Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

Лекция №14

Цель:Изучить принципы ИКМ.

Наряду с использованием аналоговых (AM) можно использовать импульсные методы модуляции, в частности, амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), что позволяет улучшить энергетические харак­теристики процесса передачи в целом, если учесть, что длительность излучаемого импульса может быть мала по сравнению с периодом несущей. Импульсные методы модуляции основаны на процессе дискретизации передаваемого аналогового сигнала, т.е. использовании последовательности вы­борок (выборочных значений) аналогового сигнала, взятых периодически с частотой дискретиза­ции fд. Она выбирается из условия возможности последующего восстановления аналогового сигнала без искажений из дискретизированного сигнала с помощью фильтра нижних частот. Для сигнала с ограниченным спектром, к которому относится и сигнал стандартного телефонного канала, имеющий частоту среза fcp = 4 кГц, применима теорема Котельникова-Найквиста, определяющая fд = 2 fcр. Отсюда получаем, что для стандартного телефонного канала частота дискретизации составляете 8 кГц (т.е. выборки аналогового сигнала следуют с периодом дискретизации Тд = 125 мкс).

Следующим логичным шагом может быть квантование амплитуд импульсных выборок - про­цесс определения для каждой выборки эквивалентного ей численного (цифрового) значения. Ука­занные два шага (дискретизация и квантование) определяют процессы, осуществляемые при импульсно-кодовой модуляции. Они позволяют перейти от аналогового представления речевого сиг­нала к цифровому.

Численное значение каждой выборки в этой схеме может быть далее представлено (закодировано) в виде 7 или 8 битного двоичного кода (на практике при использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП) двоичное кодирование осуществляется непосредственно при кван­товании). Такое кодирование (часто называемое кодификацией) дает возможность передать 128 (2⁷) или 256 (2⁸) дискретных уровней амплитуды речевого сигнала, обеспечивая качественную пере­дачу речи формально с динамическим диапазоном порядка 42 или 48 дБ. Учитывая, что выборки должны передаваться последовательно, получаем двоичный цифровой поток со скоростью 56 кбит/с (8 кГц х 7 бит) в случае 7 битного кодирования или 64 кбит/с (8 кГц х 8 бит) в случае 8 битного коди­рования.

Рисунок 1 – Формирование двоичного потока при ИКМ 7 – битным кодированием

Указанные шаги пре­образования для формиро­вания ИКМ представлены на рис. 1.

Использование ИКМ (известной с 1938г., но реа­лизованной только в 1962г.) в качестве метода передачи данных позволяет:

- для систем цифровой телефонии - ликвидиро­вать недостатки, прису­щие аналоговым мето­дам передачи, а именно:

- убрать существенное затухание сигнала и его изменение в сеан­се связи и от сеанса к сеансу;

- практически убрать посторонние шумы;

- улучшить разборчи­вость речи и увели­чить динамический диапазон передачи;

- для систем передачи данных - организовать канал передачи данных на скорости 56 или 64 кбит/с.

Методы мультиплексирования потоков данных

Первые системы телефонной связи использовали отдельные линии передачи для организации каждо­го канала. Идеи организации передачи нескольких телеграфных каналов по одной линии или идеи мультиплексирования были впервые осуществлены еще в 1918 с помощью механического коммутато­ра. Под мультиплексированием (связисты используют термин уплотнение) будем понимать объе­динение нескольких меньших по емкости входных каналов связи в один канал большей емкости для передачи по одному выходному каналу связи. При реализации такого объединения телефонных ка­налов одной из основных задач является устранение взаимного влияния соседних каналов. До пос­леднего времени широко использовались два метода мультиплексирования:

- мультиплексирование с частотным разделением каналов (частотное мультиплекси­рование/уплотнение);

- мультиплексирование с временным разделением каналов (временное мультиплекси­рование/уплотнение).

Частотное мультиплексирование

При частотном мультиплексировании полоса частот выходного канала делится на некоторое число полос (подканалов) n, соответствующих по ширине основной полосе стандартного телефонного кана­ла 4 кГц. Например, на рис. 2 показана такая группа из четырех каналов с полосой 4 кГц, отведен­ной под каждый канал, и частотами, сдвинутыми на 60 кГц в результате амплитудной модуляции.

Рисунок 2 – Виды канальной группы, полученной в результате частотного мультиплексирования

Каждый канал имеет фактическую полосу пропускания 3.1 кГц и формируется полосовыми фильтрами с частотами среза, сдвинутыми на 4 кГц относительно друг друга. Например, фильтр пер­вого канала имеет частоты среза 60.3 и 63.4 кГц, второго - 64.3 и 67.4 кГц. При больших уровнях.сигнала в каналах защитной полосы 900 Гц между каналами недостаточно для устранения перекрестной наводки (телефонного разговора) от соседних каналов.

Для формирования канальных групп используется процедура ОБП-ПН - модулирования несу­щей и поднесущих по амплитуде с подавлением одной боковой полосы (левой или правой) и по­давлением несущей. Схема формирования канальных групп может быть разной. Стандарт CCITT рекомендует следующую систему группирования [1]: основная канальная группа (называемая связистами первичной группой) - 12 стандартных телефонных каналов; основная супергруппа (называемая вторичной группой) - 5 канальных групп (т.е. 60 кана­лов); мастергруппа (называемая третичной группой) - 5 супергрупп (т.е. 300 каналов) или 10 су­пергрупп (т.е. 600 каналов), или 16 супергрупп (т.е. 960 каналов)

Различное число мастергрупп и супергрупп может быть использовано в процессе группирования, образуя мультимастер группы (называемые четвертичными группами). Формирование основной канальной группы показано на рис.1-3, где используется двухступенчатая схема: на первой формируется группа из трех (правых) каналов ОБП - путем модуляции поднесущих 12, 16 и 20 кГц, на второй - канальная группа из 12 (левых) каналов ОБП - путем модуляции поднесущих 84, 96, 108 и 120 кГц. В результате формируется канальная группа с шириной полосы 48 кГц (60-108 кГц), которая исполь­зуется для модуляции 5 несущих (420, 468, 512, 564, 612 кГц) при формировании супергруппы с ши­риной полосы 210 кГц (312-522 Гц) и.т.д.

Временное мультиплексирование

Частотное мультиплексирование достаточно сложно в реализации и настройке (как и все аналоговые метод;) При использовании ИКМ наиболее удобной является схемамультиплексирования с временным разделением каналов, или, кратко, схема временного мультиплексирования разделением ресурсов с помощью коммутатора (на передающей стороне) который последовательно подключает каждый входной канал на определенный временной интервал (его называют также "тайм-слот" или интервал коммутации", или "цикл"), необходимый для посылки выборки (или какой то фиксированной части) сигнала в данном канале. Сформированный таким образом поток выборок от разных входных каналов направляется в канал связи. На его приемной стороне демультиплексор с помощью аналогичного коммутатора и фильтров нижних частот выделяет отдельные выборки и распределяет их по соответствующим каналам. Важно то, что коммутаторы на передающей и приемной сторонах должны работать синхронно, т.е. должны быть синхронизированы. Схема временного мультиплексирования выборок приведена на рис. 4. Для ИКМ в телефонных сетях коммутатор должен обращаться с периодом равным периоду дискретизации Тд тогда интервал коммутации канала Dtк = Тд / n, где n - число входных каналов мультиплексора, или Dtк = 125 / n [мкс]. Если мультиплексируются 24 канала, то Dtк - 5.208(3) мкс, если 32 канала, то Dtк = 3.90625 мкс. Однако введенное понятие интервала коммутации как фиксированной величины верно в идеальном случае. На практике в ряде случаев оно условно, а сам процесс коммутации может быть неравномерным.

Действительно, для синхронизации коммутаторов должен использоваться некий синхроимпульс или его цифровой аналог (например, последовательность вида "11...11" определенной длины).

Если он передается по какому-то внешнему каналу управления, то рассмотренная схема идеального мультиплексирования абсолютно верна, если же используется внутриканальная синхронизация, то процесс синхронизации сводится к вставке так называемого выравнивающего, бита или группы бит после m выборок, либо организации более сложной повторяющейся структуры в потоке выборок, включающей m выборок и k полей определенной длины или выравнивающих бит. Эта структура может быть разной, но она фиксирована для конкретной схемы кодирования ИКМ и носит название кадр или фрейм (frame), в терминологии связистов «цикл». Несколько фреймов могут объединятся в еще более общую структуру называемую мультифреймом (multiframe), в терминологии связистов "сверхцикл".

Рисунок 3 – Схема формирования основной канальной группы

Период повторения фрейма - это время, требуемое на один пол­ный цикл коммутации с учетом времени вставки выравнивающей группы бит.

Другим непривычным моментом (в казалось бы ясной схеме временного мультиплексирования, используемой в компьютерных системах) является либо наличие в поле выборки бита сигнализации, уменьшающего разрядную сетку выборки на один бит (с 7 до 6 или с 8 до 7), либо использование для целей сигнализации целых интервалов коммутации или тайм-слотов.

Рисунок 4 – Обобщенная схема временного мультиплексирования

Временное мультиплексирование двоичных потоков данных

При использовании систем цифровой телефонии для передачи данных на входе мультиплексора нет речевых сигналов, которые нужно дискретизировать и квантовать, а есть уже сформированный поток двоичных данных. Для него схема временного мультиплексирования может быть конкретизирована. Она практически совпадает с процедурой мультиплексирования в компьютерных системах. Итак, на входе мультиплексора имеются л входных двоичных последовательностей (происхождение которых может быть и не связано с выборками), поэтому коммутатор мультиплексора может последовательно отбирать из каналов любую логически осмысленную для данной сетевой технологии последователь­ность бит, составляя из них выходную последовательность. Этот процесс называется интерливингом (interleaving), или чередованием. Различают следующие виды интерливинга:

- бит-интерливинг или чередование битов - на выход последовательно коммутируется по од­ному биту из каждого канала;

- байт-интерливинг или чередование байтов - на выход последовательно коммутируется по одному байту из каждого канала;

- символьный интерливинг или чередование символов - на выход последовательно комму­тируется по одному символу (один бит или поле длиной 7 бит (ASCII код - американская версия), или поле длиной 8 бит - байт или октет (ASCII код - международная версия) из каж­дого канала;

- блок-интерливинг или чередование блоков - на выход последовательно коммутируется по од­ному блоку (который может быть длиной в несколько байтов или может быть полем целократным другому стандартному формату) из каждого канала.

Схема временного мультиплексирования четырех двоичных потоков данных входных показана на рис. 5. Для примера выбран вариант бит-интерливинга, где в используемых об(значениях: 1_1К... 1_4К, 4_!К... 4_4К. цифры 1, 2, 3, 4 соответствуют номерам бит, а индексы - номерам каналов. Стрелкой указано направление потока бит.

Рисунок 5 – Временное мультиплексирование потока данных по схеме с бит – интерливингом

Контрольные вопросы.

1.Особенности и преимущества АИМ.

2.На чем основаны импульсные методы модуляции?

3.Каким образом выбирается частота дискретизации?

4.Для какого сигнала применима теорема Котельникова-Найквиста.

5.Чему равна частота дискретизации сигнала стандартного телефонного канала?

6.Что подразумевают по термином «мультифрейм»?