Учебное пособие по дисциплине СиСПИ

говорят, когда источник становится активным. Такое уплотнение называется уплотнением с незакрепленными каналами. Очевидно, для правильного разделения каналов в системах с незакрепленными каналами на приемную сторону необходимо ка- ким-либо образом передать информацию о том, каким источником в данный момент времени использовался каждый принятый канальный сигнал. Другими словами, при незакрепленных каналах необходимо на приемную сторону каким то образом передавать адрес источника, использующего данный канальный сигнал. Поэтому системы с незакрепленными каналами в ряде случаев называют адресными системами, а соответствующие методы разделения каналов — методами разделения с кодовым признаком, например, временное разделение каналов с кодовым признаком (ВРК—КП).

Системы передачи информации с программируемым и автопрограммирумым распределением канальных сигналов, а также системы с незакрепленными каналами, представляют наибольший интерес в тех случаях, когда число уплотняемых источников сообщений велико, и эти источники нестационарны. Программируемое распределение канальных сигналов, как отмечалось выше, целесообразно использовать тогда, когда априорно известно изменение во времени производительности уплотняемых нестационарных источников. Автопрограммируемое распределение канальных сигналов может быть использовано тогда, KOI да априорные сведения о производительности уплотняемых источников отсутствуют, однако известно, что уплотняемые источники кусочно-стационарны, причем длительность интервалов стационарности велика по сравнению со временем, необходимым для измерения с требуемой точностью текущей производительности уплотняемых источников. И, наконец, при использовании уплотнения с незакрепленными каналами не требуется кусочной стационарности уплотняемых источников. Подобные методы уплотнения находят применение при использовании различных адаптивных алгоритмов сжатия

80

данных, из которых наиболее широко распространены предсказатели, в частности, предсказатель нулевого порядка. При этом задача обеспечения активных источников канальными сигналами может решаться методами теории массового обслуживания.

Таким образом, выбор того или иного метода организации многоканальной передачи при линейном уплотнении каналов определяется свойствами уплотняемых источников сообщений и наличием априорных сведений о них. Вместе с тем, очевидно, сложность осуществления операций уплотнения и разделения каналов будет существенно зависеть от выбранного метода многоканальной передачи. Проиллюстрируем это на примере ВРК, которое в настоящее время наиболее широко используется при синхронном линейном уплотнении большого числа источников. Широкое распространение ВРК для этих целей объясняется в основном тем, что устройства уплотнения и разделения, представляющие при ВРК коммутаторы (переключатели) каналов, легко реализуются на современной элементной базе, и, кроме того, нелинейность группового тракта при ВРК не приводит к междуканальным помехам, поскольку в каждый момент времени по групповому тракту при ВРК передается канальный сигнал не более чем от одного уплотняемого источника. Поэтому требования к линейности группового тракта могут быть невысокими, что упрощает практическую реализацию радиосистемы передачи информации.

При ВРК в том случае, когда уплотняемые источники стационарны и их производительность априорно известна, организуют, как правило, циклическое ВРК. При этом, если имеется большой разброс производительностей уплотняемых источников, то используют многоступенчатую суб- и суперкоммутацию каналов. Циклическое ВРК, очевидно, является наиболее простым в реализации, но, вместе с тем, это жесткий метод, не позволяющий изменить частоту опроса источников при изменении их производительности. При этом методе частоту опроса каждо-

81

го источника необходимо выбирать, исходя из его максимальной производительности на протяжении всего сеанса работы радиосистемы передачи информации. Если производительность какого-либо источника уменьшилась по сравнению с максимальным ее значением, то в сообщении, передаваемом по данному каналу при циклическом ВРК, появляется избыточность. На передачу возникающих избыточных данных затрачивается часть пропускной способности радиосистемы и, кроме того, получатель информации вынужден обрабатывать больший объем данных, чем это минимально необходимо. Следует отметить, что во многих случаях возникающая таким образом избыточность является неконтролируемой и не может быть эффективно использована для улучшения помехоустойчивости передачи. Указанные затраты пропускной способности радиосистемы и дополнительная загрузка получателя избыточной информацией являются своего рода ценой за простоту реализации циклического ВРК.

Если уплотняемые источники кусочно-стационарны, причем их производительность на каждом интервале стационарности априорно известна и известны также моменты перехода с одного интервала стационарности на другой, то, как уже отмечалось, целесообразно использовать ВРК с программируемой коммутацией. Команды на смену программ коммутации при этом должны поступать в априорно известные моменты смены интервалов стационарности уплотняемых источников. Этим обеспечивается программное сокращение избыточности, которая могла бы иметь место при циклическом ВРК, и достигается это ценой усложнения реализации процедур уплотнения и разделения каналов по сравнению с циклическим ВРК. Кроме того, для осуществления ВРК с программируемой коммутацией требуются детальные априорные сведения о производительности уплотняемых источников. Если подобные априорные сведения отсутствуют, то в рассматриваемом случае целесообразно использовать ВРК с автопрограммируемой коммутацией. При этом

82

потребуется на передающей стороне измерять текущую производительность уплотняемых источников и на основании этого формировать программу коммутации. Кроме того, необходимо информацию о вновь сформированной программе коммутации передать на приемную сторону, на что затрачивается часть пропускной способности системы. Все это является платой за отсутствующие априорные сведения о производительности уплотняемых источников, однако при этом приобретается большая гибкость процедур уплотнения и разделения каналов.

Наибольшая гибкость процедур уплотнения и разделения каналов достигается при ВРК—КП, поскольку в принципе при осуществлении такого метода многоканальной передачи не требуется даже наличия кусочной стационарности Уплотняемых источников. Однако при ВРК—КП для осуществления операции уплотнения необходимо разравнивание во времени случайного потока сообщении от активных каналов, для чего требуется буферное запоминающее устройство. Сообщения от отдельных каналов могут находиться в буферном запоминающем устройстве случайное, неизвестное заранее время, информацию о чем во многих случаях необходимо наряду с адресной информацией передавать на приемную сторону радиосистемы для правильного разделения каналов и восстановления передаваемых сообщений. На передачу этой дополнительной (служебной) информации при ВРК—КП затрачивается определенная, часто весьма значительная часть пропускной способности радиосистемы. Кроме того, требуются соответствующие кодеры—декодеры служебной информации. Все это является платой за ту гибкость процедур уплотнения и разделения каналов, которая приобретается при ВРК—КП. Вместе с тем, при ВРК—КП вследствие случайности потоков сообщений, поступающих в буферное запоминающее устройство, может наступить его переполнение или, наоборот, опустошение. В первом случае сообщения, поступающие от активных каналов, будут потеряны, во втором

— передача информации прекратится.

83

Оба указанных явления нежелательны, и емкость буферного запоминающего устройства следует выбирать таким образом, чтобы получить достаточно малые вероятности осуществления этих событий. Вместе с тем, эту емкость желательно выбрать минимально возможной, так как это упростит буферное запоминающее устройство и уменьшит среднюю задержку, вносимую им в передачу информации. Все эти требования можно тем лучше удовлетворить, чем детальнее априорные сведения о свойствах уплотняемых источников, в частности, об их производительности.

Обратимся теперь к нелинейным методам уплотнения и разделения каналов. Хотя общей теории нелинейного уплотнения и разделения не создано, известно довольно большое число таких методов. Прежде всего, отметим, что хотя при нелинейном уплотнении в большинстве случаев разделение каналов также должно быть нелинейным, линейные и нелинейные методы могут комбинироваться в одной радиосистеме передачи информации. Например, при нелинейном уплотнении может использоваться линейное разделение каналов и наоборот. Это обычно осуществляется для упрощения реализации процедуры разделения или получения каких-либо других преимуществ. Однако линейное разделение возможно лишь в специальных случаях нелинейного уплотнения, допускающих линейное разделение, один из которых мы подробно рассмотрим ниже. Таким образом, для каждого конкретного вида нелинейного уплотнения каналов необходимо рассматривать определенные методы разделения и наоборот.

Одним из простых нелинейных методов уплотнения и разделения каналов является параметрическое уплотнение и разделение. При этом методе сообщения от уплотняемых источников модулируют независимые параметры одного и того же переносчика (поднесущего или несущего колебания). Например, если таким переносчиком является гармоническое колебание, то посредством его амплитудной и угловой модуляции можно

84

осуществить передачу сообщений от двух уплотняемых таким образом источников. Разделение каналов при этом также должно быть нелинейным, поскольку перед выделением сообщения, передаваемого с помощью угловой модуляции, необходимо амплитудное ограничение переносчика для устранения влияния другого уплотняемого канала, т. е. для предотвращения появления междуканальных помех.

Еще одну группу методов нелинейного разделения при нелинейном уплотнении составляют методы разделения, приводимые к линейным.

Поясним эти методы следующим примером. Пусть имеется ансамбль канальных сигналов, промодулированных сообщениями от уплотняемых источников и обладающих тем свойством, что их логарифмы образуют ансамбль линейно независимых сигналов. Пусть операция уплотнения состоит в перемножении имеющихся канальных сигналов. Тогда при разделении, очевидно, можно прологарифмировать полученный групповой сигнал, и таким образом привести задачу разделения к известной задаче линейного разделения. После осуществления линейного разделения потенцированием можно восстановить каждый из исходных канальных сигналов.

Одним из методов нелинейного разделения, используемого при линейном уплотнении, является разделение по амплитуде. Поясним этот метод на примере разделения двух промодулированных канальных сигналов, каждый из которых представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой U1 и U2 соответственно, причем U1 > U2. Пусть используется широтно-импульсная модуляция этих канальных сигналов сообщениями, поступающими от уплотняемых источников, и осуществляется линейное уплотнение промодулированных канальных сигналов, в результате чего формируется линейный групповой сигнал с амплитудой U U1 U 2 .

Очевидно, канальные сигналы при этом являются линейно зависимыми, но несмотря на это их можно разделить. Для этого ли-

85

нейный групповой сигнал следует подать на нелинейное устройство в релейной характеристикой, например триггер, порог сра-

этого триггера в силу условия U1 > U2 будет выделен первый промодулированный канальный сигнал, вычитанием которого из линейного группового сигнала можно выделить и второй канальный сигнал. Очевидно, этот же принцип можно использовать и при любом числе пс уплотняемых каналов, если амплиту-

Отметим, что при всех рассмотренных выше типах нелинейных методов разделения уплотнение каналов может быть как синхронным, так и асинхронным. Поскольку при нелинейном уплотнении и разделении не требуется линейной независимости уплотняемых канальных сигналов, то, очевидно, при одинаковых условиях синхронные нелинейные методы уплотнения в общем случае не будут иметь преимущества перед асинхронными по числу уплотняемых каналов, как это было при линейных методах.

Однако имеются такие нелинейные методы, которые допускают только синхронное уплотнение. К ним относится комбинационное уплотнение и разделение каналов. Подобный метод используется для синхронного нелинейного уплотнения сообщений, представленных в цифровой форме, и состоит в следующем. Пусть сообщения, поступающие на устройство уплотнения от пс уплотняемых источников, представлены символами q-ичного кода (q≥2). Предположим, что символы, поступающие от каждого источника, имеют одинаковую длительность т и одновременно, по одному символу от каждого источника, поступают на устройство уплотнения. Тогда, очевидно, совокупность

86

символов, поступивших в данный момент времени от всех пс источников, можно рассматривать как комбинацию безызбыточного q-ичного блокового кода с блоковой длиной пс, представленную в параллельной форме. Таким образом, уплотняемые источники можно рассматривать как один групповой источник, выдающий на передачу блоковый код в параллельной форме. Количество различных комбинаций такого кода будет,

можно рассматривать как операцию преобразования поступающих комбинаций из параллельной формы в последовательную.

Очевидно, это преобразование может осуществляться как линейными, так и нелинейными устройствами. Важно только,

наций кода группового источника однозначно ставился в соот-

комбинаций группового сигнала с той же длительностью т. Если указанное преобразование осуществляется нелинейным устройством, то будет иметь место нелинейное комбинационное уплотнение каналов. В частности, часто используется нелинейное комбинационное уплотнение, в результате которого nс- разрядной комбинации q-ичного кода, поступающей в параллельной форме от уплотняемых источников на устройство уплотнения, ставится в соответствие одноразрядная комбинация кода группового сигнала с длительностью символа т. Чтобы обеспечить однозначность такого преобразования, а следовательно, возможность правильного разделения каналов, основа-

основания подобного кода группового сигнала часто являются отрезками гармонических колебаний с различными начальными фазами, разностями начальных фаз соседних символов или частотами, что соответствует фазовой, относительной фазовой и частотной манипуляции группового сигнала. Возможны и другие типы кодов группового сигнала.

87

На выбор того или иного типа кода группового сигнала существенное влияние оказывает сложность реализации соответствующей операции нелинейного преобразования, т. е. операции уплотнения, и обратной операции, т. е. операции разделения каналов, В этой связи большой интерес представляет один из частный случаев комбинационного уплотнения — логическое или мажоритарное уплотнение каналов. В результате такого уплотнения каждой комбинации двоичного кода с блоковой длиной пс в параллельной форме поступившей от уплотняемых источников, в устройстве уплотнения ставится в однозначное соответствие комбинация двоичного кода группового сигнала с блоковой длиной п, представленного в последовательной форме. При этом значение каждого двоичного символа кодовой комбинации группового сигнала определяется в соответствии с логической функцией абсолютного большинства, т. е. мажоритарно, что и определяет название данного метода уплотнения.

Двоичный код группового сигнала, получаемый при мажоритарном уплотнении, удобен для дальнейших преобразований на передающем стороне и обработки на приемной стороне и имеет минимально возможный пикфактор, что позволяет полностью использовать потенциальные возможности радиопередающего устройства. При этом нелинейность группового тракта, как и при ВРК, не приводит к появлению междуканальных помех. Кроме того, при данном методе уплотнения оказывается возможным линейное разделение каналов, просто реализуемое полностью цифровым устройством разделения.

Из дальнейшего также будет видно, что уменьшение числа одновременно активных источников, получаемые при использовании адаптивных методов сжатия данных в моменты уменьшения их производительности, можно использовать при мажоритарном уплотнении для увеличения помехоустойчивости передачи. Поскольку мажоритарное уплотнение относится к методам уплотнения с закрепленными каналами, то нет необходимости передавать на приемную сторону служебную информа-

88

цию, а на передающей стороне не требуется буферного запоминающего устройства, как при ВРК —КП.

2.2 Цифровые системы многоканальной передачи

Цифровые системы многоканальной передачи сообщений основаны на широко развитых методах импульсно-кодовой модуляции и используют временной принцип разделения каналов. В многоканальной цифровой системе передачи сообщений с временным разделением каналов общий поток битов, передаваемый последовательно по линии связи, периодически ставится в соответствие отдельным каналам. Период этого процесса, т.е. цикл, показан на рисунке 2.1.

Рис.2.1

Для синхронизации циклов отводится небольшая часть общего числа битов. Отдельные биты этого циклового синхросигнала могут располагаться либо все подряд в виде синхронизирующей комбинации (как на рисунке), либо распределяются внутри цикла. После того, как указанным способом обозначено начало цикла информационные биты путем простого их отсчета можно распределить между отдельными каналами по одному (посимвольный способ объединения цифровых потоков), либо по группам (групповой способ объединения цифровых потоков).

Структура цифровой системы передачи данных с временным разделением каналов показана на рисунке 2.2

89