Уплотнение информационных потоков

На практике часто требуется осуществить одновременную передачу информации от многих источников по одному каналу ко многим получателям, т. е. осуществить многоканальную передачу. Следует сказать, что современные системы передачи информации практически всегда многоканальные [36].

Способ объединения отдельных сообщений в один групповой сигнал с последующим разделением сообщений на индивидуальные называется уплотнением или мультиплексированием. К классическим методам уплотнения относятся частотное, временное и кодовое.

Современная техника связи позволяет организовывать широкополосные каналы, поэтому целесообразно использовать методы, позволяющие передавать наибольшее число телеграфных, телефонных, телевизионных и других сообщений на одной несущей или в отведенном интервале частот.

Сущность методов мультиплексирования состоит в том, что сообщения от нескольких источников определенным образом комбинируются в групповой сигнал и принимаются с помощью одного приемопередатчика. Поскольку современная система связи обычно является многоканальной, необходимой частью любой системы передачи информации служит мультиплексор (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Цифровая система связи

Наиболее известным является способ частотного мультиплексирования, когда в полосе пропускания канала размещается множество каналов, разделенных с помощью фильтрации по частоте (рис. 5.16а). Каждый частотный канал представлен своим спектром. Его временная структура может быть различной — это может быть последовательность импульсов или телефонное сообщение. Соответствующая настройка разделительных фильтров приемника позволяет разделить принимаемый групповой сигнал на отдельные.

При временном мультиплексировании в условном временном интервале размещают последовательно отрезки сообщений, например кодовые последовательности каждого частного канала (рис. 5.16б). Если при частотном мультиплексировании сообщения от разных абонентов передаются одновременно по общему каналу, при временном мультиплексировании передача осуществляется строго по очереди, т. е. полоса пропускания канала предоставляется полностью на определенный интервал времени каждому абоненту. На практике обычно группы каналов объединяются в супергруппы и при каждом иерархическом объединении может применяться разный способ модуляции несущей.

Аналоговый сигнал, например в телефонном канале, преобразуется в цифровой с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) и передается в каналах с временным мультиплексированием. Передача организуется так: выборки каждого непрерывного сигнала сдвигаются на интервал, достаточный для передачи соответствующей кодовой комбинации. При передаче п непрерывных сигналов в стандартном интервале времени размещают п кодовых комбинаций, по одной на каждую выборку каждого сигнала. При этом полоса частот группового сигнала увеличивается примерно в п раз. Так, 24-канальная система для передачи речи работает со скоростью 1544 кбит/с (скорость одного канала 64 кбит/с).

Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии разработал стандарты образования многоканальных сообщений при временном мультиплексировании. Прежде всего предложен 8-разрядный равномерный код для указания значений уровней квантования сигнала и закон квантования, названный „А=87,6“. На рис. 5.12 использован линейный закон квантования, когда интервалы квантования одинаковы. Закон квантования А=87,6 является нелинейным, он лучше учитывает природу восприятия человеком речевых сигналов. Частота дискретизации телефонного сообщения принята равной 8 кГц. При этом скорость передачи одного телефонного сообщения оказывается равной 64 кбит/с.

Рис. 5.16. Частотное (а) и временное (б) уплотнение

Так как принципиальной основой многоканальной цифровой системы передачи информации является временная шкала, определяющая расстановку информационных и служебных сигналов, соединение цифровых систем различной емкости в единую сеть возможно лишь при условии кратного соответствия временных шкал различных систем и стандартизации групповых сигналов и способов синхронизации. С этой целью разрабатывается иерархия (соподчиненность) цифровых систем.

Под уровнем цифровой системы понимается число каналов или скорость передачи. Иерархия предусматривает возможность образования цифровыми системами низшего порядка системы более высокого порядка. На одном уровне объединяется фиксированное число цифровых сигналов системы более низкого уровня для образования суммарного цифрового сигнала более высокого уровня.

Например, первый уровень соответствует многоканальной передаче 30 телефонных сообщений в цифровой форме. Для этого необходима суммарная скорость передачи 2048 кбит/с. Второй уровень образован из четырех систем первого уровня с учетом необходимой служебной информации. Он имеет суммарную скорость 8448 кбит/с. Система второго уровня способна передавать 120 телефонных каналов или один видеотелефонный. Третий и четвертый уровни по рекомендации МККТТ соответствуют скоростям 34,368 и 139,264 Мбит/с.

Некоторые фирмы или страны работают по своим стандартам. В табл. 5.3 приведены сведения об иерархии уровней цифровых систем (скоростей передачи).

Иерархия скоростей цифровых систем является важной эксплуатационной характеристикой. Она предусматривает адаптивность систем к любым цифровым каналам (от обычных телефонных до волоконно-оптических) и всем информационным сигналам (от речевых до сигналов цветного телевидения).

Таблица 5.3

Иерархия цифровых систем

	Скорость передачи (Мбит/с)/число каналов
Уровень
иерархии	МККТТ	США, Канада	Япония
	2,048/30	1,544/24	1,544/24
	8,448/120	6,312/96	6,312/96
	34,368/480	44,736/672	32,064/480
	139,264/1920	274,176/4032	97.728/1440
	565,148/7680		397,2/5760

Существует много причин, вызывающих необходимость стандартизации скоростей передачи цифровой информации. К ним относятся требования потребителей каналов к универсальности передающей аппаратуры по отношению к различным источникам информации, необходимости планирования развития сетей передачи данных с учетом старой и новой аппаратуры при гармоническом сочетании систем, надежности и гибкости сети передачи данных. Благодаря соблюдению стандартов иерархии можно осуществлять передачу цифровой информации по комбинированным системам с использованием кабельных, радио, спутниковых, волоконно-оптических и других каналов.