Характеристики первичных сигналов

Динамический диапазон и пик-фактор

Мгновенная мощность сигналов связи может принимать различные значения в самых широких пределах. Чтобы охарактеризовать эти пределы, вводят понятия динамического диапазона и пик-фактора сигнала.

Динамический диапазон сигнала, дБ, определяется выражением:

D_c=10lg(P_max/P_min),

где Р_тах и Р_тiп – максимальное и минимальное значения мгновенной мощности.

Под Р_тах обычно понимают значение мгновенной мощности сигнала, вероятность превышения которого достаточно мала (на­пример, равна 0.01). О величине этой вероятности условливаются для каждого конкретного сигнала.

Пик-фактором сигнала называют отношение его максимальной мощности к средней. В логарифмических единицах:

Q=10 lg(Pmax/Pср).

В некоторых случаях динамический диапазон и пик-фактор определяют не в логарифмических, а в абсолютных единицах (в «разах»).

Информационная емкость сигналов

Характеристикой сигнала является также количество информации, переносимой им в едини­цу времени, т.е. информационная емкость сигнала, бит/с.

Для непрерывного (аналогового) сигнала количество информации опреде­ляется по формуле:

I = ΔFc log2(1 + Pср/Pп),

где ΔF_c – ширина спектра сигнала;

Р_ср – средняя мощность сигнала;

Р_п — мощность помехи.

Для дискретного (или цифрового) сигнала количество информации может быть подсчитано по формуле:

f_т = 1/Т – тактовая частота, численно равная скорости передачи, т. е. чис­ло импульсов в секунду;

Т – период импульсной последовательности (тактовый интервал);

l_k – число разрешенных значений (уровней), которые может при­нимать дискретный сигнал;

р_i – вероятность появления сигнала с i-м уровнем.

Если импульсы различных уровней равновероятны, т. е. p_i = 1/l_k, то

.

В этом случае зависимости от уровня нет, каждый уровень несет одинаковое количество информации.

5 Модуляция сигналов. Виды модуляции.

Модуляция сигналов

Перенос сигнала из одной точки пространства в другую осуще­ствляет система электросвязи. Электрический сигнал является, по сути, формой представления сообщения для передачи его системой электросвязи.

Чтобы передать сигнал в системе электросвязи, нужно воспользоваться каким-либо переносчиком. В качестве пере­носчика естественно использовать те материальные объекты, которые имеют свойство перемещаться в пространстве, на­пример электромагнитное поле в проводах (проводная связь), в открытом пространстве (радиосвязь), световой луч (оптическая связь).

Обычно в качестве переносчика используется гармоническое колебание высокой частоты – несущее колебание. Процесс преобразования первичного сигнала заключается в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания по заказу изменения первичного сигнала (т.е. в наделении несуще­го колебания признаками первичного сигнала) и называется модуляцией.

Причина использования в качестве несущего колебания гармонического колебания высокой частоты заключается в том, что с ростом частоты растет и энергия колебания, а это способствует более дальнему распространению сигнала в среде передачи.

Импульсная модуляция; Широтно импульсная модуляция; Частотная импульсная модуляция; Фазовая модуляция; Импульсно кодовая модуляция.

Амплитудная модуляция.

В данном типе модуляции первичный сигнал управляет амплитудой сигнала-переносчика (несущего колебания).

6 Импульсная модуляция

Импульсная модуляция

Часто в качестве переносчика используют периодическую после­довательность сравнительно узких импульсов. Последовательность прямоугольных импульсов одного знака v₀(t) характеризуется параметрами (рис. 2.14): амплитудой импульсов V, длительностью (шириной) импульсов τ_и; частотой следования (или тактовой частотой) f_T =1/T, где Т – период следования импульсов (ω_T = 2πf_T); положе­нием (фазой) импульсов относительно тактовых (отсчетных) точек. Отношение T/τ_и называется скважностьюимпульса.

Рис. 2.14. – Последовательность прямоугольных импульсов

По закону передаваемого первичного сигнала можно изменять (мо­дулировать) любой из перечисленных параметров импульсной после­довательности. При этом модуляция называется импульсной.

Рис. 2.15. а, б, в, г, д – Варианты импульсной модуляции

В зависимости от того, какой параметр модулируется первичным сиг­налом s(t), различают: амплитудно-импульснуюмодуляцию (АИМ), когда по закону передаваемого сигнала (рис. 2.15. а)изменяется ам­плитуда импульсов (см. рис. 2.15. б); широтно-импульснуюмодуляцию (ШИМ), когда изменяется ширина импульсов (рис. 2.15. в); частотно-импульснуюмодуляцию (ЧИМ) - изменяется частота следования им­пульсов (рис. 2.15. г); фазо-импульснуюмодуляцию (ФИМ) – изме­няется фаза импульсов, т.е. временное положение относительно так­товых точек (рис. 2.15. д). Модуляцию ФИМ и ЧИМ объединяют во временно-импульсную(ВИМ). Между ними существует связь, аналогичная связи между фа­зовой и частотной модуляцией синусоидального колебания.

В качестве примера на рис. 2.16 показан спектр АИМ-сигнала при модуляции импульсной последовательности сложным первичным сигналом s(t) с полосой частот от 0 до Ω. Он содержит спектр ис­ходного сигнала s(t), все гармоники тактовой частоты ω_T (т.е. часто­ты 2ω_Т, Зω_Т, 4ω_Т и т.д.) и боковые полосы частот около гармоник так­товой частоты.

Рис. 2.16. – Спектр АИМ-сигнала

Спектры сигналов ШИМ, ЧИМ и ФИМ имеют еще более слож­ный вид.

Импульсные последовательности, изображенные на рис. 2.15. а, б, в, г, д, на­зываются последовательностями видеоимпульсов. Если позволяет среда распространения, то видеоимпульсы передаются без дополни­тельных преобразований (например, по кабелю). Однако по радиоли­ниям передать видеоимпульсы невозможно. Тогда сигнал подвергают второй ступени преобразования (модуляции).

Модулируя с помощью видеоимпульсов гармоничное несущее ко­лебание достаточно высокой частоты, получают радиоимпульсы, ко­торые способны распространятся в эфире. Полученные в результате сочетания первой и второй ступеней модуляции сигналы могут иметь названия АИМ-АМ, ФИМ-АМ, ФИМ-ЧМ и др.

7 Импульсно-кодовая модуляция

Импульсно-кодовая модуляция применяется во всех современных цифровых системах связи для оцифровки голосовых (речевых) сигналов.

Этапы преобразования сигнала к ИКМ-модулированному сигналу:

1. Дискретизация.

На данном этапе применяется теорема Котельникова для дискретизации сигналов: «Для однозначного восстановления аналогового сигнала из дискретного, частота дискретизации такого сигнала должна быть больше или равна удвоенному значению максимальной частоты спектра исходного аналогового сигнала».

f_д ≥ 2F_max,Т_д = 1/2F_max .

Рис. 2.17. – Диапазон частот канала тональной частоты

Если f_д < 2F_max, то восстановить такой сигнал с требуемой точностью на приеме невозможно, т.к. спектры перекрываются и при фильтрации в область полезного сигнала попадет помеха (рис. 2.18).

Рис. 2.18. – Дискретизация сигнала при f_д < 2F_max

Если f_д = 2F_max, то при фильтрации полезного спектра мешающее влияние соседних полос не будет сказываться (рис. 2.19).

Рис. 2.19. – Дискретизация сигнала при f_д = 2F_max

Если f_д > 2F_max, дискретизация избыточна, т.е. увеличение частоты дискретизации приводит к усложнению оборудования при том же качестве восстанавливаемого сигнала (рис. 2.20).

Рис. 2.20. – Дискретизация сигнала при f_д > 2F_max

Для телефонного сигнала с учетом защитного интервала F_max = 4 кГц (рис. 2.17.), f_д = 8 кГц.

2. Квантование. Квантование – разбиение сигнала на уровни по амплитуде. На рис 2.21. а, показан пример телефонного сигнала. На этом этапе происходит деление шкалы амплитуд определенным образом на кванты. Квантование может быть равномерным, а может быть и неравномерным.

Рис. 2.21. а, б – Квантование сигнала

На рис 2.21. б, показан дискретизированный квантованный сигнал. Поскольку уровни квантования берутся с определенным шагом, не всегда текущее значение сигнала попадает на данный квант. Такие выборки автоматически округляются до ближайшего уровня квантования, в связи с этим возникает, так называемая, ошибка квантования Δδ.

Δδ = ±0,5 l,

где l – высота уровня квантования.

Каждый уровень кодируют n битами. Число таких уровней достигает N_l = 2ⁿ. При n = 8 бит, N_l = 256.

Для телефонной связи в таком случае получаем: F_max = 4 кГц; f_д = 8 кГц.

R = 8 кГц · 8 бит = 64 кбит/сек – скорость передачи речи в цифровом канале.

8 Принципы построения систем передачи с временным разделением каналов

Если в системах передачи с частотным разделением каналов телефонные каналы передавались по одной паре проводов на разных неперекрывающихся частотах, то в системах передачи с временным разделением каналов спектры различных телефонных сигналов не отделены друг от друга. Разделение каналов происходит во временной плоскости. По сути пара проводов используется абонентами по очереди для передачи информации. Однако время между пользованиями линии одним абонентом существенно мало, поэтому он даже не замечает разрывов. Покажем принцип работы системы передачи с временным разделением каналов на примере трех канальной системы.

Пусть в качестве переносчика первичного сигнала s₁(t) выбрана периодическая последовательность узких импульсов и осуществлена модуляция этой последовательности по амплитуде. Полученный в результате АИМ-сигнал - канальный сигнал v₁(t) первого канала показан на рис. 6.1. а. Выберем последовательность импульсов в качестве переносчика второго первичного сигнала s₂(t) таким образом, чтобы импульсы АИМ-сипнала v₂(t) второго канала передавались в те промежутки времени, когда цепь свободна от передачи импульсов первого канала (см. рис. 6.1. б). Канальные импульсы третьего (см. рис. 6.1. в) и других каналов также должны быть сдвину­ты во времени относительно импульсов первых двух каналов и друг друга. Групповой сигнал v(t) получается после объединения канальных сигналов v₁(t), v₂(t)_t.... v_N(t) (рис. 6.1. г).

V1(t)

А

V2(t)

Б

V3(t)

В

V4(t)

Г

1 2 3 1 2 3 1

Рис. 6.1. – Принцип временного разделения сигналов

9 Иерархическое построение многоканальных систем передачи с импульсно-кодовой модуляцией

Цифровые системы передачи создают во всем мире; коммуникации связи не знают государственных границ. Каждая страна должна выпускать аппаратуру, согласовывая ее со стандартами, принятыми в других странах. Государства должны договориться, на каких принципах строить аппаратуру. С этой целью создан межгосударственный орган - Международный союз электросвязи (МСЭ). Он рекомендует строить цифровые системы передачи по иерархическому принципу.

В настоящее время существуют 3 иерархии: Европейская, Американская и Японская. В таблице 6.1 приведены все 3 иерархии.

Таблица 6.1.

Уровень цифровой иерархии	Количество каналов основных цифровых каналов (64 кбит/с) / Скорость передачи (кбит/с)
Американский стандарт (Tx)	Японский стандарт Jx	Европейский стандарт (Ex)
первичный
вторичный
третичный
четвертичный

Российская федерация приняла в качестве национальной европейскую иерархию построения цифровых систем передач.

Канал, в котором цифровая информация передается со скоростью 64 кбит/с, получил название основного цифрового канала. Возможности любой цифровой системы передачи оцениваются числом организованных с ее помощью именно таких стандартных каналов.

Чем выше ступень иерархии, тем больше организуется каналов и тем мощнее цифровой поток или, другими словами, тем выше его ско­рость. К системам передачи, стоящим в самом низу иерархической лестницы, относится аппаратура ИКМ-30 (первичный уровень). У подобных систем переда­чи сравнительно невысокая скорость цифрового потока (около 2 Мбит/с), что делает их пригодными для организации связи между АТС по обычным городским и сельским кабелям связи, образующим довольно обширную сеть подземных магистралей. Объединение циф­ровых потоков в этих системах осуществляется, как мы видели, по принципу «чередования кодовых комбинаций». Введение в них синхросигнала и различных служебных символов потребовало до­полнительных каналов и привело к тому, что скорость объединенно­го цифрового потока стала больше суммы скоростей объединяемых потоков.

Скорость передачи по междугородным симметричным кабелям связи может быть увеличена до 8 Мбит/с. По каждой паре этих кабе­лей могут работать четыре системы ИКМ-30. Чтобы обеспечить одновременную работу этих систем, нужно объе­динять их выходные потоки. Аппаратура, осуществляющая это объе­динение, называется по числу образованных каналов - ИКМ-120. Скорость потока на выходе этой аппаратуры 8,448 Мбит/с.

Более мощные потоки цифровой информации можно передавать по парам коаксиальных кабелей, волокнам оптических кабелей, стволам спутниковых и радиорелейных линий связи. Для образования высоко­скоростных потоков объединяют цифровые потоки четырех систем ИКМ-120. В результате скорость передачи в линии возрастает до 34,368 Мбит/с. Число каналов в новой системе равно 480, поэтому она получила название ИКМ-480.

Поступая далее аналогичным образом (см. рис. 6.5), получаем при слиянии че­тырех потоков систем передачи ИКМ-480 суммарный цифровой поток со скоростью 139,264 Мбит/с. Это уже аппаратура ИКМ-1920.

10 Цикловая структура в системах передач с ИКМ. Синхронизация в системах с ИКМ

В системах передач с ИКМ выделяют три типа синхронизации.

1. Тактовая;

2. Цикловая;

3. Сверхцикловая.

1. Тактовая синхронизация выделяется из самого цифрового сигнала.

Рис. 6.6. – Выделение сигнала тактовой синхронизации из цифрового канала

Выделение тактовой синхронизации из последовательности импульсов производится с помощью резонансного контура настроенного на частоту следования импульсов или тактов. На выходе контура получается гармоническое колебание частотой равной тактовой частоте ИКМ сигнала. Далее сигнал усиливается и пропускается через ограничитель амплитуды. В результате формируется последовательность импульсов с частотой следования равной тактовой частоте ИКМ сигнала.

Тактовая синхронизация нужна для синхронизации приемного генератора тактовых импульсов (для верного приема и мультиплексирования). Однако, если в канале длительное время нет полезного сигнала (идут одни нули), то выделить тактовую последовательность указанным способом не удается.

Для устранения такого недостатка ИКМ сигнал подвергают скрэмблированию – сложение по модулю 2 со специальным сигналом скрэмблом.

Цифровой поток: 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1

Скрэмбл: 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0

Сигнал в линии: 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1

Рис. 6.7. – Процедура скрэмблирования сигнала

В результате повторяющиеся серии нолей преобразуются в чередование 0 и 1. На приемной стороне производят повторное сложение по модулю 2 с таким же скрэмблом, тем самым формируется исходный сигнал.

Генераторы на приемной стороне очень стабильны. Поэтому даже длинная серия нолей не позволит им выйти из синхронизма. Но вероятность потери синхронизма все же есть.

2. Цикловая синхронизация (ЦС) необходима для указания приемному оборудованию начала цикла ИКМ. Цикловая синхронизация имеет определенную кодовую комбинацию 0011011 (ИКМ-30). ЦС повторяется каждые 250 мкс.

3. Сверхцикловая синхронизация (СЦС) указывает на начало сверхцикла и повторяется каждые 2 мс (125х16). Имеет также определенную кодовую комбинацию 0000.

Тактовая синхронизация обеспечивает равенство скоростей обработки цифровых сигналов в линейных и станционных регенераторах, кодеках и других устройствах ЦСП, осуществляющих обработку сигнала с тактовой частотой FТ;

Цикловая синхронизация обеспечивает правильное разделение и декодирование кодовых групп цифрового сигнала и распределение декодированных отсчетов по соответствующим каналам в приемной части аппаратуры;

Сверхцикловая синхронизация обеспечивает на приеме правильное распределение сигналов управления и взаимодействия (СУВ) по соответствующим телефонным каналам. СУВ представляют собой набор сигналов, управляющих работой АТС (набор номера, ответ, отбой, разъединение и пр.)

11 Верхние уровни ЦСП с ИКМ. Линейные тракты систем передачи с ИКМ

Структура кадра ИКМ-120

Групповой сигнал СП ИКМ-120 формируется путем объединения четырех сигналов СП ИКМ-30 посредством побитного мультиплексирования.

Рис. 6.13. – Структура кадра ИКМ-120

Скорость передачи в системе ИКМ-120 составляет: R = (264 · 4) / 125 мкс = 1056 / 125·10^-6 = 8,448 Мбит/с.

Структура кадра ИКМ-480

Групповой сигнал СП ИКМ-480 формируется путем объединения четырех сигналов СП ИКМ-120 посредством побитного мультиплексирования.

Рис. 6.14. – Структура кадра ИКМ-480

Скорость передачи в системе ИКМ-480 составляет: R = (716 бит · 6) / 125·10^-6 = 34,368 Мбит/с.

Структура кадра ИКМ-1920

Групповой сигнал СП ИКМ-1920 формируется путем объединения четырех сигналов СП ИКМ-480 посредством побитного мультиплексирования.

Рис. 6.15. – Структура кадра ИКМ-1920

Скорость передачи в системе ИКМ-1920 составляет: R = (544 · 4 · 8)/125 мкс = 139,264 Мбит/с.