Цифровые системы передачи (ЦСП) обладают рядом преимуществ по сравнению с аналоговыми системами передачи, которые передают сообщение в виде непрерывных функций времени.

Системы передачи с частотным разделением каналов (ЧРК) характеризуются применением аналоговых методов модуляции, при которых модулирующий параметр может принимать любые значения в некоторых допустимых пределах. Помехоустойчивость в таких системах сравнительно невелика. Помехи вызывают паразитную модуляцию основных параметров сигналов-переносчиков и после модуляции попадают на выход канала. Помехоустойчивые методы модуляции (ЧМ и ФМ) улучшают соотношение сигнал-помеха (S/N) на выходе канала. Однако, поскольку при аналоговых методах модуляции все значения модулируемых параметров являются разрешенными, при приеме невозможно отличить паразитную модуляцию от полезной, а, следовательно, невозможно отделить полезный сигнал от помехи.

Основные преимущества систем передачи с ИКМ заключаются в следующем:

1. Высокая помехоустойчивость за счет передачи сообщения двоичными сигналами.

2. Цифровые методы передачи позволяют значительно повысить помехоустойчивость и уменьшить накопление помех вдоль тракта передачи путем восстановления (регенерации) сигнала.

3. Удобство настройки и эксплуатации цифровых систем, меньшая чувствительность к искажениям, что обеспечивает более высокие технико-экономические показатели цифровых систем передачи по сравнению с аналоговыми (системы с разделением каналов по частоте).

цифровая система передача информация

4. Возможность использования сравнительно простых методов запоминания и хранения сообщений путем записи их в различного рода цифровых регистрах и запоминающих устройствах.

5. Принцип временного разделения каналов, применяемый в системах с ИКМ, используется в электронных автоматических телефонных станциях, что позволяет одновременное использование систем передачи и систем коммутации.

Недостатком цифровых систем связи является расширение полосы частот, требуемой для передачи сообщений с помощью ИКМ. Но этот недостаток не является определяющим по сравнению с теми преимуществами, которыми обладают цифровые системы передачи.

В основном многоканальные системы передачи применяются для передачи речевых сигналов, которые относятся к непрерывным. Речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50-100 до 8000-10000 Гц. Установлено, однако, что качество речи получается вполне удовлетворительным при ограничении спектра частотами 300-3400 Гц. При указанной полосе частот разборчивость фраз составляет более 99%, при этом сохраняется удовлетворительная натуральность звучания.

Для передачи непрерывного сообщения с помощью ИКМ необходимо выполнять следующие операции:

1. дискретизацию сообщений по времени;

2. квантование полученных импульсов по амплитуде;

3. кодирование квантованных сигналов.

1. Расчет основных параметров проектируемой цифровой системы передачи информации

2. Расчет спектра АИМ сигнала

Таблица 2.1 - Результаты расчета спектра модулированного АИМ-сигнала.

По полученным данным построим спектральную характеристику. На графике видно, что каждая гармоника имеет несущую на частоте , на которую приходится большая часть энергии (большая амплитуда) и две боковые полосы. Значения всех амплитуд постепенно уменьшаются с ростом номера гармоники.

Преобразование аналогового сигнала в дискретный называется дискретизацией. В результате дискретизации получается амплитудно-импульсный сигнал (АИМ). Различают амплитудно-импульсную модуляцию первого (АИМ-1) и второго (АИМ-2) рода.

Задача восстановления непрерывного сигнала из последовательности его дискретных отсчетов заключается в фильтрации модулирующего сигнала с частотой , находящегося в низкочастотной части спектра АИМ-сигнала, с помощью ФНЧ.

В тех случаях, когда модулирующий сигнал характеризуется спектром с полосой частот от до , спектральная диаграмма будет иметь более сложный вид. Вместо отдельных пар боковых колебаний около частот будут наблюдаться боковые полосы, а в низкочастотной части спектра модулированного колебания - спектр модулирующего сигнала.

Многоканальные системы передачи в основном применяются для передачи речевых сигналов, которые относятся к непрерывным. Для передачи непрерывного сообщения с помощью ИКМ необходимо выполнить следующие операции:

дискретизация сообщения по времени (получение АИМ-сигнала);

квантование полученных импульсов (отсчетов, выборок) по амплитуде;

кодирование квантованных по амплитуде импульсов.

Дискретизация непрерывных сообщений производится АИМ-модуляторами в соответствии с теоремой Котельникова. На выходе АИМ-модуляторов формируется групповой АИМ-сигнал. Работой АИМ-модуляторов управляют последовательности канальных импульсов. Групповой АИМ-сигнал поступает на кодер, который одновременно с кодированием осуществляет операцию квантования по уровню.

Входные сигналы:

.

Значения времени в функциях выходных сигналов для соответствующих циклов передачи определяются по формуле

где - номер канального интервала,

Ц - номер цикла. Ц = 1, 2, 3, 4.

;

.

Входной сигнал имеет сложный вид, выполним его тригонометрические преобразования:

Расчет величины одного отсчета при и i=7, 8, 9, 10, 11, 12:

.

Результаты остальных расчетов приведем в таблице 3.1:

Таблица 3.1 - Результаты расчёта величин отсчётов входных сигналов для 1-го цикла

Построим временные диаграммы входных сигналов для первого цикла.

Рисунок 3.1 - Временная диаграмма входного сигнала U7 (t)

Квантование по уровню применяется для получения конечного числа амплитудных значений дискретных отсчетов сигнала взамен непрерывного бесконечно большого количества их значений, т.е. процесс квантования аналогичен процедуре округления числа до ближайшего разрешенного значения. Такое округление всегда связано с погрешностью, называемой погрешностью квантования.

В результате квантования возникают специфические нелинейные искажения, действие которых на передаваемый сигнал можно условно представить как добавление к неискаженному сигналу некоторой аддитивной помехи - шума квантования. Эти искажения неустранимы, но практически могут быть сделаны неощутимыми для получателя сообщений при надлежащем выборе числа уровней округляемой (квантуемой) величины сигнала.

Абсолютное значение квантованного отсчета в условных единицах на выходе кодера при законе компрессии А можно определить как

Абсолютное значение квантованного отсчета в единицах измерения входного сигнала определяется по формуле:

Погрешность (абсолютная) квантования равна

Относительная погрешность квантования определяется по формуле

Для первого цикла передачи: 7-ой канал

Абсолютная погрешность. Относительная погрешность.

8-ой канал

Абсолютная погрешность. Относительная погрешность.

9-ой канал

Абсолютная погрешность. Относительная погрешность.

10-ой канал

Абсолютная погрешность. Относительная погрешность.

11-ой канал

Абсолютная погрешность. Относительная погрешность.

12-ой канал

Абсолютная погрешность. Относительная погрешность.

Аналогичные расчеты произведем для 2-го, 3-го и 4-го циклов передачи. Результаты расчетов сведем в таблицу 5.1.

Цифровые сигналы передаются по разным линиям связи - кабельным, радиорелейным, волоконно-оптическим, спутниковым. В зависимости от используемой среды распространения, сигналам в линии придают различный вид, при котором параметры сигнала в наибольшей степени согласованы с параметрами линии. Преобразование потока импульсов в код линии происходит в устройстве согласования с линией.

Сигнал на выходе формирователя импульсов представляет собой последовательность однополярных импульсов. Энергетический спектр этой последовательности импульсов зависит от формы используемых импульсов и от статистических характеристик импульсного потока, определяемых свойствами кодируемого сигнала и типом кода.

Во избежание искажений этого сигнала из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик линейного тракта и трудностей выделения тактовой частоты применяют дополнительное преобразование двоичного цифрового сигнала. Эта операция часто называется линейным кодированием. Она позволяет заменить цифровой поток в виде сигнала, характеристики которого в большей степени соответствуют параметрам линии. Полученный в результате преобразования сигнал называют кодом линии.

К коду линии предъявляют следующие основные требования:

1) Однозначность декодирования. Это означает, что из кода линии должна однозначно формироваться исходная последовательность двоичных импульсов;

2) В энергетическом спектре сигнала должны быть ослаблены низкочастотная и высокочастотная составляющие;

3) В сигнале должна быть обеспечена высокая плотность импульсов, т.е. число импульсов должно быть существенно больше числа пробелов.

Для большей концентрации энергии сигнала в области средних частот, т.е. для ослабления роли его низкочастотных и высокочастотных составляющих, успешно применяются квазитроичные (трехуровневые) коды. При использовании квазитроичных кодов линейный сигнал в каждом тактовом интервале может принимать одно из трех возможных значений: +1, 0, - 1, выраженных соответственно положительным импульсом, пробелом или отрицательным импульсом, которые с целью упрощения будем обозначать соответственно +, 0, - . Решающее устройство регенератора должно распознавать три возможных уровня сигнала. Однако это не значит, что для нумерации уровней квантования применяется троичная система счисления - кодирование остается двоичным, лишь на входе линии двоичный сигнал преобразуется в квазитроичный.

Во многих случаях исходный двоичный сигнал преобразуется в код линии делением последовательности двоичных импульсов на группы и заменой каждой из этих групп кодовой комбинацией кода линии с другим основанием. Такие коды принято обозначать двумя буквами и двумя цифрами. Первая цифра определяет, какое число импульсов исходного кода входит в перекодируемую группу. Затем следует буква В (binary), указывающая на двоичное основание системы счисления исходного кода. Вторая цифра соответствует числу импульсов в каждой кодовой комбинации кода линии. Наконец, вторая буква обозначает основание системы счисления: Т - троичное (ternary), Q - четверичное (quaternary) и т.д.

Примером кода 2В2Т является парно-избирательный троичный (ПИТ) код. В процессе его формирования входной двоичный сигнал разбивается на пары импульсов и каждой такой паре ставится в соответствие пара троичных импульсов нового кода линии.

Правило формирования ПИТ-кода представлено в таблице 3, из которой видно, что пары импульсов 00 и 11 преобразуются всегда однозначно, а пары 01 и 10 преобразуются таким образом, чтобы положительные и отрицательные импульсы кода 2В2Т встречались одинаково часто. Тогда код 2В2Т оказывается полярно сбалансированным. Код 2В2Т является квазитроичным, поскольку для передачи двоичных импульсов используются три уровня линейного сигнала.

Таблица 6.1 - Формирование кода 2В2Т

При использовании кода 2В2Т не может возникнуть более двух пробелов подряд. Частота следования троичных импульсов у рассмотренных кодов совпадает с тактовой частотой исходного двоичного кода.

Хорошими данными обладает код 4В3Т, Он позволяет снизить скорость передачи импульсов в линии по сравнению с передачей двоичных импульсов на 33 %. Процедура перекодирования в троичный код 4В3Т состоит в отображении четырех двоичных импульсов в три троичных. Из четырех двоичных импульсов могут быть составлены 2⁴ = 16 различных комбинаций, а из трех троичных 3³ = 27. При построении кодовой таблицы из 27 троичных кодовых комбинаций надо выбрать 16 наиболее благоприятных, т.е. существует значительная гибкость в их выборе. Например, комбинацию, состоящую из трех нулей, целесообразно не использовать, чтобы ограничить число нулей, идущих подряд в цифровом потоке.

В таблице 6.2 представлен один из возможных вариантов преобразования двоичного кода в код передачи 4B3T.

Троичные комбинации в третьем столбце сбалансированы по величине постоянной составляющей (U_пост = 0). Кодовые комбинации из второго и четвертого столбцов для поддержания нулевого баланса постоянной составляющей выбираются поочередно. Если было передано больше положительных импульсов, чем отрицательных, выбирается второй столбец. Когда расхождение между числом положительных и отрицательных импульсов меняется на обратное - выбирается четвертый столбец.

Таблица 6.2 - Формирование кода 4B3T

За четыре цикла передачи для заданных кодов с высокой плотностью следования единиц рассчитать вероятности появления единиц в линейном сигнале по формуле

,

где - количество единиц (+1, - 1) в линейном сигнале за четыре цикла;

- общее количество импульсов (+1, 0, - 1) в линейном сигнале за четыре цикла.

В сигнале 2B2T:

В сигнале 4В3Т:

7. Расчет спектра линейного сигнала

Таблица 7.1 - Результаты расчета энергетического спектра квазитроич - ного кода

Принцип работы передающего устройства поясняет структурная схема системы передачи. Сообщения ₁ (t), ₂ (t),., ₃₄ (t) от 1, 2,., 34 источников информации (абонентов) через фильтры нижних частот (ФНЧ) и усилители низких частот (УНЧ) поступают на канальные амплитудно-импульсные модуляторы АИМ (ключи). С помощью АИМ-модуляторов осуществляется дискретизация передаваемых сигналов времени и формирование группового АИМ-сигнала (гр. АИМ_пер). Управляют работой АИМ_модуляторов последовательности управляющих канальных импульсов УКИ₁-УКИ₃₁, поступающие от генераторного оборудования ГО_пер. На АИМ-модуляторы каналов канальные импульсы подаются поочередно, при этом длительность каждого канального интервала составляет примерно T₀/ (3.4) N₀. Групповой АИМ-сигнал поступает на кодирующее устройство (кодер), которое одновременно с кодированием осуществляет операцию квантования по уровню.

Сигналы управления и взаимодействия (СУВ), передаваемые по телефонным каналам для управления приборами автоматических телефонных станций (АТС), поступают в передатчик СУВ (Пер. СУВ), где они дискретизуются импульсными последовательностями СУВ, следующими от ГО_пер. В результате формируется групповой сигнал передачи СУВ (Гр. СУВ).

В устройстве объединения (УО) групповые сигналы, следующие от кодера передатчика СУВ, а также передатчика синхросигналов (Пер. СС), объединяются, образуя так называемый ИКМ - сигнал. Здесь формируется диаграмма временных циклов системы, определяющая порядок следования циклов в сверхцикле и кодовых групп в цикле передачи.

Сформированный ИКМ-сигнал представляет собой набор однополярных двоичных символов, импульсы которых всегда имеют только одну полярность, и не согласован с параметрами линии. При передачи по линии связи такой сигнал подвержен значительным искажениям и быстро затухает. Поэтому перед передачей в линию однополярный ИКМ-сигнал преобразуется в биполярный линейный ИКМ-сигнал. Это происходит в преобразователе кода передачи ПК_пер.

В процессе передачи по линии связи ИКМ-сигнал периодически восстанавливается линейным регенератором (РЛ). На приеме сигнал восстанавливается станционным регенератором (РС).

Рисунок 8.1 - Структурная схема передающего устройства

Заключение