Для полного разделения канальных сигналов необходимо, чтобы характеристики полосовых фильтров были идеальными. Так как у реальных фильтров крутизна нарастания затухания ограничена, то между каналами могут возникнуть переходные помехи. Для уменьшения их до допустимых значений между спектрами канальных сигналов вводятся защитные частотные интервалы (рис. 1.2.3). Например, при передаче разговорных сигналов защитный частотный интервал составляет 0,9 кГц.
При временном способе разделения каналов по цепи передаются периодические последовательности очень коротких импульсов, амплитуды которых равны величинам мгновенных значений канальных сигналов.
Рисунок 1.2.3.
После импульса первого канала передается импульс второго, третьего и т. д. до последнего канала, после чего цикл передачи повторяется.
Достаточно просто временное разделение осуществляется, если по каналам передается последовательность импульсов. Интервалы между двумя соседними импульсами одного и того же канала используются для передачи импульсов других каналов.
При передаче по каналам непрерывных сигналов (например, речевых) последние необходимо подвергнуть дискретизации по времени.
В результате дискретизации, осуществляемой методом АИМ, непрерывные сигналы преобразуются в последовательности импульсов разной амплитуды. После этого временное разделение происходит так же, как и при передаче импульсных сигналов. В линию передачи сначала посылается импульс (отсчет непрерывного сигнала) первого канала, затем второго и т. д. до канала N, после чего опять передается импульс первого канала и процесс периодически повторяется.
Упрощенная структурная схема многоканальной системы передачи с ВРК приведена на рис.1.2.4. Исходные непрерывные сигналы каждого канала после ограничения спектра фильтром нижних частот поступают на ключи , осуществляющие дискретизацию этих сигналов. Работой ключей управляет периодическая последовательность импульсов, вырабатываемая генераторным оборудованием ГОпер. Частота следования этих импульсов равна частоте дискретизации, которая согласно теореме Котельникова должна быть не менее удвоенного значения наивысшей частоты спектра непрерывного сигнала , т. е. . Период следования канальных импульсов
Импульсные последовательности, управляющие работой электронных ключей различных каналов, сдвинуты относительно друг друга на равные временные интервалы, величина которых определяется периодом следования канальных импульсов и числом каналов в системе. За каждый период происходит однократное замыкание ключей каждого канала. В момент замыкания ключа в линию передается мгновенное значение (отсчет) канального сигнала. Последовательности отсчетов канальных сигналов образуют групповой АИМ-сигнал.
На приемной оконечной станции разделение канальных сигналов осуществляется ключами Работой ключей управляет последовательность импульсов, вырабатываемая . Для того чтобы передаваемый сигнал поступил в соответствующий приемник, необходимо, чтобы электронные ключи передающей и приемной станций работали синхронно и синфазно.
Рисунок 1.2.4. Упрощенная структурная схема многоканальной системы передачи с ВРК
С этой целью с передающей оконечной станции на приемную передается специальный сигнал синхронизации СС, обеспечивающий согласованную во времени работу ГО обеих станций. Восстановление исходного (непрерывного) сигнала из последовательности амплитудно-модулированных импульсов (отсчетов этого сигнала) осуществляют фильтры нижних частот.
1.3 Обобщенная структурная схема ЦСП
Рисунок 1.3.1 Обобщённая структурная схема ЦСП
В системах ЦСП неважно, какой вид имеет первичный сигнал. Всё равно его преобразуют в цифровой. Исходный (первичный) сигнал ограничивается по спектру ФНЧ, затем подвергается дискретизации (АИМ).
Объединив N-первичных дискретизированных их подвергают квантованию (КВ) и далее преобразуют в цифровой кодированный сигнал (АЦП). С выхода АЦП получаемый ИКМ сигнал объединяется с необходимыми сигналами сигнализации, сигналами синхронизации (СС), дискретной информации (ДИ) и сигналами управления и взаимодействия (СУВ). В результате объединения их в формирователе цикла (ФЦ) образуется цикл передачи определённой структуры. Если используются высокоскоростные системы передачи, то полученные цикловые сигналы могут объединяться с подобными же от других каналов, тем самым осуществляется временное группообразование (ВГ) - мультиплексирование.
Здесь циклические последовательности от каждого канала выстраиваются в определённом порядке. При мультиплексировании объединяются М относительно низкоскоростных потоков в один, в котором за то же время нужно передать в М раз больше символов. Значит общий групповой поток будет более скоростным.
Мультиплексор должен осуществлять согласование скоростей объединяемых потоков, а они могут быть не совсем одинаковыми, т.к. получены от разных источников, аппаратуры, линии связи. Из-за неполного согласования низкоскоростных составляющих возникают их сдвиги во времени относительно друг друга, что приводит к фазовому дрожанию цифрового сигнала и даже возможна ситуация потери моментов начала каждого цикла, т.е. потеря синхронизации. Поэтому вопросам синхронизации в ЦСП уделяют особое внимание.
Последним звеном на передающей стороне служит устройство преобразователь кода (ПК), преобразующее ИКМ сигнал в кодовую комбинацию, наиболее оптимальную для данного вида линии связи. В промежуточных пунктах цифрового линейного тракта осуществляется регенерация (Рег) цифрового сигнала. На приёме ПК производит обратное преобразование линейного кода в двоичный групповой сигнал.
Устройство временного разделения (ВР) - демультиплексор разделяет высокоскоростной поток на низкоскоростные компоненты из которых в блоке выделения служебных сигналов (ВСС) выделяются сигналы синхронизации, управления и взаимодействия. Из АИМ гр после ЦАП с помощью временного селектора (ВС) выделяются индивидуальные канальные сигналы АИМ. Сам сигнал восстанавливаются из АИМ с помощью ФНЧ.
Рассмотрим принципиальные трудности, приводящие к ухудшению качества передачи и появлению ошибок. За счёт взаимной несинхронизированности исходных низкоскоростных ИКМ сигналов не бывает стабильным их взаимное временное положение, что, как уже говорилось выше, приводит к фазовым искажениям (дрожанию-джиттеру сигнала). Для выравнивания скоростей поступающих компонентных сигналов (в виде циклового фрагмента), в мультиплексоре используют буфера-регистры. В линейном тракте качество передачи и ошибки могут появиться как за счёт искажения формы сигнала в линии, так и за счёт различных наводок. При этом могут возникать ошибочные символы, приводящие к появлению ошибочного “0” или “1” в цикле, что может изменить всю временную структуру группового сигнала. Частота появления ошибочных символов в линейном тракте с регенераторами обычно не велика, но имеется всегда. Эти искажения появляются на слух в виде щелчков, а в цифровой аппаратуре (например, в компьютере) приводит к ошибкам в информации. Передающая сторона передаёт биты с определённой тактовой частотой. Для выделения этой частоты на приёмной стороне и на регенераторах в каждом цикле есть определённые (по месту во времени) слоты синхронизации. Но аппаратная нестабильность и нестабильность (например, температурная) физических линий связи, приводят также к джиттеру сигналов синхронизации. Из-за этого тактовая частота на приёмной стороне несколько отличается от передаваемой, что тоже приводит к искажению восстанавливаемого сигнала.
На приёме при обратном преобразовании линейного кодового сигнала в ИКМ сигнал любая ошибка позволяет размножение их в ИКМ сигнале с коэффициентом, где Р - вероятности. В процессе временного разделения (ВР) -демультеплексирования в случае ошибочного приёма команд согласования скоростей цикловых фрагментов (компонентных сигналов) может произойти потеря синхронизации, что приведёт к невозможности расставить компонентные сигналы во времени по своим местам, т.е. произойдёт нарушение связи по всем каналам компонентных потоков.
Для устранения этого явления разработаны специальные кодовые комбинации и специальные устройства отслеживания синхронизации, которые при потере синхронизации за минимально возможное время (обычно это мс) восстанавливают синхронизацию. Но всё равно происходит сбой и ошибки. Сигналы синхронизации и управления выделяются блоком ВСС. В ЦАП возникают свои искажения-формы сигнала. Возникновение ошибок и искажений в ЦСП можно разделить на два больших класса: Искажения, возникающие в оконечной аппаратуре в процессе дискретизации, квантования, кодирования и согласования скоростей. Искажения, появляющиеся в линейном тракте в процессе регенерации (случайные ошибки, джиттер).
1.4 Модуляция сигналов
Практически в любом радиотехническом устройстве информация передается электромагнитными колебаниями, частота которых значительно выше частоты информационного сигнала (например, голоса человека, изменения физической величины производственного объекта и др.). В связи с этим возникает необходимость каким-либо образом изменять параметры передающего сигнала в соответствии с законами изменения параметров информационного сигнала. Чаще всего изменяемыми параметрами являются амплитуда, фаза и частота. Также довольно распространенным способом передачи информационного сигнала является перенос изменения его параметров в область высоких частот, но не постоянным сигналом, а в виде раздельных посылок определенной длительности.
Такие виды преобразования в общем виде можно разделить на два основных типа: линейные и нелинейные. Линейные могут приводить только к изменению амплитуд и фаз в спектре сложного сигнала, в нелинейных же цепях протекают более сложные преобразования, которые приводят к изменению самого состава спектра сигнала. С точки зрения анализа электрических цепей, к линейным относятся те цепи, параметры которых не зависят от токов и напряжений действующих в них. Те цепи, в которых изменение токов и напряжения приводят к изменению активных и реактивных сопротивлений элементов, вследствие чего напряжения и токи не пропорциональны друг другу, а связаны более сложными зависимостями, относятся к нелинейным.
Под модуляцией понимается процесс преобразования информационного, в общем случае низкочастотного, сигнала в высокочастотный сигнал, предназначенный для передачи по радиолинии, с изменением каких-либо его параметров в соответствии с передаваемым сигналом. Сигнал сообщения или информационный сигнал принято называть модулирующим. В качестве модулируемого используется высокочастотный сигнал определённой частоты, который называется несущей. Процесс, обратный процессу модуляции, называется демодуляцией.
1.5 Амплитудная модуляция
Наиболее простым видом модуляции является амплитудная модуляция (AM), когда в качестве несущей и модулирующего сигналы используются сигналы простой тригонометрической формы - синусоидальные:
SНЕС (t) = SНЕС cos?нt (1.5.1)
И
SC(t) = SC cosЩt (1.5.2)
соответственно. При AM амплитуда несущего высокочастотного колебания трансформируется пропорционально изменению модулирующего сигнала по закону:
SAM(t) = SНЕС + SC cosЩt, (1.5.3)
Согласно чему, уравнение АМ сигнала примет вид:
SAM(t) = SAM(t)cos?Нt = (SНЕС + SCcosЩt) cos?Нt = SНЕС(1 + m cosЩt) cos?Нt, (1.5.4)
Где m = называют коэффициентом глубины модуляции, показывающим во сколько раз амплитуда модулирующего сигнала отличается от амплитуды несущей. Значение величины m берут в диапазоне [0,1] (рисунок 1.5.1. а, б). При условии m > 1 возникает перемодуляция (рисунок 1.5.1. в), которая может вызывать искажения оригинального сигнала сообщения при демодуляции.
Рисунок 1.3.1. Вид AM сигнала с различными значениями коэффициента глубины модуляции
Несложно заметить, что, согласно формуле(1.5.4), в AM колебании не одна частотная составляющая, а, следовательно, сигнал с AM занимает некий участок частотного диапазона. Для его нахождения применим к формуле(1.5.4.) следующее соотношение:
сosбcosв = cos (б+в) + cos (б - в), (1.5.5)
Тогда, применительно к нашему случаю, получим:
SAM(t) = SHEC cos?H t + m SHEC cos(?H + Щ)t + m SHEC cos(?H - Щ)t. (1.5.6)
Из (1.5.6) следует, что AM сигнал содержит три гармонических колебания: с несущей частотой (?Н), верхней боковой (?Н + Щ) и нижней боковой (?Н - Щ). Стоит отметить, что амплитуды несущих боковых колебаний в раз отличаются от амплитуды несущего колебания. Амплитудный спектр такого AM сигнала представлен на рисунке 1.5.2.
Рисунок 1.5.2. Амплитудный спектр сигнала вида (1.5.6)
Как видно из рисунка 1.5.2., диапазон частот, занимаемый AM сигналом, расположен между нижней и верхней боковыми частотами, т.е. полоса частот, необходимая для неискаженной передачи сообщения, составляет 2Щ.
Если рассматривать энергию AM сигнала, то она будет равна сумме энергий несущей и боковых сигналов. Энергия сигнала пропорциональна квадрату амплитуды, откуда следует, что энергия AM колебаний вида (1.5.6) пропорциональна
(SHEC)2 + ( m SHEC)2 + ( m SHEC)2 = (SHEC)2 (1 + m2). (1.5.7)
Из чего можно сделать вывод, что AM увеличивает энергию сигнала.