Предлагаемые материалы:

Каналы, разделенные во времени

Дополним рассказ о системах передачи рассмотрением еще одного метода организации многоканальной связи, имеющего принципиальное значение для будущего электросвязи.

Выше достаточно подробно было рассказано, как образуются аналоговые многоканальные системы с разделением каналов путем размещения каждого в своем частотном диапазоне. Такой способ годится для любого вида информации, передаваемой как в аналоговом, так и в дискретном виде. Но оказывается, что, преобразовав электрические сигналы в дискретную форму, мы получаем возможность создать многоканальную систему с разделением каналов не по частоте, а по времени. Создание такой системы оказалось возможным в связи с изобретением методов преобразования, позволяющих любой аналоговый сигнал передавать в виде последовательности двоичных сигналов, т. е. в виде дискретного бинарного сигнала, из которого обратным преобразованием может быть с достаточно высокой точностью восстановлен исходный аналоговый сигнал.

Процесс преобразования аналогового сигнала в дискретный осуществляется следующим образом (рис. 3). Сначала непрерывный аналоговый сигнал представляют как последовательность узких импульсов, «вырезанных» из него через интервалы времени, равные половине периода самой высокой частоты, содержащейся в аналоговом сигнале. Например, если взять для звука речи верхнюю частоту 4000 Гц, то половина ее периода равна 1:4000:2= =125х10~6 с, т. е. 125 мкс (рис. 3, а).

Оказывается — и это доказано строго математически,— что если на приемный конец линии вместо полного сигнала поступят только эти узкие импульсы, то по ним можно совершенно точно восстановить исходный информационный сигнал. Но эти импульсы еще не являются двоичными сигналами. Чтобы их превратить в таковые, надо каждый импульс «измерить» по высоте, а затем число, полученное в результате измерения, представить в некотором двоичном коде, состоящем из группы бинарных

сигналов (бит), которые и посылаются в линию (рис. 3, б). На другом конце линии специальные устройства на основании принятого кода восстанавливают амплитуду каждого импульса, после чего из этих импульсов восстанавливается исходный аналоговый сигнал. Точность восстановления аналогового сигнала зависит от того, с какой точностью измерены импульсы, его характеризующие. А эта точность зависит от числа бит используемой группы.

Действительно, двоичным кодом мы можем представить только целые цифры, например при пятизначном коде цифры 0, 1, 2, ... и до 31, при шестизначном — от 0 до 63, при семизначном — от 0 до 127, при восьмизначном— от 0 до 255. Это легко проверить из соотношения: число цифр, включая ноль, равно 2W, где п — количество знаков в коде.

В то же время высота импульса исходного сигнала может иметь и не целые значения. В результате сигнал, который на передающем конце был непрерывным, на примере будет представлен в виде некоторой ступенчатой кривой, измеряемой целыми числами. Чем меньше знаков в коде, тем грубее будут ступеньки и, следовательно, тем хуже точность отсчета, и наоборот, чем больше знаков в коде, тем точнее отсчет импульса. Ступенчатость аналогового сигнала, восстанавливаемого из бинарного сигнала, эквивалентна тому, что в исходном сигнале появляется некоторая помеха, называемая шумом квантования. Естественно, что чем больше знаков имеет код, тем меньше шум квантования.

Для передачи речи достаточно восьмизначного кода (256 значений отсчета амплитуды). При применении такого кода вместо каждого «вырезанпого» из аналогового сигнала импульса (которые, как мы уже выяснили, следуют один за другим через 125 мкс) в линию посылается восемь единиц и нулей в некоторой комбинации (т. е. один байт), характеризующей- высоту каждого импульса *. Легко подсчитать, сколько пулей п единиц передается в течение одной секунды, т. е. скорость передачи сигнала речи в двоичном коде. Количество «вырезанных» из аналогового сигнала импульсов в секунду равно 1:125 :10"в=8.103, вместо каждого импульса посылается за то же время восемь единиц или нулей, т. е. общая скорость передачи речи в двоичном коде равна 8»8.103=64 килобита в секунду.

Идентичным образом можно превратить в двоичный сигнал любые из аналоговых сигналов — сигналы телевидения, радиовещания, фототелеграфа, передачи газет и др.

Цифровизация информационных сигналов явилась основой для многоканальных систем передачи, построенных по принципу разделения каналов не по частоте, а по времени.

Действительно, человеческая речь может быть передана в виде последовательности байтов, поступающих в линию со скоростью 8000 раз в секунду, т. е. через 125 мкс. Но мы не оговаривали, какова должна быть продолжительность каждого байта во времени (лишь бы для речевого сигнала его протяженность не превышала 125 мкс). Можно передавать речевой сигнал с помощью последовательности весьма коротких байтов, которые на приемном конце растягиваются до любой нужной протяженности. Предположим, что мы доведем протяженность байта во времени до 4 мкс (т: е. каждый бит в этом байте будет занимать 4 : 8=0,5 мкс). В результате этого в линии в каждом интервале времени протяженностью 125 мкс будет занято лишь 4 мкс. В остальные 121 мкс линия будет свободна от электрических импульсов. Почему же не занять это время для передачи сигналов такого же типа, но полученных от других разговоров? Если на каждый байт этих других сигналов тоже занять по 4 мкс *, то можно вставить туда еще 31 разговор и получить одновременно 32 телефонных канала в одной линии. Отделить эти каналы один от другого на приемном конце можно с помощью специальных временнйх фильтров. Таким образом получим систему передачи на 32 канала.

Системы передачи, построенные по принципам разделения каналов по времени, в отличие от аналоговых систем передачи с частотным разделением каналов называются цифровыми системами передачи. В цифровых системах через линию передаются не аналоговые сигналы, а стан-дартизованныепо форме бинарные сигналы **. Естественно, что при этом изменяются функции усилителей, которые устанавливаются на линии.

Теперь задача каждого усилителя регенерировать до стандартного вида поступающие на его вход ослабленные и искаженные линией сигналы. На выходе усилителя, который в данном случае называется регенератором, эти сигналы как бы заново возрождаются. В результате помеха вдоль линии накапливается иначе, чем это имеет место в аналоговых системах с частотным разделением каналов: когда амплитуда помехи достигает величины половины полезного (т. е. несущего информацию) импульса, возможно его «выбивание» или создание ложного импульса (что вызывает щелчок при передаче звука).

Для получения хорошего качества передачи телефонной речи число возможных ошибочных импульсов должно быть не5 более одного на каждые 100 тыс. импульсов, т. е. вероятность появления ошибочного импульса не должна превышать 10"5. При вероятности ошибки 10~в качество передачи — отличное. Отметим, что такая величина обеспечивает достаточно хорошее качество и для дискретных сигналов передачи данных.

Если в линии присутствуют только тепловые шумы, ^вероятность ошибки 10~в требует, чтобы они на 19^7 дБ были ниже полезного сигнала. Это условие соблюдалось бы, если бы в "линии был один регенерационный^ участок, при наличии же многих регенераторов ошибки, возможные в каждом из них, не исчезают и последовательно складываются.

Однако это не очень сильно влияет на величину допустимого соотношения сигнала и помехи. Если взять, например, линию, содержащую 1000 регенераторов, то вероятность ошибки на входе каждого из них должна быть в 1000 раз меньше, чем ошибка всей линии в целом, т. е. 10"в. 10"3=10~9. Но этому значению ошибки соответствует допустимое соотношение сигнала и помехи 21,7 дБ. Следовательно, уровень помехи на входе каждого из 1000 регенераторов (это может быть, например, линия длиной 3000 км) надо понизить на 21,7—19,7=2 дБ по сравнению с линией, имеющей всего один регенератор (3 км!). Отсюда следует, что цифровые системы передачи позволяют организовать каналы, качество которых почти не изменяется с увеличением длины линии.

Если для сравнения взять аналоговую систему, то в ней мощность помехи в каналах существенно увеличивается по мере увеличения длины линии. Это видно из простого расчета. Если увеличить количество усилительных участков такой линии вдвое, то мощность помехи тоже возрастает вдвое и соотношение мощности сигнал— помеха ухудшится на 3 дБ. Если увеличить количество участков, как это было сделано в предыдущем примере, от одного до 1000 (точнее 1024), то это будет соответствовать десятикратному удвоению и, следовательно, уровень помехи возрастет на 3x10=30 дБ. Таким образом, при некоторой выбранной длине расстояния между усилителями в аналоговой системе передачи соотношение между полезным сигналом и помехой будет существенно ухудшаться по мере увеличения протяженности линии.

Как видим, в этом отношении цифровые системы передачи существенно превосходят аналоговые. Однако здесь следует отметить, что расстояния между регенераторами в цифровых системах выбираются обычно в 2—3 раза меньшими, чем между усилителями в аналоговых системах, имеющих то же количество каналов тональной частоты. Это вызвано тем, что частотный диапазон каждого канала цифровых систем в 16 раз шире диапазона аналогового канала. Ведь скорость передачи сигналов для одного канала в цифровых системах 64 кбит/с, и если считать, что каждый бит требует полосы в 1Гц, то это соответствует полосе 64 кГц. Следовательно, мощность тепловой помехи в расчете на канал тоже возрастает в 16 раз, т. е. гна 12 дБ. Кроме того, затухание кабеля, которое возрастает пропорционально корню квадратному из частоты, при увеличении спектра в 16 раз увеличится в 4 раза. В результате— увеличение числа регенераторов по сравнению с числом усилителей в аналоговых системах.

Однако регенераторы проще усилителей и, кроме того, цифровые системы принципиально более помехоустойчивы, чем аналоговые, и особенно по отношению к разнообразным помехам импульсного характера. Это объясняется многими причинами, в том числе и тем, что эти системы не боятся перегрузок, вызывающих в аналоговых системах возникновение влияний между каналами. На некоторых линиях, например на городских многопарных телефонных кабелях, где помехи в основном вызываются внешними причинами, в первую очередь «наводками» с других линий, выигрыш цифровых систем в помехоустойчивости проявился особенно сильно. Именно здесь они были впервые использованы для повышения пропускной способности линий.

Вернемся теперь к рассмотренному выше примеру цифровой системы передачи на 32 канала. Такая система была создана, причем в ней в качестве рабочих было использовано 30 каналов, а 2 отданы для служебных нужд.

Эта система явилась основным блоком, на основе которого создаются цифровые системы передачи большей мощности (пропускной способности) на 120, 480, 1920 и более каналов. Описанный метод организации каналов с разделением во времени называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), и поэтому указанные системы обозначаются как ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920 и т. д. Заметим, что пропускную способность ИКМ-систем часто выражают максимальной скоростью передачи бинарных сигналов. При этом имеется следующее соотношение числа каналов и максимальных скоростей передачи: ИКМ-30 — 2,048 Мбит/с, ИКМ-120 - 8,448, ИКМ-480 - 34,368, ИКМ-1920 - 139,264 Мбит/с.

Системы ИКМ уже сейчас начинают широко использоваться во всем мире, причем для их создания применяются как симметричные кабели (для систем до 480 каналов), так и коаксиальные (для всех типов систем). ИКМ-системы используются и на других линиях (радиорелей-ных, через спутники связи). Особенно они подходят для волоконно-оптических линий (о чем мы поговорим ниже).

Отметим, что принципиально возможно сократить спектр, занимаемый в линии сигналом ИКМ. Для этого, например, можно передавать не квазитроичные (—1, О, +1), а пятиричные сигналы (—2, —1 0, +1, +2). При этом спектр частот, определяемый длительностью импульса в линии, сократится примерно в два раза,; но зато ухудшится соотношение сигнал—помеха, так как импульс может исказиться при помехе с амплитудой,; равной не половине, а четверти амплитуды полезного сигнала.

Появление цифровых систем передачи породило ряд новых проблем, не свойственных аналоговым системам. Среди них отметим две.

Проблема синхронизации, т. е. одновременного поступления импульсов при соединениях разных частей систем или последовательном включении разных систем. Чтобы, например, организовать сквозной канал через две системы, включенные последовательно одна за другой, надо, чтобы на шкале времени места импульсов соединяемых каналов точно совпадали. Другими словами, связанные друг с другом системы должны быть синхронизированы, При несовершенной системе синхронизации некоторая часть информации, передаваемая в виде потока двоичных сигналов, может быть потеряна. Если при этом теряется один цикл (125 мкс), считают, что имеет место проскальзывание частоты. При расчете точности синхронизации допускают (с учетом возможности передачи данных) не более одного проскальзывания за 5 ч работы сквозного канала. Для обеспечения этого используют различные методы взаимной увязки генераторов разных систем, управляемых от одного или нескольких высокостабильных (например, цезиевых) генераторов.

Проблема дрожаний импульсов (джиттер). При длинных линиях связи из-за неточного (во времени) восстановления импульсов регенераторами эти импульсы в конце линии случайным образом меняют свое местоположение на шкале времени по отношению к тем моментам, когда они должны возникнуть в идеальном случае. Появляется дрожание имиульсов — так называемый джиттер. С помощью некоторых мероприятий его удается удерживать в пределах 5% от протяженности импульса.

Цифровая система с дельта-модуляцией

Импульсно-кодовая модуляция была изобретена в конце 30-х годов и уже в послевоенные годы начала широко применяться в системах передачи. Однако в начале

Рис. 4. Образование цифрового^ка-нала методом дельта-модуляции

50-х годов появился еще один вид цифровой передачи информации, использующий так называемую дельта-модуляцию.

Принцип дельта-модуляции поясняет рис. 4. Он заключается в том, что аналоговый сигнал 1 сначала превращается в ступенчатую функцию 2 (рис. 4, а), вместо которой

в линию передаются стандартизированные импульсы, создаваемые синхронно с каждой ступенькой (рис. 4, б). Если сигнал возрастает (ступеньки идут вверх), создаются положительные импульсы, если убывает (ступеньки идут вниз) — отрицательные. По существу происходит процесс приближенного {-дифференцирования сигнала,; а импульсы в линии отображают его производную как функцию времени. Значит, чтобы восстановить исходный аналоговый сигнал надо на приемном конце произвести интегрирование приходящих из линии импульсов. При этом теряется лишь постоянная слагающая функции, которая и не нужна, поскольку она все равно теряется, если в схеме линии или усилителя есть трансформатор. Импульсы, которые посылаются в линию, могут^быть очень узкими и временное пробелы между ними могут быть заполнены импульсами от других аналоговых сигналов — точно так же, как это делается при импульсно-кодовой модуляции. В результате создается многоканальная система передачи с дельта-модуляцией.

Частота повторения импульсов может быть такой же, как и при импульсно-кодовой модуляции — 64 кбит/с (т. е. период повторения т=125 мкс). Но оказывается (и это подтверждено экспериментом), качество передачи почти не ухудшится при частоте 32 кбит/с (т=250 мкс) и даже при более низкой.

Особенностью дельта-модуляции являются более простые кодирующие и декодирующие устройства по сравне-иию с применяемыми при импульсно-кодовой модуляции и большая устойчивость по отношению к некоторым видам помех. К недостаткам относится наличие (кроме шума квантования) искажений из-за пропадания части сигнала, если его возрастание идет быстрее, чем возрастают ступеньки (на рис. 4 выпадающая при этом часть сигнала заштрихована).

Обычно при дельта-модуляции для передачи в линию используются только положительные импульсы, а отрицательные заменяются нулями (рис. 4, в). При прохождении импульсов через линию применяются такие же знакопеременные коды, как и при импульсно-кодовой модуляции.

Несмотря на то, что системы передачи с импульсно-кодовой модуляцией уже широко распространены, системы с дельта-модуляцией тоже находят применение, особенно в сетях специального назначения, не связанных непосредственно с общей сетью. Возможности существенного сжатия спектра при дельта-модуляции широко используются в сетях связи, где допускаются каналы с различными качественными показателями, применяются устройства компрессирования речи и другие специальные устройства. Как и при импульсно-кодовой модуляции системы с дельта-модуляцией могут использоваться также при передаче сигналов телевидения, радиовещания п др.


..Следующая страница->