Виды сигналов и передача информации

3. СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 

 

По виду сигналов, передаваемых в физической среде распространения (линиях связи), системы передачи подразделяются на аналоговые и цифровые. В аналоговых системах сигналы, переносящие информацию по среде распространения, являются непрерывными функциями непрерывного времени. В цифровых системах сигналы, переносящие информацию по среде распространения, являются дискретными функциями непрерывного времени и представляют собой в большинстве случаев двоичные последовательности импульсов.

При этом входные сигналы  системы передачи, содержащие полезную информацию, могут быть любого вида (например, аналоговые при передаче голоса или дискретные при передаче данных).

В основе построения аналоговых систем передачи лежит принцип частотного уплотнения каналов, который называют также мультиплексированием с частотным разделением каналов. Этот принцип, в свою очередь, базируется на том, что ширина спектра передаваемых сигналов обычно существенно ниже, чем полоса пропускания физической среды распространения. По этой причине передавать только один сигнал по линии связи невыгодно, поскольку общая полоса пропускания канала будет использована незначительно. Например, полоса частот (спектр) речевого сигнала, обеспечивающая уровень разборчивости слов 90 %, составляет 3100 Гц и размещается в полосе стандартного телефонного канала связи в диапазоне 300…3400 Гц.

Для исключения влияния соседних каналов друг на друга из-за наложения спектров, вызванных неидеальностью полосовых фильтров, в качестве расчетной ширины полосы телефонного канала принимается величина 4 кГц. При этом защитная полоса частот между двумя соседними каналами составляет 900 Гц.

Вместе с тем полоса пропускания кабельной линии  связи (спектр эффективно передаваемых частот) может составлять несколько мегагерц, что позволяет передавать по данной линии связи сотни и тысячи речевых сигналов. Для реализации такой многоканальной системы передачи частотные спектры различных сигналов должны быть сдвинуты относительно друг друга так, чтобы они занимали неперекрывающиеся частотные полосы. Это достигается применением в аналоговых системах передачи высокочастотных несущих синусоидальных колебаний, параметры которых (амплитуда, частота и фаза) изменяются (модулируются) пропорционально величине передаваемых полезных сигналов.

Организация многоканальной аналоговой системы передачи осуществляется путем модуляции полезными сигналами амплитуды или частоты несущих синусоидальных колебаний, имеющих различные несущие частоты. При этом происходит перенос спектра полезных сигналов на величину несущих частот. Соответствующим выбором значений несущих частот можно разместить в полосе пропускания линии связи (проводной или эфирной) спектры полезных сигналов, как это показано на рис. 3.1 (спектры сигналов во всех каналах условно показаны в виде треугольников). 

 

 

Рис. 3.1. Спектры сигналов в полосе пропускания линии связи при частотном уплотнении  

 

На рис. 3.2 представлен  принцип построения аналоговых систем передачи информации. Сигналы, несущие полезную информацию, поступают на входы модуляторов, где происходит модулирование сигналами 5,(0, S₂(t),..., S_n(t) несущих колебаний с частотами f₀₁ f₀₂ f_On по амплитуде с подавлением одной боковой полосы (левой или правой) и подавлением несущей (ОБП-ПН). Модулированные сигналы поступают на полосовые фильтры, которые пропускают частоты, выделенные для данного канала системы передачи. С выходов полосовых фильтров все сигналы поступают в линию связи. При этом в линии связи все сигналы передаются одновременно.

Из линии связи передаваемый общий сигнал поступает на полосовые фильтры, настроенные на частоты соответствующих каналов и выделяющие спектр боковой полосы полезного сигнала в данном канале.  
В демодуляторах осуществляется обратный сдвиг спектра полезного сигнала в первоначальное положение. Возникающие при этом дополнительные сигналы с более высокими частотами устраняются фильтрами нижних частот (ФНЧ), на выходах которых получаются сигналы S₁(t)S₂(t),...,Sn(t),аналогичные сигналам на передающей стороне.

  

 

 

  

 

 
                                                                                                    

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

Рис. 3.2. Схема аналоговых систем передачи информации 

 

В зависимости от типа используемой линии связи (воздушные проводные, кабельные магистрали, линии радиосвязи и т. д.) их полосы пропускания, а также от назначения каналов связи в аналоговых системах передачи может быть организовано различное число каналов или канальных групп. Для унификации применения различной аппаратуры систем передачи используются стандартизованные группы. Состав таких групп определен по признакам количества каналов, используемых диапазонов частот линии связи, несущих частот и методов уплотнения, применяемых при формировании групп. Стандарт МККТТ рекомендует следующую систему группирования [11]:

-     основную канальную группу (или первичную группу) – 12 стандартных телефонных каналов;

-     основную супергруппу (или вторичную группу) – 5 канальных групп, что составляет 60 телефонных каналов;

-     мастер-группу (или третичную группу) – 5 супергрупп (300 каналов) или 10 супергрупп (600 каналов), или 16 супергрупп (960 каналов).

На рис. 3.3 показано формирование в частотной области линии  связи основной канальной группы по двухступенчатой схеме, применяемой  в существующей аппаратуре систем передачи информации. 

 

 

Рис. 3.3. Схема формирования основной канальной группы 

 

На первой ступени  формируются предварительные 3-канальные  группы из правых боковых полос исходных сигналов (0–4 кГц) путем модуляции  поднесущих 12, 16 и 20 кГц. Всего формируется 4 такие предварительные группы. На второй ступени формируется основная канальная группа из левых боковых полос путем модуляции сигналами предварительных групп поднесущих колебаний 84, 96, 108 и 120 кГц. В результате формируется канальная группа с шириной полосы от 60 до 108 кГц (48 кГц).

Для образования супергруппы (60 каналов) сигналы основной группы используются для модуляции 5 несущих с частотами 420, 468, 512, 564 и 612 кГц. При этом из правых боковых полос модулированных сигналов формируется 60-канальная супергруппа с шириной полосы от 312 до 552 кГц (240 кГц). Аналогичным образом формируются и супергруппы на большее число каналов.

В основе построения цифровых систем передачи лежат операции квантования по времени сигнала, несущего полезную информацию, последующего квантования по уровню полученного мгновенного значения (отсчета) и двоичного кодирования квантованного по уровню отсчета. Перечисленные операции позволяют перейти от аналогового представления полезного сигнала (например, речевого) к цифровому.

Поскольку при этом передаваемая информация представляется в виде импульсов  различной амплитуды с последующим  кодированием дискретных значений амплитуд двоичным кодом, то совокупность указанных операций называют импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).

При квантовании по времени  аналоговый сигнал представляется в виде периодической последовательности импульсов, амплитуды которых равны мгновенным значениям (отсчетам) аналогового сигнала в соответствующие моменты времени. В теории связи такой процесс называют дискретизацией. При этом в соответствии с теоремой В.А. Котельникова для последующего восстановления аналогового сигнала период дискретизации Д определяется выражением 

 

Dt = 1 / (2 f_в), 

 

где f_в – верхняя частота в спектре аналогового сигнала.

Отсюда следует, что частота дискретизации f_Д = 2 f_в. Например, для стандартного телефонного канала f_в = 4 кГц, частота дискретизации должнасоставлять 8 кГц. Соответственно период дискретизации речевого сигнала Δt = 125 мкс.

Следующей после дискретизации  операцией является квантование  по уровню (оцифровыванию) амплитуд отсчетов, т. е. определение для каждого отсчета эквивалентного численного (цифрового) значения.

Далее в цифровых системах передачи численное значение каждого отсчета представляется в виде 7- или 8-битного двоичного  кода. Такое кодирование дает возможность  передавать 128 (2⁷) или 256 (2⁸) дискретных уровней амплитуды аналогового речевого сигнала в цифровой форме. Поскольку закодированные значения отсчетов должны передаваться последовательно, получается, что двоичный цифровой поток стандартного телефонного канала имеет скорость 56 кбит/с (8 кГц × 7 бит) или 64 кбит/с  
(8 кГц × 8 бит) в случае 7- или 8-битного кодирования соответственно.

Другой принципиальной особенностью цифровой передачи информации является временное уплотнение каналов для построения многоканальных систем передачи (или мультиплексирование с временным разделением каналов). Если в аналоговых системах передачи все сигналы передаются одновременно, то в цифровых системах в каждый отдельный момент времени передается сигнал только одного канала. Схема, иллюстрирующая принцип временного уплотнения каналов, приведена для четырех каналов на рис. 3.4.

На этой схеме коммутатор (мультиплексор) передающей стороны  последовательно подключает каждый входной канал на определенный временной интервал (интервал коммутации) к линии связи для посылки отсчета данного канала. Сформированный таким образом поток отсчетов от разных каналов направляется в линию связи. Аналогичный коммутатор на приемной стороне (демультиплексор) выделяет отдельные отсчеты и направляет их в соответствующие каналы.

Следует отметить, что схема (рис. 3.4) только иллюстрирует принцип временного мультиплексирования. В реальных системах передачи в линию связи, как отмечалось выше, передаются закодированные двоичные последовательности (7 или 8 бит) оцифрованных значений отсчетов.

Основное преимущество цифровых систем передачи по сравнению  с аналоговыми заключается в  том, что цифровые сигналы, несущие  полезную информацию, являются дискретными  двоичными последовательностями. При прохождении их по каналу связи и искажении под воздействием помех необходимо только фиксировать наличие или отсутствие двоичного цифрового сигнала. В аналоговых системах передачи нужно определять абсолютные значения амплитуды, частоты или фазы несущего сигнала, что с учетом помех в канале связи реализовать существенно сложнее, чем распознавать двоичные сигналы в цифровых системах.

Линейный код, т. е. способ преобразования сигналов, передаваемых в линию связи, должен иметь:

·      минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ограниченную плотность на низких частотах;

·      минимально возможные длины блоков повторяющихся символов («1» или «0»);

·      дискретную составляющую спектра для информации о тактовой частоте передаваемых двоичных сигналов.

Существует большое  количество линейных кодов, так или  иначе удовлетворяющих поставленным выше требованиям. Число уровней линейного кода может быть 2 (двухуровневое кодирование) или 3 (трехуровневое кодирование). Двухуровневое кодирование может быть однополярным (0, +1) и двухполярным (+1, –1); трехуровневое – однополярным (0, +1, +2) или двухполярным (–1, 0, +1). Например, оптические линии связи требуют однополярных методов кодирования, а электрические линии используют как однополярные, так и двухполярные методы кодирования. 

 

 

 

Рис. 3.4. Иллюстрация временного уплотнения каналов связи (мультиплексирование  с временным разделением каналов)  

 

Ниже приводятся расшифровки  обозначений и определение формирования некоторых линейных кодов, применяемых в практике цифровых систем.

ADI – Alternate Diqit Invertion code – двоичный код с инверсией полярности сигнала на каждом втором одинаковом двоичном разряде (независимо от значения исходного кода «1» или «0»): в результате формируется двухполярный двухуровневый код.

AMI – Alternate Mark Inversion code – двоичный код RZ (Return to Zero) с возвращением к нулю и инверсией на каждой «1» исходного кода: в результате формируется двухполярный трехуровневый код.

После прохождения по линии  связи сигналы линейных кодов  преобразуются в исходные двоичные потоки, поступающие на вход декодера приемной стороны. В декодере происходит обратное преобразование двоичного кода в соответствующий сигнал амплитудно-импульсной модуляции (АИМ), который направляется в демодулятор АИМ сигналов, и на его выходе формируется передаваемый аналоговый сигнал. 

 

Характеристики  стандартных ИКМ систем передачи. В качестве стандартных, т. е. описанных в рекомендациях МККТТ, в настоящее время признаны две системы: американская и европейская. Американская система Д 2 С Белл – 24-канальная система с выходным потоком Т1 = 1544 кбит/с – описана в рекомендациях G.733. Европейская система СЕРТ – 30-канальная система с выходным потоком Е1 = 2048 кбит/с – описана в рекомендациях G.732.

Обе системы имеют следующие  одинаковые характеристики:

·      частотный диапазон аналоговых сигналов 300…3400 Гц;

·      частоту дискретизации 8000 Гц;

·      квантование (бит на отсчет) 8 бит;

·      кодификацию (количество бит значения и знак) 7/1;

·      емкость основного цифрового канала 64 кбит/с.

Различия в характеристиках  для американской и европейской  систем относятся к скорости выходного двоичного потока (1544 и 2048 бит/с), количеству каналов ИКМ (24 и 30), количеству бит на цикл (193 = 192 + 1 и 256 бит). Из этих различий видно, что скорость выходного потока для американской системы 1544 кбит/с получается в результате умножения 193 бит на частоту дискретизации 8 кГц. Для европейской системы соответственно 2048 бит/с = 256 бит ´ 8 кГц.

Одно из принципиальных различий состоит в том, что в европейской системе на первичном уровне мультиплексирования организуется  
32 цифровых канала (30 каналов ИКМ для передачи полезной информации и 2 служебных канала). Один служебный канал используется для синхронизации, а второй – для организации общего канала сигнализации и управления. Следует отметить, что европейский стандарт на системы ИКМ стал основным не только в Европе, но и во всем мире. 

 

Иерархия цифровых систем. В цифровых системах передачи на основе мультиплексирования с временным разделением каналов можно создавать многоканальные системы с использованием более высоких скоростей передачи. Мультиплексор формирует из n входных цифровых потоков один выходной поток со скоростью передачи В Х_n, где В – скорость передачи для одного входного канала мультиплексора (предполагается одинаковой для всех входных каналов).

Характеристики различных уровней цифровой иерархии приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Характеристики различных уровней  цифровой иерархии 

 

Уровень цифровой иерархии	Американская система			Европейская система
	Обозначение уровня	Скорость   передачи кбит/с	Число   каналов DSO	Обозначение   уровня	Скорость   передачи кбит/с	Число   каналов DSO
0	–	64	1	–	64	1
1	Т1	1544	24	Е1	2048	30
2	Т2	6312	96	Е2	8448	120
3	ТЗ	44736	672	ЕЗ	34368	480
4	Т4	274176	4032	Е4	139264	1920

 

 

Примечание. В табл. 3.1 уровень 4 американской системы ИКМ не стандартизован как международный. Число основных цифровых каналов DSO для европейской системы ИКМ отражается в названиях ИКМ систем: ИКМ-30, ИКМ-120 и т. д. Такие системы достаточно широко применяются в сетях связи и передачи данных на железнодорожном транспорте.

При использовании  в качестве входного цифрового потока сигналов основного цифрового канала DSO (Diqital Siqnal of level О) со скоростью передачи 64 кбит/с на выходе мультиплексора n можно получить скорость n ´ 64 кбит/с. Если выход этого мультиплексора подать на вход другого мультиплексора более высокого уровня иерархии и т. д., то на выходах мультиплексоров можно сформировать различные иерархические наборы цифровых скоростей передачи. Это позволяет путем мультиплексирования произвести необходимое уплотнение каналов, дающее на выходе требуемое количество каналов DSO. При этом в разных системах ИКМ скорости передачи и число каналов на разных уровнях иерархии могут быть различными по причине различий в реализации этих систем.