «вес». Те «веса», которые соответствуют единичным разрядам, нужно сложить. Полученная сумма и явится десятичным числом. Вот перед нами число 1001011, записанное в двоичной нумерации. Поступаем согласно

Как видим, заинтересовавшее нас число складывается из единицы, двойки, восьмерки и шестидесяти четырех (1 + 2 + 8 + 64). Очевидно, оно равно 75. Попробуйте самостоятельно определить, какому числу соответствует его двоичная запись 10110011.

Рис. 3.7. Декодер ИКМ-сигнала

В состав декодера входит преобразователь последовательного кода в параллельный (рис. 3.7), на выходах которого появляется набор единиц и нулей, соответствующий принятой кодовой комбинации. Каждая единица (токовый импульс) поступает на вход сумматора с весом, где увеличивается в 2k раз. На выходе сумматора возникает импульс, амплитуда которого определяется кодовой комбинацией на входе декодера.

Например, при прохождении кодовой комбинации 0100110 на первый, четвертый, пятый и седьмой входы сумматора напряжение не подается (бестоковые импульсы), а на второй, третий и шестой входы подается напряжение, которое увеличивается соответственно в 21, 22 и 25 раз. На выходе сумматора появляется напряжение, пропорциональное 21 + 22 + 25 = 38, т.е. квантованный АИМ-сигнал.

На следующем шаге необходимо из отсчетных значений тока получить непрерывный ток. Сделать это нам поможет обычный конденсатор небольшой емкости, который при кратковременном воздействии на него тока (т.е. отсчетного значения) мгновенно зарядится и будет удерживать заряд до следующего кратковременного воздействия.

Отметим еще раз, что восстановленная таким путем кривая непрерывного тока будет несколько отличаться от той, которая была получена на клеммах микрофона: она будет иметь плоские ступеньки между отсчетными значениями. Можно сказать, что процесс взятия отсчетных значений и последующего восстановления непрерывной кривой тока микрофона сопровождается специфическими искажениями, которые могут повлиять на качество воспроизведения звука. Однако на практике для восстановления тока используют не конденсатор, а более сложные схемы, делающие форму восстановленного тока похожей на форму исходного тока и тем самым сводящие на нет действия указанных искажений.

Контрольные вопросы

1.Что такое цифровой сигнал?

2.С какой частотой следует дискретизировать аналоговый сигнал?

3.Как определить ошибку квантования сигнала?

4.В чем заключается принцип двоичного кодирования сигнала?

5.Как восстановить аналоговый сигнал из цифрового?

Список литературы

1.Крук Б.И., Попов Г.Н. ... И мир загадочный за занавесом цифр: Цифровая связь. – 2-е изд., испр. – Новосибирск: ЦЭРИС, 2001. – 264 с.

2.Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей: Учебник для вузов / Под ред. В.П. Бакалова. – М.: Радио и связь, 2000. – 592 с.

3.Журавлева О.Б., Крук Б.И. Дискретные сигналы и цепи: 26 вопросов и ответов: Учебное пособие для дистанционного обучения. – Новосибирск: СибГУТИ, 1999. – 100 с.

Глава 4. Принципы многоканальной передачи

4.1. Одновременная передача сообщений

В середине XIX в. телеграф широко распространился по всему миру. Достаточно сказать, что общая протяженность телеграфных линий

вЕвропе, например в 1855 г., составляла почти 40 тыс. км, а уже через 10 лет, в 1865 г., она увеличилась до 160 тыс. км, т.е. в 4 раза. Однако темпы строительства телеграфных линий не могли угнаться за потребностью в услугах телеграфной связи. За тот же период число переданных телеграфных депеш возросло с 2 до 18 млн. шт., т.е.

в9 раз.

За счет чего же темпы роста телеграфного обмена (есть такой специальный термин) оказались выше темпов строительства телеграфных линий? Как удалось передать телеграмм в 9 раз больше, если число телеграфных линий увеличилось лишь в 4 раза? В те времена были известны два пути повышения эффективности использования линии связи. Первый – совершенствование организации работы телеграфной службы и телеграфных аппаратов. Другими словами, телеграммы следовало передавать без промедления, одну за другой, и с возможно большей скоростью, т.е. как можно больше букв в минуту. Однако этот способ более эффективного использования линии связи очень быстро оказался исчерпанным. Причина проста и естественна. Как бы не улучшался телеграфный аппарат, скорость работы на нем даже опытного телеграфиста не превышает 240 –300 букв/мин. Второй путь требовал гораздо больших материальных затрат. Дело в том, что основным типом линий связи в XIX в. были воздушные линии. Вот что представляла собой такая линия. На столбах (их называют опорами) подвешивался стальной провод диаметром 3...6 мм, а вторым проводом служила земля. По мере необходимости, т.е. когда обмен телеграфными депешами возрастал настолько, что передавать их по этому проводу попросту не успевали, на эти же столбы подвешивался второй провод, затем третий и т.д. Такие линии связи можно назвать многопроводными. Например, в России первая однопроводная телеграфная линия была проложена в 1854 г., а уже через год, в 1855 г., возникла потребность в подвеске второго провода. К 1857 г. в стране существовали пятипроводные телеграфные линии, а на отдельных, особенно загруженных телеграфными депешами участках, число висящих на опорах проводов достигало 8–12.

Все это привело к тому, что в упомянутом выше 1865 г. длина телеграфных проводов в Европе почти в 3 раза превышала длину телеграфных линий связи и составляла около 450 тыс. км. Между тем изготовление и подвеска каждого последующего провода требовала огромных по тем временам расходов. Да и подвешивание новых проводов не могло продолжаться бесконечно. Ставить же рядом новые опоры и дорого, и громоздко.

Применительно к середине XIX в. проблема формулировалась так: нужно было научиться передавать по одному проводу сразу несколько телеграмм.

Надо сказать, что данная проблема актуальна и по сей день. Возьмем, к примеру, современную спутниковую линию связи. Она позволяет организовать обмен информацией (а это могут быть либо речевое сообщение, либо сведения из банка данных, либо видеоизображение и т.д.) между двумя любыми точками нашей планеты. Но вряд ли кому придет в голову использовать линию для передачи информации только от одного пользователя к другому. Во-первых, это очень дорого. Во-вторых, это просто-напросто неэффективно: в линию «вложены» колоссальные средства, а предоставляется она каждый раз только двум пользователям. Гораздо выгоднее дать возможность как можно большему числу пользователей «арендовать» на время обмена информацией «космический мост» за вполне умеренную плату. Но поскольку каждый из них может выразить желание воспользоваться линией связи в удобное для него время и не захочет мириться с тем, что кто-то уже занял ее, решение проблемы может быть только таким: все абоненты должны пользоваться линией связи одновременно.

Цепи связи проводных кабельных линий и стволы радиолиний могут обеспечить передачу сигнала в широкой полосе частот: от десятков и сотен килогерц до десятков мегагерц в проводных системах и сотен и тысяч мегагерц в радиосистемах. Если сравнить эти цифры с шириной спектра первичных сигналов (см. табл. 1.1), то видно, что полоса частот, в которой работает та или иная линия передачи одноканальной системы, используется крайне неэффективно.

Линия передачи большой протяженности представляет собой дорогое и громоздкое сооружение, требующее больших затрат сил, средств и времени на строительство. Для содержания линий в исправном состоянии также необходимы значительные силы и средства. Подавляющая часть капитальных затрат приходится на линейные сооружения и лишь незначительная часть – на аппаратуру. Естественно, возникает проблема наиболее эффективного использования линейных сооружений. Техническим решением этой экономической проблемы является одновременная передача по одной цепи большого числа первичных сигналов от разных источников сообще-

Рис. 4.1. Принцип одновременной передачи сообщений

ний, т.е. создание на одной цепи большого количества независимых каналов.

Первые образцы многоканальной системы появились в России

в30-е годы ХХ в. В 1934 г. был налажен выпуск 3-канальной системы многократного телефонирования СМТ-34, которая выпускалась вплоть до Великой Отечественной войны. В 1940 г. была введена

вопытную эксплуатацию первая в стране 12-канальная аппаратура для воздушных линий. В настоящее время существуют проводные и радиосистемы передачи, позволяющие организовать на одной цепи (в одном стволе) от десятков до тысяч каналов передачи.

Рис. 4.1 иллюстрирует принцип одновременной передачи нес-

кольких сообщений с помощью системы передачи. Сообщения a1 (t ), a2 (t ), ..., aN (t ) от N источников преобразуются на передаче в первичные сигналы s1 (t ) , s2 (t ), ..., sN (t ) . Последние поступают в систему передачи на преобразователь сигналов, где под-

вергаются специальной обработке и объединяются в групповой сигнал v (t ) , направляемый в цепь связи. В приемной части системы передачи из искаженного помехой группового сигнала v%(t ) вы-

деляются индивидуальные первичные сигналы отдельных каналов s%1 (t ), s%2 (t ), K, s%N (t ). В приемных первичных преобразователях эти

%1 (t ), a%2 (t ), K, a%N (t ) .

Ранее уже описывались методы передачи первичных сигналов: выбирается переносчик (гармоническое несущее колебание или последовательность узких импульсов), и его параметры модулируются первичным сигналом по амплитуде (АМ или АИМ), частоте (ЧМ или ЧИМ), фазе (ФМ или ФИМ) и т.д.

Однако первичные сигналы s1 (t ) , s2 (t ), ..., sN (t ) от N источников сообщений могут существовать одновременно и занимать одинаковые полосы частот (например, это могут быть сигналы речи, занимающие полосу частот 0,3...3,4 кГц). Необходимо, чтобы после преобразования на передаче сигналы отличались друг от

Рис. 4.3. Многоканальная система передачи с частотным разделением каналов

На приемном конце канальные сигналы выделяются из группового с помощью разделительных частотных фильтров Ф1 , Ф2 , ..., ФN , пропускающих сигналы своего канала и подавляющих остальные. Вос-

становление первичных сигналов s%1 (t ), s%2 (t ), K, s%N (t ) из канальных v%1 (t ), v%2 (t ), K, v%N (t ) производится с помощью демодуляторов Д1 ,

Д2 , ..., ДN .

Системы передачи, в которых канальные сигналы размещаются в неперекрывающихся частотных полосах, получили название сис-

тем передачи с частотным разделением каналов (ЧРК).

4.3. Временнóе разделение каналов

Пусть в качестве переносчика первичного сигнала s1 (t ) выбрана периодическая последовательность узких импульсов и осуществлена модуляция этой последовательности по амплитуде. Полученный в результате АИМ-сигнал – канальный сигнал v1 (t ) первого канала – показан на рис. 4.4, а. Выберем последовательность импульсов в качестве переносчика второго первичного сигнала s2 (t ) таким образом, чтобы импульсы АИМ-сигнала v 2 (t ) второго канала передавались в те промежутки времени, когда цепь свободна от передачи импульсов первого канала (см. рис. 4.4, б). Канальные импульсы третьего (см. рис. 4.4, в) и других каналов также должны быть сдвинуты во времени относительно импульсов первых двух каналов и друг друга. Групповой сигнал v (t ) получается после объединения ка-

нальных сигналов v1 (t ), v 2 (t ) , ..., v N (t ) (рис. 4.4, г).

Получить канальные АИМ-сигналы практически очень легко. Роль АИМ-модуляторов могут выполнять электронные ключи (ЭК) (рис. 4.5), на которые нужно подать первичные сигналы. Ключи управляются импульсными переносчиками. Работа АИМ-модуляторов сводится к следующему: импульсы переносчиков поочередно открывают ключи, на выходах которых появляются первичные сигналы.

Рис. 4.4. Временной принцип объединения канальных сигналов (а–в) в групповой (г)

Нужно позаботиться лишь о том, чтобы последовательности импульсов, подаваемые на ключи ЭК, были сдвинуты во времени относительно друг друга (рис. 4.6). Эту задачу (см. рис. 4.5) выполняет распределитель импульсов каналов (РИК), управляемый генератором импульсов (ГИ). Таким образом, импульсы каждого канала, несущие в своей амплитуде информацию о первичном сигнале, передаются по цепи только в определенные промежутки времени. Разделение каналов на приеме (т.е. выделение канальных импульсов из группового сигнала) можно легко осуществить также с помощью ЭК, которые должны работать синхронно и синфазно с ключами передающей части. Другими словами, ключ каждого канала должен открываться тогда, когда по цепи приходят импульсы данного канала, и быть закрытым во время прихода импульсов других каналов. Это достигается с помощью управления ключами ЭК импульсными последовательностями (такими же, как и на передаче), вырабатываемыми в РИК приемной части и синхронизированными с импульсами передатчика с помощью схемы синхронизации СС (см. рис. 4.5). Канальные импульсы v1 (t ), v 2 (t ) , ..., v N (t ) с помощью УО объединяются в групповой сигнал v (t ) .