Передачаданих, сигналів звукового мовлення, частотних груп і телевізійних сигналів поцифрових каналах
/>1. Методи передачі даних поцифровому каналу
Існують дваметоди передачі низькошвидкісних даних по цифровому каналу: метод простогонакладення і метод кодуванняфронтів.
Метод накладенняпередбачає стробування інформаційних імпульсів послідовністю більш короткихімпульсів, у результаті чого кожен інформаційний імпульс перетворюється в пачкукоротких імпульсів (рис. 1). Зазначене перетворення легко реалізується задопомогою схеми збігу, на один вхід якої подаються інформаційні, а на інший –стробуючі імпульси (CI).
/>
Рисунок 1
У приймальномуустаткуванні інформаційні імпульси відновлюються за огинаючою прийнятоюімпульсною послідовністю. Оскільки при такому методі передачі інформаційні істробуючі імпульси не синхронізовані між собою, то відновлення інформаційнихімпульсів відбувається з крайовими перекручуваннями, максимальна величина яких(/>) дорівнює тактовомуінтервалу (періоду повторення) стробуючих імпульсів (/>), тобто />/>, а відносна величинакрайових перекручень />, де/> і /> − швидкості потоківінформаційних і стробуючих імпульсів відповідно.
Чим вище частотапроходження стробуючих імпульсів (/>) у порівнянніз частотою повторення інформаційних імпульсів (/>),тим менше величина крайових перекручувань. Для заданих значень /> і /> припустима швидкістьпередачі інформаційних імпульсів складає величину />=/>/>.
Наприклад, для />=0,05 і />=8/> припустима швидкістьпередачі даних />. Для передачінизькошвидкісних даних (наприклад, телеграфних сигналів) по каналу передачідискретної інформації ЦСП ІКМ-30 використовується послідовність імпульсівпершого розряду (Р1) канального інтервалу КIО. Швидкість передачі цього каналу />=8 />.
Оскільки, зазвичай,/>>/>, то для повноговикористання пропускної спроможності цифрового каналу в ньому можнаорганізувати кілька каналів передачі даних. Кількість цих каналів визначаєтьсяспіввідношенням
/>.
Наприклад, длязаданих значень />=5%, />=8 /> і />=50 Бод величина
/> каналів.
Перевагою методунакладення є його простота. Недолік – низька ефективність використанняцифрового каналу. Коефіцієнт використання цього каналу (К) чисельно дорівнюєвідносній величині крайових перекручувань, тобто />.
Метод накладеннячерез низьку ефективність використання пропускної спроможності цифрового каналувикористовується для передачі сигналів зі швидкістю не вище 1200/>. Так, наприклад, призначеннях />=64/> (для передачі данихвикористовується ОЦК) і />=1200/> величина />, тобто крайовіперекручування невеликі, але і коефіцієнт використання цифрового каналу вкрайнизький (К=0,02).
Існують більшефективні, хоча і більш складні методи передачі даних, що забезпечують підвищенняефективності використання цифрового каналу. Одним з цих методів є методкодування фронтів інформаційних імпульсів (метод ковзного індексу).
Метод кодуванняфронтів передбачає передачу інформації про наявність і напрямок переходів удискретному сигналі (фронтів інформаційних імпульсів) всередині тактовогоінтервалу /> імпульсної послідовностіцифрового каналу. Ця інформація передається кодовими комбінаціями, щоскладаються з /> розрядів.Значення першого (стартового) розряду визначає наявність фронту (переднього абозаднього) інформаційного імпульсу в середині тактового інтервалу />, значення другого –напрямок переходу інформаційного імпульсу (з нижнього рівня «0» уверхній «1» – 1, з верхнього рівня «1» у нижній «0»– 0). Значення інших n-2 розрядів визначають положення фронту інформаційногоімпульсу в середині тактового інтервалу. Для n=3 значення 1 може відповідатиположенню фронту в лівій половині тактового інтервалу />, а 0 – у правій половиніінтервалу />. Якщо n=4, то положенняфронту визначається з точністю до /> тривалостіінтервалу />.
Приклад, щопояснює розглянутий метод передачі даних для n=3, наведений на рис. 2.
/>
Рисунок 2
Відновленняпереданого сигналу в приймачі здійснюється із затримкою на З/> (за n=3). Відноснавеличина крайових перекручувань складає значення />,тобто />в /> рази менше, ніж при методіпростого накладення тією самою частотою стробуючих імпульсів і швидкістюпередачі цифрового каналу.Оскільки для кодування фронту інформаційного імпульсунеобхідно не менше трьох імпульсів цифрового каналу, то максимальне значеннякоефіцієнта використання цього каналу складає величину />.
У методікодування фронтів момент змiни рівня інформаційного імпульсу і положення стартового імпульсу, щовказує наявність цієї зміни, не синхронізовані між собою. Це викликає «ковзання»стартового імпульсу по часовій осі, що визначило іншу назву цього методу – «методковзного індексу».
2. Передача сигналів звукового мовлення
сигналкодування телевізійний звуковий частотний
Існує три класисигналів ЗМ, що розрізнюються смугою ефективно переданих частот. Її величинаскладає 6.4, 10 і 15 кГц для каналів ЗМ 2-го, 1-го і вищого класу відповідно.Тому частота дискретизації (/>)сигналів 3В має бути не менше 12,8, 20 і 30 кГц для каналів 3В 2-го, 1-го івищого класів відповідно. Оскільки частота дискретизації має бути кратноючастоті дискретизації мовних сигналів одного каналу (8 кГц ), то канал 3В 2-гокласу організовується в ЦСП ІКМ-15 замість двох ОЦК (що відповідає частотідискретизації Fд=16кГц). Для організації каналу 3В-1-го класу в ЦСП ІКМ-30частота дискретизації вибирається рівною 32кГц, тобто використовуються чотириканали (канальні інтервали КІ 1, КІ 9, КІ 17 і КІ 25). Тому швидкість передачісигналу 3В складає />.
Структурна схемаприймача-передавача сигналів ЗМ 1-го класу наведена на рис.
/>
Рисунок 3
Аналоговий сигналЗМ проходить через попередньо перекручуючий контур (ПрК), що послаблюєнизькочастотні складові сигналу ЗМ. Фільтр НЧ обмежує спектр сигналу частотою10 кГц. Далі модулятор (М) дискретизує сигнал ЗМ, після чого АIM-сигнал ЗМ надходить у груповий трактАIM сигналів, кодується і післяперетворювання в лінійний код груповий ІКМ-сигнал передається в цифровийлінійний тракт (ЦЛТ).
На приймальнійстороні після декодування з групового АIM-сигналу за допомогою часовогоселектора (ЧС) виділяються відліки ЗМ-сигналу, що виникають з частотоюF=4*8=32кГц. Фільтр НЧ перетворює АIM-сигнал ЗМ в АМ-сигнал. Відновлюючий контур (ВК) компенсуєпопередні перекручування, що були внесені на передавальній стороні попередньоперекручуючим контуром. Для компенсації цих попередніх перекручувань необхідно,щоб залежності загасання від частоти попередньо перекручувального (/> ) контуру і контуру, якийвiдновлює (/>), були взаємно-зворотні,тобто />. Для цього необхідно, щобвиконувалася умова (у дБ) /> Загальнийхарактер частотних залежностей загасання контурів ПК і ВК наведено на рис.4.
/>
Рисунок 4
Доцільністьпопередніх перекручувань можна пояснити таким чином.
Частотний спектрсигналу ЗМ нерівномірний. Його основна частина зосереджена в області 0,5...2 кГц.Зі збільшенням частоти спектральна щільність сигналу ЗМ різко зменшується. Напротивагу цьому спектр шумів квантування рівномірний у всій смузі частотсигналів ЗМ. У результаті цього на верхніх частотах потужність шумівквантування стає порівняною з потужністю сигналу. Внаслідок цього вплив шумівквантування стає помітним на слух. На рис. 5 наведено залежності спектральноїщільності потужності сигналу і спектральної щільності потужності шумівквантування від частоти.
/>
Рисунок 5
За рахунок того,що загасання ВК зростає зі збільшенням частоти, спектральна щільністьпотужності шумів квантування зменшується, що робить шуми квантування в областіцих частот менш помітними.
Для якісноїпередачі сигналу ЗМ використовується апаратура АЦМ-480, що забезпечуєдискретизацію сигналу ЗМ із частотою 40 кГц, нелінійне квантування і12-розрядне кодування. Збільшення розрядності з 8-ми до 12-ти призводить дозбільшення в 16 разів точності відліку кожної дискрети, що у свою чергузабезпечує підвищення захищеності сигналу від шумів квантування на 24 дБ. АпаратураАЦМ-480 поєднується з первинним цифровим трактом апаратури ІКМ-30 і дозволяєорганізувати у ньому 4 моно, або 2 стерео каналів ЗМ, або 8 каналів ЗМ 2-гокласу.
Для підвищеннязавадостійкості сигналу від перешкод у цифровому тракті в кожну кодову групувводиться додатковий біт перевірки на парність 6-ти старших розрядів,використовується перестановка розрядів, що підвищує захищеність сигналу відзосереджених перешкод (групові помилки перетворюються в одиночні, яківиявляються). З урахуванням надлишковості швидкість передачі по кожному з 4-хканалів ЗМ становить 512 кбіт/с.
Структурна схемаапаратури АЦМ-480 наведена на рис. 6.
/>
Рисунок 6
На передавальнійстороні в апаратурі ККВ (комплект кодування) сигнал ЗМ перетворюється вцифровий. Сформовані цифрові сигнали 4-х каналів ЗМ надходять зі швидкістю 512кбіт/c на комплект апаратури первинного часового групоутворення (КПЧГ), дездійснюється синхронне об'єднання у цифровий потік зі швидкістю 2048 кбіт/с, ана приймальній стороні виконується поділ загального потоку на 4 потоки зішвидкістю 512 кбіт/c кожний. Після декодування в апаратурі комплектудекодування (КДВ) сигнали ЗМ надходять на термінали.
В апаратуріцифрової передачі сигналу ЗМ ІКМ-В 6/12 за рахунок удос-коналення методуаналого-цифрового перетворення необхідна швидкість передачі зменшена до 316кбіт/с. У свою чергу це забезпечило можливість передавати сигнали 6-ти моно,або 3-х стереоканалів вищого класу, або 12 каналів 2-го класу (зі смугою частотдо 7 кГц).3. Передача сигналів частотних груп
На практиці впроцесі впровадження ЦСП виникає необхідність стикування широкосмуговиханалогових трактів з цифровими. Зокрема, така необхідність виникає під часзаміни апаратури АСП на апаратуру ЦСП. Тому використовується спеціальнеаналого-цифрове обладнання (АЦО), що забезпечує перетворення сигналу АСП (восновному сигналів вторинної і третинної груп) у цифровий і навпаки. У процесіперетворення груповий сигнал АСП дискретизуєтся і кодується. Вихідний цифровийсигнал розділяється на декілька потоків того чи іншого ступеня ієрархії ЦСП,після чого ці потоки надходять на вхід апаратури більш високого ступеняієрархії ЦСП. Швидкість вихідного потоку (В) визначається частотоюдискретизації Fд і розрядністю кодових груп цифрового сигналу m. Спiввiдношення для розрахунку швидкостi передачi має вигляд В=mFд.
Значення частотидискретизації залежить від варiанта аналого-цифровогоперетворення сигналу, який використовується:
- з перетворенням частоти для зниження верхньої межіспектра сигналу;
- без перетворення частоти.
Розглянемо першийваріант на прикладі перетворення сигналу вторинної групи (ВГ) АСП. Структурнi схеми передавальної i приймальної частин апаратури АЦО-ЧД(аналого-цифрове перетворення багатоканального сигналу з частотним ущільненням)наведено на рис. 7, а i 7, бвiдповiдно.
/>
Рисунок 7
Відповідно дотеореми Котельникова частота дискретизації має бути />.Для зменшення частоти дискретизації спектр ВГ переносять у смугу частот 12…252кГц. Значення частоти дискретизації вибирають рівною 512 кГц (замість Fд=2Fш=2×252=504 кГц).
Необхіднакількість розрядів у кодовій групі залежить від виду шкали квантування(рівномірної або нерівномірної) і припустимого рівня шумів квантування (3пВт/км, що відповідає допустимому рівню шумів на 1 км аналогового тракту передачі). Оскільки середній рівень групового сигналу практично постійний,порівняно невеликий, і пік-фактор цього сигналу постійний (14, 12 і 10дБ дляПГ, ВГ і ТГ відповідно), то використовувати нерівномірне квантування недоцільно(виграш у довжині кодових груп не перевищує одного розряду). Можна сказати, щоз урахуванням вищенаведеного розрядність кодових комбінацій ІКМ сигналу маєбути не менше m≥9 біт. Вибирають m=12 (11 інформаційних і один розряд дляпередачі службової інформації). Таким чином, швидкість передачі цифровогопотоку складає величину: B=m×Fд=12×512=6144 />. Вихідний цифровий потіккодера в пристрої розподілу розділяється на 3 первинних зі швидкістю />кожний. Далі ці потокинадходять на 3 входи апаратури вторинної групи (ЦСП ІКМ-120) і передаються поЦЛТ. На приймальній стороні рис.7, б здійснюється зворотне перетворення. У пристрої об'єднання три потоки поєднуютьсяв один зі швидкістю />, після чого цейІКМ сигнал декодується, перетворюється в аналоговий зі смугою частот 12…252 /> і переноситься в смугучастот ВГ 312…552 кГц. Якприклад розглянемо структуру циклу передачi апаратури АЦО-60, яка забезпечує перетворення аналового сигналу ВГ уцифровий.
Цикл передачіАЦО-60 характеризується такими параметрами:
– швидкістьпередачі />/>;
– тривалістьциклу передачi />/>(4 біти);
– кількістьрозрядів />(у складi яких 11 інформацiйних i один службовий);
– частотапередачі циклів />/>.
На рис.8 наведенорозміщення бітів у кожному з 3-х потоків.
/>
Рисунок 8
Таким чином, iз рис 8 видно, що 12-розрядна кодовакомбінація розміщується в 3 цифрових потоках 2048 /> по4 розряди у кожному.
Полярністьсигналу (дискрети) зазначується на 1-й позиції. Номер сегмента розміщується напозиціях 2 і Номер рівня в сегменті – на позиціях 4...11. Дванадцята позиціяцієї кодової комбінації використовується для організації службового зв'язку,передачі сигналів аварії (вид модуляції – ДМ).
Аналогічноздійснюється перетворення в апаратурi АЦО-300 груповогосигналу третинної групи АСП і формування цифрового потоку зі швидкістю />.Цей потiк розділяється на три вторинних iз швидкiстю 8448 /> кожний,що вiдповiдає 3·120=360 ОЦК.
Під часвикористання другого варіанта аналого-цифрового перетворення (АЦП) сигналузначення частоти дискретизації вибирається вище верхньої частоти спектрагрупового аналогового сигналу, причому вибір частоти дискретизації не маєсупроводжуватися перекриттям спектра сигналу з бічними смугами при частотідискретизації і її другій гармоніці. Спектр сигналу має вигляд, наведений на рис.9, де 1 і 4 – відповідно нижня і верхня бічні смуги спектра сигналу при першійгармоніці частоти дискретизації; 2 – спектр групового сигналу АСП; 3 – нижнябічна частота спектра сигналу при другій гармоніці частоти дискретизації.
/>
Рисунок 9
З рис.9 можнапереконатися в тому, що перекриття спектрів бічних смуг 1 і 3 зі спектромсигналу 2 буде виключено під час виконання умов (нерівностей)
/>
Крім того,доцільно забезпечити рівність захисних проміжків (ЗП) по ширині між спектромсигналу (2) і бічних смуг (1 і 3), тобто:
/>.
Звідки випливає,що значення частоти дискретизації визначається співвідношенням
/>.
Для ВГ АСП Fminі Fmax рівні відповідно 312 і 552 кГц, тому значення частоти дискретизаціїскладає:
/>.
Це значеннячастоти дискретизації вище, ніж у варіанті АЦП із перетворенням частоти і зоднаковою розрядністю призводить до недоцільного збільшення швидкості передачі.Тому на практиці використовується варіант АЦП сигналів частотних груп зперетворенням частоти.
Недолікомрозглянутих перетворень групового сигналу АСП у цифровий є зниження пропускноїспроможності ЦЛТ, що використовують апаратуру ІКМ-ВД. Дійсно, для передачісигналiв 60 або 300 каналів АСП приходитьсявикористовувати 90 або 360 каналів ЦСП.
В останні рокирозроблено трансмультиплексори, що забезпечують поєднання АСП і ЦСП без втратипропускної здатності.
4. Передача телевізійних сигналів
Телевізійний (ТВ)сигнал займає смугу частот, яка становить 6МГц, тому частота дискретизації маєбути не менше 12Мгц. На практиці її значення становить /> = 12,888МГц, що дозволяєдля передачі ТВ сигналу використовувати ЦСП ІКМ-1920.
Необхіднарозрядність (m) кодових груп має забезпечувати передачу N помітних градаційяскравості. Оскільки N = 200, то m = ]log200[ = 8 розрядів, а швидкістьпередачі ТВ сигналу
B = /> ∙ m = 12,888 ∙8 = 103,104 Мбіт/c.
Цей цифровийпотік розділяється на 3 стандартних третинних потоки (Е3) зі швидкостями103,104: 3 = 34,368 Мбіт/с, що подаються на входi апаратури четвертинної групиустаткування часового групоутворення. На приймальній стороні цифрові потокипоєднуються в один ІКМ сигнал ТВ, потім ІКМ сигнал декодується і післядемодуляції відновлюється вихідний ТВ сигнал.
Слід зазначити,що швидкість передачі ТВ сигналу може бути знижена до величини порядку 40Мбіт/c за рахунок стиску сигналу ТВ, використання таких методів модуляції, якДІКМ і ДМ, що дозволяє використовувати для передачі ЦСП ІКМ-480.
Оскільки вимогищодо припустимої імовірності помилки порівняно низькі (помилка з імовірністю 10-7непомітна, а помилка з імовірністю 10-6 майже непомітна), топередача сигналів ТВ може здійснюватися без захисту від помилок. Якщо ввестинезначну надмірність для забезпечення захисту від помилок, то вплив цих помилокбуде практично виключено.