Материал: Системы многоканальной связи

2. Икм с предсказанием (разностная икм)

При наличии корреляции между значениями сигнала в моменты дискретизации можно уменьшить требуемое число уровней квантования и снизить пропускную способность канала связи, не увеличивая при этом мощности шума квантования, либо сохраняя неизменным число уровней квантования, уменьшить шум квантования. это реализуется при ИКМ с предсказанием.

В данном случае кодируются и квантуются не мгновенные значения кодируемого сигнала в моменты дискретизации, а разность между действительным a(t_i) и предсказанным a*(t_i) значениями сигнала в тактовый момент:

Δ a(t_i) = a(t_i) - a*(t_i)

Предполагается, что при наличии коррелируемых связей между отсчетами разность a(t_i), которую необходимо квантовать будет меньше чем абсолютные значения сигнала.

3. Дифференциальная ИКМ

Если предсказанное значение сигнала в i-ый тактовый момент принимается равным значению сигнала в предыдущий (i –1)-й тактовый момент. Принятый алгоритм предсказания при ДИКМ является достаточно простым, а техническая реализация не вызывает затруднений.

4. Дельта-модуляция

Дельта-модуляция (ДМ, ΔМ) представляет собой разновидность систем с предсказанием, когда кодируется и передается в линию только информация о знаке приращения за тактовый интервал. При большой скорости изменения сигнала возникает искажение формы сигнала – т.н. перегрузка по крутизне.

5. Дельта-модуляция с компандированием

При дельта-модуляции с компандированием шаг квантования в процессе модуляции не остается постоянным, а изменяется в зависимости от параметров передаваемого сигнала.

3. Цифровые методы передачи сигналов

   1. Преимущества цифровых методов передачи

Одним из достоинств цифровой передачи является помехоустойчивость. Цифровой сигнал может быть регенерирован в промежуточных точках линии передачи без потери информации. Достаточно обнаружить импульс «0» или «1» для их регенерации. Очевидно, что необходимо поместить регенератор на таком расстоянии, чтобы он смог их различить.

Система временного уплотнения может привести к увеличению пропускной способности уже существующих кабелей.

По сравнению с многоканальными системами с ЧРК цифровой метод является более экономичным. Большая часть себестоимости образуется от терминального оборудования, число которого может быть сокращено при использовании ИКМ. Цифровые схемы позволяют использовать подузлы с высокой степенью интеграции, что дает выигрыш в цене и надежности. Кроме того, их можно использовать для передачи данных.

2. Структура линейного тракта цифровой системы передачи

Одним из достоинств цифровых методов передачи является возможность их периодической регенерации, т.е. восстановления с заданной точностью амплитуды, формы и временных характеристик цифрового сигнала. Поэтому линейный тракт цифровой системы передачи (ЦСП) содержит специальные устройства для осуществления регенерации. Регенераторы включаются в линию на определенном расстоянии один от другого.

Принцип регенерации следующий:

И сходный сигнал при прохождении по линии искажается по форме, помехи изменяют уровни отдельных посылок и создают импульсы напряжения в те моменты, когда сигнал отсутствовал.

Рис. 1‑5 Принцип регенерации цифрового сигнала

Искаженный сигнал равен сумме прошедшего через линию сигнала a и помехи . Анализируя входное колебание, регенератор в каждый тактовый момент принимает решение о наличии на его входе суммы сигнала и помехи или только помехи. В первом случае регенератор формирует на выходе прямоугольный импульс. В нем полностью устранены искажения формы, полученные при прохождении по линии. Такое решение принимается, если уровень входного сигнала больше некоторого порогового значения a₀. В противном случае принимается решение о наличии на входе регенератора только помехи, сигнал на выходе регенератора не формируется и помеха оказывается подавленной. Вероятность ошибки при регенерации в большой степени зависит от значения порогового уровня a₀.

Р ис. 1‑6 Ошибка регенерации цифрового сигнала при завышенном пороговом з начении а₀

Рис. 1‑7 Ошибка регенерации цифрового сигнала при заниженном пороговом значении а₀

Р ис. 1‑8

Во входном корректирующем усилителе (КУ) регенератора происходит усиление сигнала и коррекция искажений, вносимых предыдущим участком линии. Сигнал на выходе КУ должен иметь форму и напряжение, при которых решающее устройство (РУ) сможет в каждый тактовый момент определить, какой символ (0 или1) поступил на вход регенератора. При передаче цифровых сигналов импульсами постоянного тока РУ представляет собой пороговую схему. Превышение порогового уровня означает наличие на входе «1», обратная ситуация – наличие «0».

Если принято решение о наличии на входе символа «1», формирователь импульсов (ФИ) генерирует прямоугольный импульс, т.о. восстанавливается исходная форма цифрового сигнала. При решении о наличии символа «0» ФИ не формирует сигнал.

Решение и формирование импульсов производится в соответствующие тактовые моменты. Они определяются на основе анализа входного колебания выделителем тактовой частоты (ВТЧ). В простейшем случае ВТЧ представляет собой контур, настроенный на тактовую частоту цифрового сигнала. Чаще ВТЧ содержит собственный автогенератор, частота которого подстраивается под воздействием входного сигнала. Синхронизация работы ФИ от ВТЧ обеспечивает устранение флуктуации временного положения импульсов, возникающих в процессе их передачи.

Т.о. на выходе ФИ имеется полностью регенерированный групповой цифровой сигнал. Принятие решений и формирование импульсов представляют собой функционально разные задачи, но обычно РУ и ФИ конструктивно выполняются в виде одного устройства.

Цифровые сигналы могут передаваться по разным линиям передачи – кабельным, ВОЛС, РРЛ, спутниковым. В зависимости от используемой среды распространения сигналам в линии может придаваться различный вид. При этом параметры сигнала согласуются с параметрами линии.

Преобразование потока символов в код линии происходит в устройстве согласования с линией (УСЛ). Работой УСЛ так же управляет ВТЧ. При передаче по медному кабелю вход и выход регенератора связаны с линией через трансформаторы.

В целом регенератор представляет собой достаточно сложное и дорогое устройство. С целью снижения стоимости и упрощения аппаратуры линейного тракта ЦСП иногда между регенераторами включают обычные усилители. Такой тракт называют гибридным. Гибридный тракт на участке между двумя регенераторами обладает свойствами аналогового, т.е. в нем происходит накопление помех. Поэтому число последовательно включенных усилителей должно выбираться исходя из условия последующей регенерации сигнала с заданной вероятностью ошибки.

3. Методы линейного кодирования

Линейное кодирование используется для оптимизации спектра подаваемого в линию сигнала. Оно должно обеспечить:

- минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах;

- информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала в виде дискретной составляющей, легко выделяемой на фоне непрерывной части спектра;

- непрерывный спектр должен быть достаточно узкополосным для передачи через канал связи без искажений;

- малую избыточность, для снижения относительной скорости передачи в канале связи;

- минимально возможные длины блоков повторяющихся символов ("1" или "0") и диспаритетность (неравенство числа "1" и "0" в кодовых комбинациях).

Для двоичного кодирования число уровней входного сигнала m = 2, а число уровней выходного сигнала n может быть 2 (двухуровневое кодирование) или 3 (трехуровневое кодирование). Двухуровневое кодирование может быть однополярным (+1, 0) и двухполярным, или симметричным (+1, -1); трехуровневое - однополярным (+2, +1, 0) и двухполярным (+1, 0, -1). Например, оптические линии связи требуют однополярных методов кодирования, тогда как электрические линии связи могут использовать как однополярные, так и двухполярные методы кодирования.

Р ис. 1‑9 Примеры линейного кодирования

В различных методах кодирования "1" может быть представлена положительным прямоугольным импульсом на полную или на половинную длину двоичного интервала, или переходом с "+1" на "0" или "-1" (ступенькой вниз) в центре интервала, а "0" - соответствующей длины отрицательным импульсом, или отсутствием импульса, или обратным переходом с "-1" или "0" на "+1" (ступенькой вверх) в центре интервала.

Для ограничения длины блоков повторяющихся символов типа "11...11" или "00...00" может использоваться инверсия полярности импульсов кодовой последовательности, обозначаемая ниже буквой "V". Наряду с инверсией иногда используются вставки (дополнительные символы определенной полярности, обозначаемые ниже буквой В), позволяющие сохранить паритет кодовой комбинации.

Для обеспечения контроля за коэффициентом ошибок без перерыва связи применяется код с чередованием полярности импульсов ЧПИ (Alternate Mark Inversion – AMI). Он представляет собой двухполярный трехуровневый код с инверсией полярности сигнала на каждой второй передаваемой единице. Это позволяет устранить постоянную составляющую из спектра сигнала, т.к. средний уровень такого сигнала равен нулю.

При использовании кода ЧПИ упрощается процесс выделения тактового сигнала в регенераторах. Кроме того обеспечивается проверка четности: обнаружение двух последовательных импульсов одной полярности означает ошибку. Основным недостатком кода ЧПИ является возможность появления длинных последовательностей нулей, что может вызвать потерю синхронизации в регенераторах. Для преодоления этого недостатка могут применяться как алфавитные, так и неалфавитные коды.

В неалфавитных кодах изменение исходной последовательности происходит при определенных условиях. Например в двухполярном коде высокой плотности порядка 3 HDB3 (High-Density Bipolar code of order 3) каждый блок "0000" заменяется на блок "000V" или "B00V" , где В - вставка импульса "1" выполняемая так, чтобы число В импульсов между последовательными V импульсами было нечетным. В результате формируется трехуровневый код. Соответственно в коде HDB2 каждый блок "000" заменяется на блок "00V" или "B0V".

В алфавитных кодах исходная последовательность делится на группы, которые преобразуются по определенному правилу (алфавиту). В результате получают группы символов с другим основанием счисления и другим числом тактовых интервалов. В качестве примера можно привести алфавитные коды 3В2Т, 4В3Т, 2B1Q. Первые цифра и буква в названии кода указывают число символов и основание счисления исходной группы (B – binary, т.е. двоичное). Следующие цифра и буква указывают число символов и основание счисления результирующей группы (T – ternary, т.е. троичное и Q – quaternary, т.е. четверичное).

Многоуровневые коды позволяют получить более высокие скорости передачи двоичных сигналов по сравнению с двухуровневыми.

4. Параметры стандартных систем икм

В качестве стандартных признано несколько реализаций ИКМ систем:

• Т1 - 24-канальная система с выходным потоком Т1 = 1544 кбит/с, распространена в Северной Америке, Японии и некоторых странах юго-восточной Азии, ITU-T Rec. G.733;

• U.K. - 24-канальная система с выходным потоком 1536 кбит/с, применяется в Великобритании;

• СЕРТ (Европа) - 30-канальная система с выходным потоком Е1 -= 2048 кбит/с, распространена в Европе и большинстве других странах мира, описана в ITU-T Rec. G.732

Из вышеупомянутых систем в России нашла применение только система ИКМ-30, т.к. она является наиболее распространенной в мире. Кроме того, на российских сетях используются специфические системы ИКМ-15, ИКМ-12 и т.п.

1. Система икм-30

Как отмечалось выше, импульсно-кодовая модуляция включает в себя 3 операции:

1. дискретизация

2. квантование

3. кодирование

Критерием качества передачи аналогового сигнала является отношение сигнал/шум: Р _сиг/Р _шум . Если рассматривать зависимость этого отношения от мощности полезного сигнала, то оно равномерно возрастает, т.к. сигнал ошибки не зависит от мощности полезного сигнала. Таким образом, наиболее уязвимой является передача сигналов низкого уровня. Чтобы избежать этого в системе ИКМ-30 используют нелинейное квантование. Нелинейное квантование обеспечивается динамическим сжатием сигнала. Этим достигается уменьшение интервалов квантования для сигналов с небольшой амплитудой и увеличение интервалов квантования сигналов с большой амплитудой. Это позволяет сделать сравнительно постоянными относительные ошибки квантования независимо от частоты. В ИКМ-30 для компрессии сигнала используется А-закон:

y = sqn(x)[z/(1+lnA)]

где x – вход;

y – выход;

z=A|x| для 0≤x≤1/A или z=1+lnA|x| для (1/A)≤|x|≤1

А=87,6

Максимальная амплитуда делится на семь сегментов с границами: 0; 1/64 V_max; 1/32 V_max; 1/16 V_max; 1/8 V_max; 1/4 V_max; 1/2 V_max; V_max.

Поскольку амплитуда может изменяться от -V_max до +V_max, то закон симметричен относительно начала координат.

Для кодирования используется двоичный код, следовательно, 8-ми битная выборка обеспечивает 256 ступеней квантования. Первый сегмент имеет 32 ступени квантования или 1/2048 V_max. . При этом 8-ми битовая комбинация имеет следующую структуру:

S A B C X Y Z T,

где S знак сегмента;

A B № сегмента;

C X Y Z T № интервала в сегменте.

Для второго и последующих сегментов используется 16 ступеней квантования:

S A B C X Y Z T,

где S знак сегмента;

A B C № сегмента;

X Y Z T № интервала в сегменте.

Рис. 1‑10 Диаграмма кодификации системы ИКМ-30

Цикл ИКМ-30 состоит из 32 временных интервалов, из которых 30 используются для организации речевых каналов. Длительность цикла составляет 125 мкс. Длительность одного временного интервала – 3,9 мкс. Каждый временной интервал содержит 8-ми битовую комбинацию, соответствующую информации одного канала. Кроме того, два канала являются служебными. ВИ №0 используется для синхронизации генераторного оборудования оконечных станций системы. ВИ №16 служит для передачи линейных управляющих сигналов, необходимых для установления соединения по каждому речевому каналу. Здесь первые 4 бита (a, b, c, d) используются для передачи сигнализации одного разговорного канала. Следующие 4 бита (a’, b’, c’, d’) используются для передачи сигнализации другого разговорного канала. В следующем цикле через 125 мкс передается сигнализация, относящаяся к другой паре разговорных каналов. 16 циклов составляют сверхцикл, в течении которого производится однократная передача сигнализации для всех 30 разговорных каналов. Для определения номера цикла в сверхцикле в ВИ №16 нулевого цикла передается сверхцикловой синхросигнал, от которого ведется отсчет сигнальных каналов. Скорость передачи информации по одному к аналу составляет 64 кбит/с, т.о. общая скорость передачи потока ИКМ-30 равна 2,048 Мбит/с.