2.2. Особенности передачи цифровых сигналов по линиям связи

В процессе функционирования цифровых телевизионных и радиокомплексов периодически возникает необходимость передачи цифровых сигналов по линиям связи, например кабельным, между отдельными аппаратными, студиями. Цифровые сигналы могут передаваться и на более дальние расстояния – между отдельными зданиями комплексов.

Возможны два способа передачи бит двоичных чисел, соответствующих отсчетам ИКМ сигнала. Если каждый бит отсчета передается по отдельной линии, то это параллельная передача. Сигнал тактовой частоты в этом случае также передается по отдельной соединительной линии. Потребность в большом числе кабельных линий является серьезным недостатком параллельной передачи, особенно для доставки сигнала на значительные расстояния. Требуются специальные многопарные кабели, сложные соединители. Этот метод практически используется только для соединений внутри аппаратуры и в меньшей степени в случае внутристудийных соединений.

Для передачи сигналов между аппаратными и на более далекие расстояния используется более экономичная последовательная передача, когда все биты отсчета передаются по одной физической линии методом временнóго уплотнения(мультиплексирования). При этом значительно возрастают тактовая частота и затухание в кабеле. Переход от параллельной к последовательной передаче и обратно производится с помощью соответствующих преобразователей, называемых в инженерной практике параллельно-последовательными и последовательно-парал­лель­ными преобразователями.

В процессе передачи приемное устройство должно точно определить, к какому временнóму интервалу отнести тот или иной принятый бит, это задача тактовой синхронизации. Возможны несколько путей решения указанной задачи. При асинхронной передаче сигнал тактовой частоты по каналу связи не передается, но частоты тактовых генераторов на передаче и приеме поддерживаются близкими, а точное их фазирование осуществляется периодически посредством специальных стартовых бит, передаваемых перед передачей каждого байта. Более надежный метод синхронной передачи предполагает передачу сигнала тактовой частоты передатчика по каналу связи к приемнику совместно с полезными данными (или выделение его из принимаемых данных) и захват частоты местного тактового генератора приемника. Наконец, в сложных многоэлементных цифровых системах, размещенных компактно, применяют метод принудительной синхронизации, когда тактовые генераторы всех канальных передатчиков и приемников захватываются общим генератором тактовой частоты [13].

Полученный в результате ИКМ преобразований набор 0 и 1 мало пригоден для непосредственной передачи его по каналу связи. Необходимо поставить в соответствие каждому биту определенный сигнал таким образом, чтобы восстановление информации на приеме происходило с минимальными ошибками. Техника преобразования цифрового сообщения в сигнал, пригодный для передачи по каналу связи, называется канальным кодированием.

Любой канальный код формирует последовательность прямоугольных импульсов, которые тем или иным способом сопоставляются с передаваем

Рис. 2.2.Возникновение фазового дрожания при наличии постоянной составляющей

t – временнόй сдвиг положения фронтов принятых импульсов относительно порогового уровня компаратора U₀

ыми кодовыми комбинаци­ями. Выделение сообщения на приеме осуществляетсяпороговым устройством – компаратором, который сравнивает принятый импульс с некоторым пороговым уровнем и принимает решение о переданном символе. Если ка­нальный код содержит замет­ную постоянную составляющую, она приводит к смещению уровня сигнала, а, следовательно, и положения фрон­тов импульса относительно порогового уровня и возникновению фазового дрожания, называемого также джиттером. Особенно заметно это влияние на длинных кабелях, где прямоугольные им­пульсы теряют свои крутые фронты и приближаются по форме к синусоидальным, а амплитуда их уменьшается (рис. 2.2).

Наиболее простой канальный код в виде бинарных импульсов, где «1» соответствует наличию импульса фиксированной амплитуды и длительности, а «0» – его отсутствию, не используется в силу следующих недостатков:

1) в сигнале имеется значительная постоянная составляющая, изменяющаяся в зависимости от соотношения 0 и 1 в сообщении;

2) не исключено появление длинных серий 0 и 1, не содержащих информации о тактовой частоте, что затрудняет тактовую синхронизацию.

Предложено большое чис­ло разных сигналов, более или менее успешно справляющихся с задачей переноса всех компонентов цифрового сообщения. Символ может быть представлен разными способами – занимать весь или часть тактового интервала, отличаться полярностью, уровнем, фазой и т.д. По форме представления ко­ды разделяются на абсолютные и относительные. В абсолютном коде каждому символу ставится в соот­ветствие электрический сигнал, в относительном состояние сигнала меняется только при передаче символа «1». В зависимости от длительности импульса различают сигнал с возвратом к нулю (ВН)и без возврата к нулю(БВН). В сигнале ВН импульс занимает половину или часть тактовогоинтервала и возвращается к нулю при переходе в следующий такт (рис. 2.3 а).Сигнал БВН не пересекает нулевую линию в течение тактового интервала (рис. 2.3б) [3].

В биполярном сигнале «1» передается импульсом положительной или отрицательной полярности, «0» – отсутствием импульса. В бичастотном коде два состояния передаются прямоугольными импульсами двух разных частот.

Рис. 2.3.Осциллограммы сигналов с возвратом к нулю (ВН) (а) и без возврата к нулю (БВН) (б)

При передаче по реальной линии с шумами и помехами прямоугольная форма импульсов на приеме искажается, фронты растягиваются и как бы размываются шумом. При прохождении через приемный коммутатор точка соответствия пороговому уровню из-за влияния шума может хаотично сдвигаться, возникает дрожание фазы, приводящее, как и при наличии постоянной составляющей, к неточному восстановлению тактовой частоты. При длинных ка­белях и значительном дрожании переход может сдвинуться в область соседнего тактового интервала – возникает межсим­вольная интерференция.

Один из надежных способов добиться синхронности – применить для выделения так­товой частоты узкополосную цепь фазовой авто­подстройки частоты(ФАПЧ). В этой цепи источником сигнала тактовой частоты служит высокостабиль­ный генератор, управляемый по частоте напряжением с выхода фазового де­тектора, сравнивающего частоту и фа­зу генерируемого колебания и сиг­нала тактовой частоты, и обеспечива­ется надежная синхронизация [14].

Причиной поступления в приемник данных с различной скоростью может быть и пакетная передача – гибкий способ передачи информации, при котором формируются блоки данных – пакеты – определенного размера, снабженные заголовком, содержащим все необходимые сведения об адресате, содержании и параметрах кодирования сообщения. Пакеты передаются внутри информационной сети, включающей узлы коммутации и разветвленные тракты, маршруты отдельных пакетов могут не совпадать, а данные в приемник будут поступать с различной скоростью.