Лекция №1
Цель: Изучить цифровые способы передачи сигналов.
1. Тенденции развития телекоммуникаций
2. Передача и обработка сигналов в цифровой форме
3. Формирование цифрового сигнала
Тенденции развития телекоммуникаций в ХХI веке показывают, что человечество движется по пути создания глобального информационного общества. Понятие информационного общества (ИС) четко не определено, но можно предположить, что это такое общество, в котором информатизация и телекоммуникации (инфокоммуникации) будут определять новую ступень развития экономики, социальной сферы, культуры и науки. Первой публикацией на тему ИО принято считать Меморандум Клинтона-Гора «Технология экономического роста Америки. Новое направление, которое предстоит создать, опубликованный в 1993 г. В качестве приоритетов роста экономической мощи США в нем бы ли определены промышленность, электросвязь, энергетика, образование, экология и социальная сфера. Через год аналогичные шаги были предприняты и в Европе. В 1995 г. Международный союз электросвязи (МСЭ) взял на себя ведущую роль по международной координации работ по электросвязи, направленных на построение глобального ИО. К работе над ИО подключился и Европейский институт стандартов электросвязи (ЕТSI) с целью создания Европейской информационной инфраструктуры (ИИ). Предполагается создание национальных информационных инфраструктур Глобальная информационная инфраструктура — инфраструктура, которая является технологической основой глобального ИС. ГИИ должна поддерживать существующие и будущие средства электросвязи, информационные технологии и бытовую электронику, включая интерактивные, вещательные и мультимедийные возможности. Она охватывает проводные и радиосредства связи, стационарные и подвижные сети. Таким образом, ГИИ представляет собой интеграцию электросвязи, информатизации, компьютеризации, баз данных и бытовой электроники. Интеграция указанных областей невозможна без унификации формы представления информации с целью ее передачи и хранения. Такой универсальной формой является цифровая.
Информация передается и обрабатывается в большинстве случаев в виде сигналов электросвязи — электромагнитных колебаний, в изменениях параметров которых и заложена передаваемая информация. Например, речевое сообщение, представляющее собой изменение звукового давления, посредством микрофона превращается в изменяющееся соответствующим образом электрическое напряжение. В этих изменениях и будет содержаться та информация, которая была в исходном сообщении. Характерно, что в данном случае напряжение непрерывно изменяется во времени - такие сигналы называются непрерывными.
Передача и обработка сигналов в цифровой форме имеет следующие существенные преимущества перед передачей и обработкой аналоговых сигналов.
Унификация различных видов передаваемой информации, это позволяет, в свою очередь, унифицировать оборудование передачи, обработки и хранения информации.
Компьютеризация телекоммуникационного оборудования, которая принципиально невозможна при использовании аналоговых сигналов. В условиях быстро нарастающего информационного обмена без компьютеризации невозможно обеспечить передачу и обработку информации с необходимым высоким качеством.
Интеграция систем передачи информации и систем коммутации - создание полностью цифровых телекоммуникационных сетей. Такие сети обладают высокой надежностью и эффективностью, поскольку позволяют организовывать альтернативные маршруты передачи и выравнивать сетевой трафик.
Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме, позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) символов сигналов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации. Суть регенерации заключается в замене принятого искаженного сигнала на заново генерированный сигнал. При этом в частности, обеспечивается возможность использования линий связи, на которых, из-за высокого уровня помех, аналоговые системы передачи применяться не могут.
Цифровые методы передачи весьма эффективны при работе по оптическим линиям, позволяющим организовывать передачу высокоскоростных потоков информации с относительно редким расположением промежуточных станций.
Стабильность параметров каналов. Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной характеристик и других) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства, как будет показано далее, составляют незначительную часть оборудования цифровых телекоммуникационных систем (ЦТС), стабильность параметров каналов таких систем значительно выше, чем аналоговых. Этому также способствует отсутствие в ЦТС с ВРК влияния загрузки системы на параметры отдельных каналов.
Формирование цифрового сигнала
Рассмотрим последовательное преобразование аналоговых сигналов в цифровые, пригодные для передачи по линии связи. Для простоты будем считать, что имеется всего два первичных (исходных) сигнала, которые следует передать по одной и той же линии связи. Графики рис. 1.,а показывают изменение напряжений сигналов во времени. На этих графиках узкими импульсами отмечены мгновенные значения сигналов, взятые с периодом дискретизации Тд. Характерно, что период относительно невелик, т.е. между соседними мгновенными значениями изменение сигнала происходит плавно. Последовательности мгновенных значений для различных сигналов смещены друг относительно друга на величину Т, называемую канальным интервалом. Наличие канального интервала позволяет на приемном конце осуществить временное разделение канальных сигналов.
Операцию квантования сигналов иллюстрирует рисунок 1.,6) дискретные мгновенные значения первичных сигналов, перенесенные из графиков рисунок 1.,а) округляются до разрешенных значений (в нашем случае это целые числа 0, 1,2,...). Под графиком приведены округленные значения в двоичных числах. Заметим попутно, что операция объединения мгновенных значений различных сигналов является операцией формирования группового сигнала. Главное требование, которому должен удовлетворять групповой сигнал, является требование возможности его обратного преобразования — разделения на исходные сигналы. Заметим также, что формирование группового сигнала можно было бы осуществить и на последующих этапах обработки сигнала.
График рисунок 1.,в) иллюстрирует операцию кодирования — замены округленных мгновенных значений соответствующими двоичными кодовыми комбинациями. На графике условно нули показаны низкими импульсами, обычно же нулям соответствует отсутствие импульса. Кодовые комбинации (кодовые слова) в данном случае четырехразрядные — число разрядов в общем случае определяется максимальным числом разрешенных значений или числом шагов квантования. Период, в течение которого передается по одному мгновенному значению каждого канального сигнала, называется циклом передачи или кадром. Чтобы разделить принимаемый поток на циклы передачи и далее на отдельные кодовые слова, перед началом цикла передается цикловой синхросигнал. В данном случае это комбинация 1010, но в общем случае это может быть и какая-то другая, например, 0000. Во всяком случае, отличие циклового сигнала от любой другой комбинации в потоке заключается в том, что цикловой сигнал всегда периодически повторяется на одних и тех же позициях, в то время как другие комбинации в потоке случайны.
Следующий этап преобразования сигнала зависит от среды его распространения (вида линии передачи). Так, например, при использовании кабеля с металлическими жилами сигнал преобразуют в так называемый код с чередованием полярности импульсов (ЧПИ). В этом коде на нулевых позициях импульсы отсутствуют, а единицы передаются импульсами чередующейся полярности, как это показано на рисунке. 1,г.
На приеме сигналы претерпевают обратные преобразования. При прохождении сигнала по линии он искажается и подвергается воздействию помех. На графике рисунок1,а) условно показан вид такого сигнала. На графике силуэтом отмечены также исходные импульсы. Первоначальная операция на приеме — регенерация (восстановление) формы импульсов и их временных соотношений. Регенератор генерирует импульсную последовательность (рисунок 1) на основе информации (мгновенные значения, спектральный состав), содержащейся в принимаемом сигнале. При этом возможны ошибки — генерация единичного импульса вместо нулевого и наоборот (на рисунке не показано). далее сигнал преобразуется из линейного кода в двоичный (рисунок 1), после чего восстанавливаются мгновенные значения исходных сигналов (рисунок 1,г).
Рисунок 1.Последовательность преобразования сигналов в цифровой телекоммуникационной системе на передаче
Мгновенные значения, относящиеся к различным исходным сигналам, разделяются посредством временного селектора — набора ключей, каждый из которых замыкается в период прохождения соответствующего мгновенного значения. Как уже отмечалось, временное объединение/разделение каналов может осуществляться и на другом этапе, например, перед преобразованием сигнала в линейный код на передаче и после преобразования из линейного кода в двоичный — на приеме. Мгновенные значения, относящиеся к данному сигналу, интегрируются — сглаживаются посредством фильтра нижних частот (рисунок 2,д). Восстановленные таким образом исходные сигналы поступают к принимающему абоненту. Поскольку мгновенные значения на передаче были квантованы (округлены), восстановление сигнала неизбежно сопровождается ошибками, которые являются источником, так называемых шумов квантования. Однако, как уже отмечалось, эти ошибки могут быть снижены до приемлемых значений путем уменьшения шагов квантования. Правда, это увеличит число разрешенных уровней и, следовательно, потребует передачи при прочих равных условиях большего объема информации.
Рисунок 2.- Последовательность преобразования сигналов на приеме
Контрольные вопросы.
1. Какие преимущества имеет передача и обработка сигналов в цифровой форме
2..Что дает интеграция систем передачи информации и систем коммутации?
3. Какие явления возникают при прохождении сигнала по линии?
4. Этапы преобразования сигнала.