Общая_Теория_Связи_Лекции / lex_15

4

Лекция № 15 по курсу

“Теория электрической связи”

ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНЫХ СООБЩЕНИЙ

1. Общие сведения о цифровой передаче непрерывных сообщений

Для передачи непрерывных сообщений можно воспользоваться дискретным каналом. При этом необходимо преобразовать непрерывное сообщение в цифровой сигнал, т.е. в последовательность символов, сохранив содержащуюся в сообщении существенную часть информации. Типичными примерами цифровых систем передачи непрерывных сообщений являются системы с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) и дельта-модуляцией (ДМ). Для преобразования непрерывного сообщения в цифровую форму используются операции дискретизации и квантования. Полученная таким образом последовательность квантованных отсчетов кодируется и передается по дискретному каналу.

Основное техническое преимущество цифровых систем передачи перед непрерывными системами состоит в их высокой помехоустойчивости. Это преимущество наиболее сильно проявляется в системах передачи с многократной ретрансляцией (переприемом) сигналов. Типичные системы подобного вида - кабельные и радиорелейные линии большой протяженности. Основным фактором, ограничивающим протяженность линии связи, является накопление помех вдоль тракта передачи.

При цифровых системах передачи для ослабления эффекта накопления помех при передаче с ретрансляциями наряду с усилением применяют регенерацию импульсов, т.е. демодуляция с восстановлением переданных кодовых символов и повторную модуляцию на переприемном пункте.

При цифровом методе передачи непрерывных сообщений можно, кроме того, повысить верность применением помехоустойчивого кодирования. Высокая помехоустойчивость цифровых систем передачи позволяет осуществить практически неограниченную по дальности связь при использовании каналов сравнительно невысокого качества.

Другим существенным преимуществом цифровых систем передачи информации является широкое использование в аппаратуре преобразования сигналов современной элементной базы цифровой вычислительной техники и микропроцессоров.

В отличии от непрерывного канала передачи в составе цифрового канала предусмотрены устройства для преобразования непрерывного сообщения в цифровую форму - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на передающей стороне и устройства преобразования цифрового сигнала в непрерывный - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на приемной стороне.

Преобразование аналог-цифра состоит из трех операций: сначала непрерывное сообщение подвергается дискретизации по времени через интервалы ; полученные отсчеты мгновенных значений квантуются; полученная последовательность квантованных значений передаваемого сообщения представляются посредством кодирования в виде последовательности кодовых комбинаций. Такое преобразование называется импульсно-кодовой модуляцией. Чаще всего кодирование сводится к записи номера уровня в двоичной системе счисления. Полученные с выхода АЦП сигналы ИКМ поступают или непосредственно в линию связи или на вход передатчика, где последовательность двоичных импульсов преобразуется в радиоимпульсы.

Номер квантованного уровня		0		1	2		3		4		5		6	7
Кодовая комбинация символов	000		001		010	011		100		101		110		111

На приемной стороне линии связи последовательность импульсов после демодуляции в приемнике поступает на ЦАП. В состав ЦАП входят декодирующее устройство, предназначенное для преобразования кодовых комбинаций в квантованную последовательность отсчетов, и сглаживающий фильтр, восстанавливающий непрерывное сообщение по квантованным значениям.

2. Помехоустойчивость импульсно-кодовой модуляции

Одной из причин, приводящих к отличию принятого сообщения от переданного в системе с ИКМ, является шум квантования, другой - помехи в канале, которые накладываются на передаваемые символы кодовых комбинаций и могут вызвать ошибки. Ошибки в символах (при отсутствии избыточности) приводят к ошибочному декодированию всей кодовой комбинации.

Воздействие шума квантования на принимаемые сообщения можно заметно уменьшить, применяя неравномерное квантование, при котором большие уровни сообщения квантуются с большим шагом, а низкие уровни - с малым шагом. Очевидно, что шум квантования при этом коррелирован с сообщением и имеет тем меньшую мгновенную мощность, чем меньше уровень сообщения. Это позволяет при том же числе уровней лучше различать слабые отрезки сообщения. Если распределение вероятностей сообщения такое, что большие уровни встречаются значительно реже, чем малые (что имеет место, например, при передаче речи), то неравномерное квантование сводится к тому, что часто возникающие значения сигнала передаются с меньшей ошибкой квантования, а редко возникающие значения - с большей ошибкой квантования. В результате усреднения по всем значениям дисперсия ошибки квантования будет уменьшена.

Одним из распространенных способов неравномерного квантования является квантование с компандированием сигнала. Компандерная система представляет собой комплекс из двух нелинейных преобразователей с взаимно-обратными характеристиками - компрессора и экспандера. Динамический диапазон входного сигнала “сжимается”, затем сигнал равномерно квантуется. После кодирования и передачи по линии связи на приемной стороне производится обратное преобразование.

3. Кодирование с предсказанием

В ряде случаев, например при передаче речи, телевизионных изображений, данных телеметрии, между отсчетами передаваемых сообщений имеются статистические связи. Наличие таких взаимосвязей позволяет повысить эффективность систем передачи информации.

Последовательность коррелированных отсчетов исходного сигнала подают на один из входов вычитающего устройства, а на его другой вход поступает сигнал предсказания , сформированный из предыдущих отсчетов. Полученный таким образом сигнал ошибки предсказания поступает в тракт передачи. Поскольку в сигнале ошибки как раз и содержатся новые сведения, представляющие разность между истинным и предсказанным значениями, то такой способ передачи называется передачей с предсказанием. На приемном конце имеется такой же предсказатель, как и на передающем. Поскольку он оперирует с теми же предыдущими отсчетами, предсказанное им значение нового отсчета будет таким же, как и на передатчике.

.

Обычно можно получить малую ошибку предсказания, положив

,

откуда .

Корреляция между отсчетами возрастает по мере сокращения интервала между ними. Поэтому при большой частоте дискретизации число уровней квантования сигнала ошибки можно уменьшить до двух и перейти к одноразрядным системам. Такой способ кодирования называется дельта-модуляцией.

Квантованный сигнал ошибки имеет вид

,

где .

То есть, сигнал на выходе дельта-модулятора содержит лишь сведения о полярности (знаке) сигнала ошибки. На приемной стороне интегратор прибавляет или вычитает . Отсчеты передаваемого сообщения сравниваются с квантованным отсчетом , полученным в результате суммирования всех предыдущих квантованных сигналов ошибки:

.

Если , то квантователь формирует значение , в противном случае . На приемной стороне, каждый импульс “+1” увеличивает, а каждый импульс “-1” уменьшает функцию на один шаг квантования, т.е. при дельта-модуляции соседние значения функции различаются обязательно на один шаг квантования.

При одинаковой верности передачи частота следования импульсов при ИКМ и ДМ примерно одинакова. Поэтому обе эти системы занимают приблизительно одинаковую полосу частот. Существенным преимуществом систем передачи с ДМ является сравнительная простота кодирующих и декодирующих устройств.