Мультиплексирование цифровых потоков

Мультиплексирование – это процесс объединения цифровых сигналов с более низкой скоростью передачи в один групповой сигнал с более высокой скоростью передачи. Используются различные способы объединения, однако, наиболее широкое распространение в цифровых системах передачи получили посимвольные (поразрядные) и поканальные (по кодовым группам отсчетов или побайтовые, например, в аппаратуре ИКМ-30).

Побайтовый способ находит широкое применение в цифровых системах коммутации. В цифровых системах передачи информации применяется посимвольный способ мультиплексирования цифровых потоков. В этом случае символы цифровых сигналов объединенных систем следуют друг за другом поочередно. Принцип группирования низкоскоростных потоков поясняется схемой (рис. 3.16) и временной диаграммой (рис. 3.17) на примере формирования группового сигнала из четырех 2,112 Мбит/с цифровых сигналов (ЦС).

Рис. 3.16. Принцип мультиплексирования цифровых потоков: РС – кольцевой регистр сдвига; f_T – тактовая частота

Рис. 3.17. Временные диаграммы мультиплексирования

цифровых потоков

Необходимыми условиями поразрядного мультиплексирования являются синхронность и синфазность объединяемых потоков.

Диаграмма (рис. 3.17) показывает формирование группового сигнала после-довательным сложением цифровых сигналов одиночных каналов, начиная с первого. Причем начало и конец ЦС каждого канала синхронизировано моментами РС₁, . . . , РС₄ .

Дельта – модуляция в спд

Принципы дельта- модуляции. Дельта-модуляция (ДМ) была предложена c целью упрощения АЦП и цифро-аналогового преобразования (ЦАП) [1, 80]. При преобразовании аналогового сигнала в цифровой с использованием ДМ применяется одноразрядный код, символ которого определяет только знак (полярность) производной аналогового сигнала на каждом интервале дискретизации.

Рис. 3.18. Временные диаграммы работы АЦП и ЦАП ДМ;

а – исходный непрерывный сигнал a(t); б – последовательность импульсов (ДМ-сигнал); в – сигналы в различных точках преобразователя

Правило формирования ДМ сигнала по­казано на рисунке 3.18. На участке t₁ ...t₂ и t₃...t₄ аналоговый сигнал a(t) возрастает (производная положительная), поэтому кодовые символы ДМ сигнала принимают значения +1 и на рис. 3.18,б они изображены как импульсы положительной полярности. На участ­ке t₂...t₃ сигнал a(t) убывает (производная отрицательная), ко­довые символы ДМ сигнала принимают значения —1 и изобра­жены в виде импульсов отрицательной полярности.

Формирование из ДМ сигнала аналогового сигнала также от­носительно простое. Поскольку ДМ сигнал получается как знак производной аналогового сигнала, для преобразования последо­вательности импульсов в аналоговый сигнал необходимо выпол­нить операцию, обратную дифференцированию — интегрирование. В схеме цифрового приёмника сигналов ПРМ-ДМ (или ЦАП) (рис. 3.19) используется идеальный ин­тегратор, имеющий импульсный отклик в виде ступеньки напряже­ния. Если на вход идеального интегратора подать последователь­ность импульсов ДМ сигнала, то отклики на каждый из них сум­мируются и выходное напряжение будет иметь вид ступенчатой функции времени с постоянным шагом  (рис.3.18,в). Эта ступен­чатая функция и является аппроксимацией аналогового сигнала. Она образовалась в результате дискретизации и квантования, по­этому обозначается как a_кв(kΔt). Восстановление аналогового сигнала a_пр(t) из квантованного a_кв(kΔt) как и в ЦАП ИКМ, осуществляется с использованием ФНЧ.

В цифровом передатчике (или АЦП) ПРД-ДМ, схема которого по­казана на рис. 3.19 своеобразно решается задача получения производной аналогового сигнала a(t). Временные диаграммы работы ПРД-ДМ представлены на рис. 3.20. Напомним, что производная вычисляется как от­ношение приращения функции к приращению аргумента. Для получения приращения аналогового сигнала используется вычи­тающее устройство ВУ, на один вход которого подается непрерывный сигнал a(t), на второй — восстановленный интегратором из вы­ходного ДМ сигнала квантованный сигнал a_кв(kΔt). Разностный сигнал e(t)=a(t)─a_кв(kΔt) и является аппроксимированной производной сигнала a(t). Функцию квантователя выполняет по­роговое устройство ПУ, напряжение на выходе которого соответствует знаку разностного сигнала e(t).

Рис. 3.19. Структурная схема СПД на основе линейной дельта- модуляции

Электронный ключ ЭК, который замыкается на короткое время  через интервал дискретизации Δt, является одновременно дискретизатором и кодером. На выходе его формируется двуполярная последовательность импульсов ДМ сигнала (рис. 3.20,6).

Рис.3.20. Временные диаграммы сигналов в линейном ДМ в режиме слежения за исходным сигналом: а- сигналы на выходе вычитающего устройства; б- сигнал линейной ДМ

Такое техническое решение построения АЦП позволило, во-первых, получить более точную ступенчатую аппроксимацию непрерывного сигнала на участках с малыми приращениями, во-вторых, устранило неопределенность (как изображать ДМ сигнал при отсутствии приращения) при преобразовании постоянного напряжения в ДМ сигнал за счет чередующихся импульсов положительной +1 и отрицательной —1 полярностей.

Рассмотренный выше способ получения ДМ сигнала является наиболее простым (он также называется линейным или классическим). В настоящее время существуют десятки разновидностей ДМ, отличающихся, в основном, предсказателем (местным декодером). Поскольку ДМ разностный сигнал формируется с использованием предсказанного тем или иным способом сигнала, системы с ДМ часто называют системами с предсказанием.

Особенности ДМ. Восстановленный непрерывный сигнал при ДМ, конечно, лишь с некоторым приближением воспроизводит исходный сигнал. Точность воспроизведения зависит от частоты дискретизации, шага квантования, а также от крутизны сигнала. Совершенно очевидно, что для уменьшения шума квантования, как и в ИКМ, необходимо уменьшить шаг квантования . Но уменьшение шага ступенчатой кривой (см. рис. 3.20, а) требует такого же увеличения частоты дискретизации, иначе ступенчатая кривая не будет совпадать с непрерывной. В ДМ частота дискретизации f_д определяется не по теореме Котельникова, а ис­ходя из заданной точности воспроизведения непрерывного сигнала. Расчеты показывают, что при одинаковом с ИКМ шуме кванто­вания частота дискретизации для ДМ примерно на порядок вы­ше (f_дДМ 20F_max). Однако скорость модуляции В цифрового сиг­нала в ИКМ и ДМ примерно одинакова, так как при ДМ исполь­зуется одноразрядный код, а в ИКМ – m-разрядный.

Уменьшение шага квантования в ДМ приводит к специфичес­ким искажениям, так называемой перегрузке по крутизне. Пере­грузка возникает из-за того, что восстановленный ступенчатый сигнал после интегратора за один такт Т_А увеличивается (умень­шается) только на один шаг . А сигнал a(t) за это время мо­жет увеличиваться (уменьшиться) на несколько шагов . Воз­никает дополнительная погрешность восстановления. Такой слу­чай показан на рис. 3.20, а на падающем участке непрерывного сигнала. Одним из способов борьбы с перегрузкой по крутизне является применение переменного шага квантования (адаптив­ная ДМ): с увеличением крутизны увеличивается и шаг.

Шумы ложных импульсов в ДМ оказывают меньшее влияние, чем в ИКМ, поскольку код одноразрядный и ошибка приводит к изменению восстановленного сигнала на шаг . Однако использование в схеме ДМ идеального интегратора, обладающего бес­конечной памятью, приводит к накоплению ошибок. Для борьбы с этим явлением на практике либо периодически разряжают ин­тегратор до нуля, либо используют интегратор, имеющий огра­ниченную постоянную времени.

Сравнение ИКМ и ДМ. Выбор метода модуляции зависит от вида непрерывного сигнала, назначения системы связи, показателя, по которому производится сравнение. Можно указать следующие основные особенности ИКМ и ДМ.

1. Классическая (линейная) ДМ по зависимости сигнал-шум квантования от скорости цифрового сигнала уступает ИКМ. Од­нако разновидности ДМ (например, адаптивная с мгновенным компандированием и двойным интегратором в цепи обратной свя­зи) обеспечивает одинаковое с ИКМ соотношение сигнал-шум при меньшей тактовой частоте.

2. Дельта-модуляция более устойчива к помехам в линии, по­этому требования по помехоустойчивости при передаче ДМ сиг­нала на несколько порядков ниже, чем при ИКМ.

3. При ИКМ требуется синхронизация по тактам и по кодо­вым комбинациям, при ДМ — только по тактам.

4. Аппаратура формирования ДМ сигнала намного проще, чем в ИКМ. Однако в составе многоканальной системы связи (МКС), где обору­дование ИКМ является групповым, а ДМ — индивидуальным, суммарная сложность оборудования ДМ, при создании МКС, оказывается значительно боль­шей.