2.4.Цифровые многоканальные системы передачи

В системах с цифровой передачей информации используется принцип дискретизации непрерывных сообщений согласно теореме В.А. Котельни-кова. Затем применяется операция квантования дискретного сигнала по уровню. При этом шаг квантования выбирается таким, чтобы помеха не превосходила половину шага квантования. Внутри каждого шага кванто-вания устанавливаются разрешенные для передачи уровни квантования, т.е. значения сигнала. Это позволяет аналоговые первичные сигналы представить последовательностью импульсов с частотой дискретизации , где , а F_в – максимальная (верхняя) частота спектра сигнала.

Амплитуды дискретных сигналов квантования уже не будут равны мгновенным значениям сигнала, а будут представлены ближайшими разрешенными для передачи уровнями. Такие сигналы позволяют повысить помехоустойчивость и исключить накопление помех в линии связи путем восстановления сигнала в рамках разрешенных значений, если, конечно, помеха не превзойдет половину уровня квантования. Понятно, что с увеличением шага квантования помехи будут сказываться меньше.

Известно [3], что наилучшую помехоустойчивость обеспечивают двоичные сигналы (0, 1). Поэтому целесообразно АИМ сигналы преобра-зовывать в двоичный код. Эта операция называется кодированием, а сочета-ние квантования по уровню и кодирования называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). На приемной стороне последовательность двоичных сигналов, т.е. сигналы ИКМ вновь преобразуются в квантованный АИМ сигнал. Эта операция называется декодированием. Чтобы восстановить аналоговый первичный сигнал, его подают на фильтр нижних частот с верхней полосой среза F_в.

ИКМ отличается от других импульсных методов модуляции тем, что каждому разрешенному дискретному уровню квантованного АИМ сигнала ставится определенная двоичная кодовая комбинация. Для каждой кодовой комбинации отводится временной интервал Т_Д, который разбит на позиции по числу значности кода. Например, квантованный АИМ сигнал имеет 8 уровней. При основании кода m = 2, значительность кода будет равна n = 3 (N = mⁿ = 2³ = 8). Так, нулевое значение сигнала будет представлено комбинацией 000, единица – 001, двойка – 010, четверка – 100, …, семерка – 111. Действительно, от 0 до 7 – восемь уровней.

Системы с ИКМ находят широкое применение в цифровых устройствах передачи информации в силу ряда своих достоинств. К ним следует отнести:

• высокая помехоустойчивость даже при большом уровне помех;

• возможность регенерации сигналов при передаче их на большие расстояния и при ретрансляции сигналов;

• универсальная форма представления сигналов в виде кодовых комбинаций, независимо от того, какой это сигнал – речь, музыка, телевизионное изображение, команды управления и т.п.;

• простота согласования цифровых систем передачи с ЦВМ;

• применение малогабаритных цифровых фильтров для селекции сигналов;

• слабая зависимость неидеальности и нестабильности характеристик аппаратуры на качество передачи.

Наряду с достоинствами системы с ИКМ имеют недостатки:

• необходимость в высокоточной синхронизации сигналов;

• значительное расширение спектра сигнала, а значит, и увеличение диапазона занимаемой полосы частот каналов;

• ограничение дальности передачи в случае фазовых ошибок тактовой синхронизации.

Однако, отмеченные недостатки не повлияли на развитие цифровых методов передачи информации и в настоящее время системы с ИКМ нашли самое широкое применение в многоканальных проводных системах, в системах радиосвязи, в спутниковых системах связи и т.п.

В системах с цифровой передачей информации применяются кодово-импульсная модуляция (ИКМ) и дельта-модуляция (ДМ).

Рассмотрим принцип построения систем с ИКМ. В этих системах могут применяться различные переносчики для передачи цифровых сигналов и различные способы разделения канальных сигналов, чаще всего ЧРК и ВРК.

На рис. 2.7 приведена структурная схема многоканальной системы ИКМ – ВРК. Эта система предназначена для передачи телефонных сигналов с полосой частот 0,3-3,4 кГц.

Рис. 2.7

На передающей стороне аналоговые сигналы через фильтры нижних частот (ФНЧ) подаются на канальные дискретизаторы КД, управляемые сигналами распределителя канальных импульсов (РКИ) с частотой дискретизации для каждого сигнала Т_Д и сдвинутые во времени относительно друг друга на канальный интервал . Все эти сигналы объединяются в групповой АИМ сигнал и поступают на кодирующее устройство – кодер К. Кодер каждому из отсчетов ставит соответствующую кодовую комбинацию, предварительно автоматически проквантовав сигнал по уровню.

С выхода кодера групповой сигнал в виде кодовых комбинаций подается на устройстве объединения УО, где он объединяется с сигналами управления и взаимодействия СУВ. К этим сигналам относятся вызов, набор номера, отбой и т.д. Кроме того, к УО подводится сигнал цикловой синхронизации СЦС от схемы формирования синхроимпульсов СФСИ, управляемой генератором канальных импульсов ГКИ.

Итак, ИКМ сигнал представляет собой двоичную последовательность импульсов, а совокупность всех канальных интервалов t_к, входящих в один период дискретизации Т_Д, образуют цикл передачи. Эту структуру можно пояснить на принципе работы 30 – канальной системы с ИКМ (рис. 2.8).

Рис. 2.8

В цикле такой системы тридцать каналов являются информационными, один канал служит для передачи сигналов управления и взаимодействия (СУВ) и еще один канал отводится для передачи сигналов цикловой синхронизации (СЦС). Таким образом, в одном цикле Т_Д количество канальных интервалов t_к равно 32.

Синхронная работа при формировании и обработке сигналов осуществляется генераторным оборудованием, которое содержит ГКИ, РКИ и СФСИ.

Поскольку при передаче по линии связи (ЛС) сигналы могут искажаться, на приемной стороне устанавливаются регенераторы (Р), которые восстанавливают длительность и форму сигналов. Затем эти сигналы подаются на устройство разделения (УР), которое направляет телефонные сигналы, сигналы управления и взаимодействия, а также сигналы цикловой синхронизации в соответствующие ветви оборудования.

Телефонные канальные кодовые группы в декодере (Д) преобразуются в квантованные АИМ сигналы, которые поступают на канальные селекторы (КС), которые осуществляют разделение каналов по времени. С выхода КС сигналы подаются на ФНЧ для восстановления аналоговых сигналов абонентов.

Синхронной работой приемного устройства управляет генераторное оборудование (ГО), которое строго синхронизовано с передающей системой по выделению тактовой частоты F_Т и сигнала цикловой синхронизации (СЦС), формирующего моменты начала и конца каждой кодовой группы данного цикла.

В рассмотренной системе ИКМ – ВРК тактовая частота группового сигнала равна

, (2.5)

где - частота дискретизации первичного сигнала;

- суммарное число каналов;

m – количество разрядов в кодовых группах.

Для телефонных сигналов в системах с разделением по времени частота дискретизации F_Д должна быть больше 2F_в, где F_в = 3,4 кГц. В аппаратуре ИКМ – ВРК F_Д = 8 кГц, Т_Д = 125 мкс. В системе ИКМ – 30

F_Д = 8 кГц, N_Σ = 32, m = 8, а F_Т = 2048 кГц, мкс, а мкс.

Полоса частот при передаче группового ИКМ сигнала почти в 2т раз шире, чем в системах с ЧРК.

В отличие от систем ИКМ – ВРК в системах ИКМ – ЧРК дискретизации, квантованию и кодированию подвергается весь групповой сигнал системы с ЧРК, а частота дискретизации определяется верхней частотой группового сигнала. Количество же разрядов т в кодовой группе ограничиваются допустимым уровнем шумов квантования. Цикл передачи в системе ИКМ – ЧРК состоит из одной кодовой группы. Все элементы в цифровой части аппаратуры ИКМ с ВРК и с ЧРК совпадают.

Еще одной разновидностью цифровой системы передачи является система с дельта-модуляцией (ДМ). Использование этой системы предпо-лагает как дискретизацию, так и квантование сигнала по уровню. Однако особенностью здесь является то, что передается не величина приращения сигнала, а только знак этого приращения. В результате в линию связи поступают стандартные импульсы с амплитудой, равной шагу квантования, положительного или отрицательного знака.

Описание системы с дельта – модуляцией приведено в [3].