Особенности построения цифровых систем передачи (ЦСП). Обобщенная структурная схема ЦСП

В настоящее время цифровые методы и устройства передачи информации являются основными в телекоммуникационных системах благодаря совокупности своих достоинств, таких каквысокая помехоустойчивость, простота группообразования, возможность интеграции разнородного трафика, высокая технологичность и др. Укрупненная структурная схема ЦСП приведена на рисунке 4.1.1.

Рисунок 4.1 – Структурная схема ЦСП

Здесь аналоговый сигнал S_с(t) с выхода источника сообщения проходит через аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразуясь в двоичный цифровой код S_к(t). Для передачи по линии связи (медный кабель, ВОЛС, радиоканал) этот сигнал с помощью модулятора или кодирующего устройства преобразуется к виду S_м(t), позволяющему передачу на большие расстояния с минимальными искажениями. В приемной части ЦСП происходят обратные преобразования с помощью демодулятора и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В канале передачи сигнал S(t) искажается при воздействии шумов и помех, которые наиболее эффективно проявляют себя в канале связи и во входных каскадах приемника.

Цифровой сигнал

Рассмотрим процесс формирования цифрового сигнала (рисунок 4.1.2), который можно разбить на три этапа:

Рисунок 4.2 – Формирование цифрового сигнала

а) дискретизация во времени;

б) квантование по уровню;

в) кодирование (импульсно-кодовая модуляция).

На первом этапе вместо непрерывной функции времени S_С(t) формируется совокупность дискретных отсчетов S_С(t–кt_д), взятых в равноотстоящих друг от друга моментах времени с интервалом t_д.

В соответствии с теоремой Котельникова этот интервал определяется верхней частотой в спектре сигнала ¦_в

t_д£ .                                      (4.1)

Обосновать это неравенство можно следующим образом. Спектр дискретизируемого сигнала (рисунок 4.1.3) является периодической функцией частоты ¦ с периодом 1/t_д. Для того чтобы лепестки этой функции не перекрывались необходимо, чтобы:

                                     1/t_д³2¦_в.

Рисунок 4.3 – Спектр дискретного сигнала

Если это неравенство не выполняется, спектр сигнала искажается в области высоких частот. Во временной области это приводит к тому, что наиболее быстрые изменения сигнала при дискретизации будут пропущены.

Полученный дискретный сигнал или сигнал с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) может принимать в своих отсчетах любые непрерывные значения. Чтобы число амплитудных значений было конечно, на втором этапе (рисунок 4.1.2, б) проводят операцию квантования. Она заключается в том, что значение отсчета сравнивается с некоторым уровнем, близким к нему, и приравнивается либо к величине этого уровня, либо к другой величине, связанной с ним. Такой величиной, например, может быть среднее значение между соседними уровнями.

При равномерном квантовании расстояние между соседними уровнями (шаг квантования) D одинаков. Процесс квантования сопровождается искажениями сигнала, которые тем больше, чем больше D. Эти искажения можно охарактеризовать мощностью шумов квантования, которая пропорциональна величине (D/2)². Поскольку отсчеты дискретного сигнала S_k являются случайной величиной, статистическое усреднение для равномерного квантования приводит к результату:

Р_шкв= .                                 (4.2)                                        

В свою очередь шаг квантования D зависит от максимального значения сигнала S_max и числа уровней n.

Число уровней квантования можно найти, задавая отношение сигнал-шум, если в качестве основного источника шума взять шумы квантования.

           (4.3)

Если сигнал гармонический:

S = S_mcosw₀t, то

   (4.4)

В (4.3)и (4.4) - =среднее значение, а S_m – амплитуда сигнала.

В соответствии с требованиями стандартов минимум качества обеспечивается при =26 дБ. Подставляя это значение в (4.4),найдем n=8.

Но это соотношение должно выполняться для самого минимального входного сигнала. Если учесть динамический диапазон сигнала на входе и взять случай более высокого качества передачи, то число уровней n будет много больше 8. Так если D=40 дБ, то n=800, а разрядность кодера r=10.

Приведенный пример указывает на избыточность, возникающую при формировании цифрового сигнала, поскольку нет необходимости большие значения входного сигнала передавать с такой же точностью, что и малые. Поэтому при квантовании применяют процедуру неравномерного квантования (рисунок 4.4), когда шаг квантования входного сигнала увеличивается с ростом сигнала. Эта процедура называется компрессией или сжатием динамического диапазона. На практике компрессию совмещают с кодированием, применяя кусочно-линейную характеристику вместо логарифмической (рисунок 4.5). При этом угол наклона отрезков прямых в каждом сегменте уменьшается в два раза. Применение неравномерного квантования позволяет ограничить число разрядов r=8.

На третьем этапе сигнал S_кв(t), дискретный во времени и по амплитуде, с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) преобразуется в цифровой код. Наиболее распространенным является двоичный цифровой код (рисунок 4.2, в). Особенностью этого кода, представленного набором электрических импульсов, является то, что длительность каждого импульса в кодовой комбинации ИКМ t_ик= в r раз меньше длительности исходного импульса. Это приводит к соответствующему расширению спектра.