Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004

с ИКМ через определенные расстояния устанавливаются регенераторы, т.е. устройства, полностью восстанавливающие параметры линейного цифрового сигнала.

В процессе регенерации (восстановления) цифрового сигнала выполняются следующие основные операции:

усиление восстанавливаемых импульсов, так как при прохождении по линии связи они испытали затухание;

коррекция формы импульсов, так как при прохождении цифрового сигнала по линии связи из-за неидеальности амплитудночастотных и фазочастотных характеристик форма импульсов линейного сигнала искажается;

сравнение усиленных и откорректированных импульсов с пороговым значением для определения наличия или отсутствия сигнала на фоне помех;

стробирование импульсов, в результате которого создаются такие условия, при которых импульсы цифрового сигнала на выходе регенератора формируются в строго определенные моменты;

формирование новых импульсов с заданными параметрами и в определенные моменты времени.

Структурная схема регенератора и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 14 и 15 соответственно, где приняты следующие обозначения:

ВУ - входное устройство, предназначенное для согласования входного сопротивления линии с входным сопротивлением регенератора; КУ - корректирующий усилитель, предназначенный для компенсации затухания регенерационного участка и коррекции амплитудно-частотных искажений, вносимых линией, и тем самым коррекции формы импульсов для полного или частичного устранения влияния одних импульсов на другие; ПУ - пороговое устройство, предназначенное для определения превышения сигнала над помехами; если амплитуда импульса больше ипор, то на выходе порогового устройства появляется импульс, если же амплитуда импульса меньше ипор, то на выходе порогового устройства импульс не появляется; импульсы с выхода ПУ подаются на решающее устройство (РУ); ВТЧ - выделитель тактовой частоты, предназначенный для формирования коротких стробирующих импульсов; стробирующие импульсы фазируются относительно входных символов таким образом, что в середине тактовых интервалов, где амплитуда входных импульсов максимальна; стробирующие импульсы подаются на второй вход решающего устройства; РУ -

решающее устройство, необходимое для опробывания (стробирования) в каждом такте поступающих символов; если в момент прихода на РУ стробирующего импульса с выхода ВТЧ поступает импульс с выхода ПУ, то на выходе РУ появляется импульс, т.е. фиксируется «1» информационного сигнала; если же в момент поступления стробирующих импульсов с выхода ВТЧ на вход РУ импульс не поступает, то на выходе РУ импульс не появляется, т.е. фиксируется «О» информационного сигнала; ФВИ - формирователь выходных импульсов, т.е. формирование их амплитуды, длительности и взаимного временного соотношения между символами линейного цифрового сигнала, следующих с тактовой частотой; Вых. ус-во - выходное устройство, предназначенное для согласованного подключения регенератора к линии связи.

Рис. 14. Структурная схема регенератора

Линейный цифровой сигнал (см. рис. 15, а) с выхода тракта передачи оконечного оконечной станции или предыдущего регенератора поступает в линию. При своем прохождении по линии сигнал испытывает затухание, искажения и воздействие помех. Сигнал на входе корректирующего усилителя регенератора или регенератора тракта приема оконечной станции имеет вид, показанный на рис. 15, б. Отметим, что регенераторы тракта приема оконечных станций называются станционными регенераторами, а регенераторы, устанавливаемы по линии связи, называются линейными регенераторами. Сигналы на выходе корректирующего усилителя показаны на рис. 15, в. Если на входе порогового устройства (ПУ) сигнал превышает пороговое значение ипор, то на выходе ПУ появляется сигнал, условно показанный на рис. 15, г. С выхода ПУ сигналы поступают на один из входов решающего устройства (РУ), на другой вход которого поступают стробирующие импульсы с выхода выделителя тактовой частоты (ВТЧ). При совпадении символов «1» на входе РУ со стробирующими импульсами на выходе РУ появляются символы, соответствующие «1» (см. рис. 15, е). Эти символы поступают на вход формирователя выходных импульсов (ФВИ), где восстанавливаются первоначальные амплитуда и длительность импульсов линейного цифрового сигнала (см. рис. 15, ж).

На выходе оконечной станции или предыдущего регенератора

г з п .

РИС. 15. Временные диаграммы работы регенератора

Синхронизация работы ФВИ от ВТЧ обеспечивает устранение флуктуации временного положения импульсов, возникающих в процессе их передачи. Эти флуктуации называются фазовыми дрожаниями.

Из описания принципа действия регенератора цифровых систем передачи, можно выделить основные особенности его технической реализации, которые обеспечивают минимум ошибок в работе:

частотная характеристика усиления корректирующего усилителя должна соответствовать частотной характеристике затухания регенерационного участка;

на выходе усилителя должно быть обеспечено максимальное отношение сигнал/шум;

оптимальный выбор значения порогового напряжения ипор\

кратковременность стробирования, осуществляемого в момент достижения импульсом на входе порогового устройства наибольшего значения. Таким образом, помехи, амплитуда которых не превысит иПор, не вызовут ошибочного решения РУ, и помехи, превышающие ипор, но не совпадающие с моментами стробирования, также не приведут к ошибкам.

Основным показателем качества работы регенератора является вероятность ошибки рош. Ошибка в решении происходит тогда, когда напряжение шума превосходит значение порогового напряжения на входе ПУ и для случая белого гауссовского шума вероятность ошибки равна

где ипор - пороговое напряжение; ст2 - мощность шума на входе ПУ. Мерой помехоустойчивости регенератора является отношение

сигнал/шум на входе порогового устройства или защищенность

= 201д и т

СГ

Здесь и т - максимальное значение амплитуды импульса на входе порогового устройства.

Непосредственное определение вероятности ошибок основано на измерении коэффициента ошибок (КО), который определяется частотой их появления и служит оценкой вероятности ошибок.

Коэффициент ошибок определяется отношением числа элементов цифрового сигнала, принятых с ошибками к общему числу элементов, принятых в течение времени измерений:

Кош = Мош/Ы = мош/вт,

где Л/ош - число ошибочно принятых элементов (символов); N - общее число принятых элементов; В - скорость передачи; Т - время измерения.

Линейное кодирование в ЦСП

Цифровые сигналы передаются по разным линиям связи - кабельным (электрическим и волоконно-оптическим), радиорелейным и спутниковым. В зависимости от используемой среды распространения сигналам в линии придают различный вид, при котором параметры сигнала в наибольшей степени согласованы с парамет-

рами линии связи. Эта операция называется линейным кодированием, при котором символы «1» и «О» информационного сигнала заменяются цифровым сигналом, характеристики которого в большей степени соответствуют параметрам линии. Полученный в результате линейного кодирования цифровой сигнал называется

линейным кодом.

К линейным кодам предъявляются следующие требования: однозначность декодирования, т.е. из линейного цифрового сиг-

нала должна однозначно формироваться исходная последовательность двоичных символов;

вэнергетическом спектре линейного цифрового сигнала должны быть ослаблены низкочастотные и высокочастотные составляющие;

влинейном цифровом сигнале должна быть обеспечена высокая плотность импульсов, т.е. число импульсов, определяющих тактовые интервалы, должно быть существенно больше числа пробелов («нулей»).

Взависимости от используемой среды распространения применяют различные линейные коды. В радиорелейных и спутниковых линиях, например, используют различные виды фазовой или частотной манипуляции. В линиях связи электрических кабелей распространена передача цифровых сигналов импульсами постоянного тока. При этом сигналы в линии могут быть двухуровневыми и многоуровневыми, из последних чаще всего применяются трехуровневые сигналы.. Двухуровневые сигналы могут принимать в процессе кодирования значения напряжения «+» или «-», трехуровневые сигналы принимают значения «+», «-» и «О» (пробел). Линейные коды цифровых волоконно-оптических систем передачи представляют двухуровневые сигналы, принимающие в процессе кодирования значения «+» или «О» (пробел).

Вряде случаев для исключения из цифрового сигнала длинных последовательностей одинаковых символов, а также периодически повторяющихся пачек символов исходный двоичный сигнал перед линейным кодированием подвергается дополнительному перекодированию, при котором ему придаются свойства случайного потока. Операция, совершаемая при этом, называется скремблированием сигнала и состоит в суммировании по «модулю 2» с исходным

сигналом псевдослучайных последовательностей (ПСП), содержащих определенное (равное 2"~1, где п - целое) число символов. Эти последовательности, будучи в действительности детерминированными, удовлетворяют трем критериям случайности:

1) в каждом периоде последовательности число символов «1» отличается от числа символов «О» не более, чем на единицу;

2) в течение периода последовательности половина серий еди-

называется последовательность одинаковых цифр; 3) если последовательность посимвольно сравнить с любым ее

циклическим сдвигом в течение периода последовательности, то можно отметить, что число совпадений отличается от числа несовпадений не более, чем на единицу, а при сложении «по модулю 2» этой последовательности с ее циклическим сдвигом образуется новая циклическая перестановка исходной последовательности.

Например, при п = 4 псевдослучайная последовательность, удовлетворяющая указанным требованиям, имеет вид 000100110101111. Число символов в этой последовательности равно 15. Число единиц в ней равно 8, число нулей - 7, что удовлетворяет первому критерию. Второй критерий также удовлетворяется, так как в этой последовательности имеется восемь различных серий, в том числе четыре серии единиц и четыре серии нулей. Из них две серии единиц и две серии нулей (4 из 8) имеют длину 1, по одной серии единиц и нулей имеют длину 2 (2 из 8) и одна серия из восьми содержит три нуля. Сдвинув последовательность на любое число символов и сравнив ее с исходной, можно убедиться в справедливости критерия 3. Так, при сдвиге на три элемента

000100110101111

111000100110101 видим, что в этих строках символы совпадают 7 раз и не совпадают

8 раз. Сложение «по модулю 2», приводит к образованию последовательности 111100010011010, которая является циклической перестановкой исходной последовательности. Псевдослучайные последовательности, удовлетворяющие указанным трем критериям, называются последовательностями максимальной длины и формируются с помощью регистров сдвига с обратными связями. Отметим, что обычно выбирают п > 10, что соответствует длине ПСП более 1023 символов.

Сигнал, образованный суммированием входного двоичного потока и периодически повторяемых последовательностей максимальной длины, сохраняет свойства псевдослучайного сигнала и называется скремблированым. Вероятности появления символов

«0»и «ч» в нем одинаковы, поэтому вероятность образования серии из к нулей подряд равна р = 0,5я. При к = 20 р2о ® 10'6. Такой сигнал обладает достаточно хорошими свойствами для выделения из него сигналов синхронизации.

При декодировании линейного скремблированного сигнала происходит вычитание ПСП-составляющей из суммарного цифрового сигнала и восстановление за счет этого исходного цифрового потока.

В системах передачи на основе классической ИКМ с ВРК каждый отсчет (дискрет) входного квантованного сигнала кодируется независимо от всех остальных, т.е. кодируются произвольные случайные сигналы. Анализ речевых сигналов показывает, однако, что при переходе от одного дискрета к другому проявляется значительная избыточность. Степень корреляции между соседними дискретами довольно значительная (коэффициент корреляции не менее 0,85). Следовательно, избыточность при классической ИКМ указывает на возможность значительной экономии полосы передаваемых частот за счет более эффективных методов кодирования.

Кроме корреляции между соседними дискретами речевого сигнала для уменьшения скорости передачи кодированного сигнала можно использовать и другие виды избыточности: неравномерное распределение амплитуд, корреляция, связанная с периодичностью в сигнале, корреляция между периодами основного тона; избыточность, связанная с неактивностью речи, неравномерностью усредненного спектра речи и кратковременностью спектра речи.

Л е к ц и я 12

Разностные методы кодирования. Иерархия цифровых систем передачи

Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

Уменьшение полосы частот, необходимой для передачи цифрового сигнала классической импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), возможно только с уменьшением разрядности кодовой комбинации. Этот путь приводит к увеличению шага квантования и, следовательно, к снижению защищенности сигналов от шумов квантования. Этот недостаток можно значительно ослабить, если воспользоваться корреляционными связями между соседними отсчетами речевых сигналов, сигналов вещания и телевидения, и квантованию и декодированию подвергать не абсолютную величину отсчета, а разность между предыдущим и последующим отсчетами исходного сигнала. Системы передачи, где кодированию подвергаются разности отсчетов, называются цифровыми разностными системами.

Поскольку диапазон разностей между отсчетами меньше самих отсчетов, то для кодирования величины разности требуется меньше разрядов при той же частоте дискретизации, что и в классической ИКМ. Такое формирование цифрового сигнала приводит к уменьшению полосы частот, необходимой для его передачи.

Способ формирования цифрового сигнала, при котором квантованию и кодированию подвергается сигнал разности между двумя соседними отсчетами, называется дифференциальной импульснокодовой модуляцией -ДИКМ.

Совокупность устройств, формирующих цифровой сигнал на основе ДИКМ, называется ДИКМ-кодером, а устройства, которые выполняют обратные преобразования, называются ДИКМ- декодером. ДИКМ-кодер и ДИКМ-декодер образуют ДИКМ-кодек.

Простейшим способом получения разности соседних отсчетов для ДИКМ-кодера является запоминание предыдущего входного отсчета непосредственно в аналоговой памяти и использование аналогового вычитающего устройства для получения разности, которая затем квантуется и кодируется для передачи. На приемном

ливаются кодированные разности значений отсчетов. По существу сигнал в цепи обратной связи представляет оценку входного сигнала, которая получается путем интегрирования кодированных разностей отсчетов.

С'Ш

Рис. 2. Структурная схема кодека ДИКМ с обратной связью

Преимущество реализации кодека ДИКМ с цепью обратной связи состоит в том, что при этом шумы квантования не накапливаются неограниченно. Если сигнал в цепи обратной связи отклоняется от входного в результате накопления шумов квантования, то при следующей операции кодирования разностного сигнала это отклонение автоматически компенсируется. В системе без обратной связи выходной сигнал, формируемый декодером на противоположном конце линии, может неограниченно накапливать шумы квантования.

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы декодека ДИКМ, приведены на рис. 3.

В начальный момент ^ сигнал на выходе интегратора отсутствует, а сигнал на выходе дифференциального усилителя (ДУ) соответствует непрерывному сигналу. Дискретный отсчет с амплитудой Сі квантуется и кодируется в кодере и затем через декодер поступает на интегратор (Интг), который запоминает его амплитуду до момента \2 (т.е. на время равное периоду дискретизации Тд). В момент \2 сигнал на неинвертирующем входе ДУ (+) равен аналоговому сигналу С2, а на инвертирующем входе (-) - С^ На выходе ДУ получаем разностный сигнал ДСІ = С2 - С^ После квантования и кодирования этой разности в линию поступает кодовая комбинация, соответствующая разности двух соседних отсчетов. По цепи обратной связи через декодер амплитуда отсчета С2 поступает на интегратор и запоминается им до момента В этот момент опять происходит определение разности ДС2, ее квантование, кодирова-