ГЛАВА СЕДЬМАЯ. ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНЫХ СООБЩЕНИЙ

7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРОВОЙ ПЕРЕДАЧЕ НЕПРЕРЫВНЫХ СООБЩЕНИЙ

Для передачи непрерывных сообщений можно воспользоваться дискретным каналом. Для этого необходимо преобразовать непрерывное сообщение в дискретный (цифровой) сигнал, т.е. в последовательность символов, сохранив содержащуюся в сообщении существенную часть информации, определяемую его эпсилон-энтропией. Типичными примерами цифровых систем передачи непрерывных сообщений являются системы с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) и дельта-модуляцией (ДМ).

Как отмечалось в § 1.7, для преобразования непрерывного сообщения в дискретную (цифровую) форму используются операции дискретизации и квантования. Полученная таким образом последовательность квантованных отсчетов кодируется и передается по дискретному каналу, как всякое дискретное сообщение. На приемной стороне после декодирования восстанавливается (с той или иной точностью) непрерывное сообщение.

Основное техническое преимущество цифровых систем передачи перед системами непрерывного типа состоит в их высокой помехоустойчивости. Это преимущество наиболее сильно проявляется в Артемах передачи с многократной ретрансляцией (переприемом) сигналов. Типичными системами подобного типа являются кабельные и радиорелейные линии большой протяженности. В них сигналы передаются по цепи ретрансляторов, расположенных на таких расстояниях друг от друга, которые обеспечивают надежную связь. В таких системах помехи и искажения, возникающие в отдельных звеньях, как правило, накапливаются. Допустим, для простоты, что сигнал в каждом ретрансляторе только усиливается. Тогда, если аддитивные помехи в каждом звене

статистически независимы, их мощность на входе последнего звена равна сумме мощностей помех всех звеньев.

Если система состоит из одинаковых звеньев, для обеспечения заданной верности связи необходимо обеспечить на входе каждого ретранслятора отношение сигнал/помеха в раз больше, чем при передаче без ретрансляций. В реальных системах число ретрансляций может достигать нескольких десятков, а иногда и сотен. В этих случаях накопление помех вдоль тракта передачи становится основным фактором, ограничивающим протяженность линии связи.

При цифровых системах передачи с целью ослабления эффекта накопления помех при передаче с ретрансляциями наряду с усилением используется регенерация импульсов, т. е. демодуляция с восстановлением переданных кодовых символов и повторная модуляция на переприемном пупкте. При использовании регенерации аддитивная помеха со входа ретранслятора не поступает на его выход. Правда, она вызывает ошибки при демодуляции. Ошибочно принятые в одном регенераторе символы в таком виде передаются и на следующие регенераторы, так что ошибки все же накапливаются. При использовании регенераторов и допустимой вероятности ошибки необходимо в демодуляторе каждого регенератора обеспечить вероятность ошибки не более чем Однако, в отличие от предыдущего случая, для этого вовсе не нужио увеличивать отношение сигнал/помеха на входе регенератора в раз. Так, например, при передаче двоичных символов в канале с аддитивным гауссовским шумом и некогерентном приеме двоичных ортогональных сигналов ошибки определяются формулой (4.88). Если требуется обеспечить то в системе без переприема для этого нужно иметь . При использовании регенераторов нужно обеспечить на каждом из них или . Для этого достаточно поднять мощность сигнала в 1,64 раза, а не в 1000 раз.

При цифровой системе передачи непрерывных сообщений можно, кроме того, повысить верность применением помехоустойчивого кодирования. Высокая помехоустойчивость цифровых систем передачи позволяет осуществить практически неограниченную по дальности связь при использовании каналов сравнительно невысокого качества.

Другим существенным преимуществом цифровых систем передачи информации является широкое использование в аппаратуре преобразования сигналов современной элементной базы цифровой вычислительной техники и микроэлектроники. Больше того, на цифровой основе могут быть объединены в единой системе сигналы передачи данных с сигналами передачи речи и телевидения. Возможность приведения всех видов передаваемой информации к цифровой форме позволит осуществить интеграцию систем передачи и систем коммутации. Простота сочленения цифрового канала с ЭВМ позволяет существенно расширить область

использования вычислительной техники при построении аппаратура связи и автоматизации управления сетями связи и ускорить тем самым решение проблемы построения Единой автоматизированной сети связи страны.

Отмеченные и другие преимущества цифровых систем передачи непрерывных сообщений позволяют предположить, что в ближайшие годы эти системы найдут не менее широкое применение, чем непрерывные (аналоговые) системы связи.

Рис. 7.1. Структурная схема системы цифровой передачи непрерывных сообщений

Перейдем теперь к рассмотрению структурной схемы цифрового канала передачи непрерывных сообщений (рис. 7.1).

В отличие от непрерывного канала передачи, в составе цифрового канала предусмотрены устройства для преобразования непрерывного сообщения в цифровую форму — аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на передающей стороне), устройства преобразования цифрового сигнала в непрерывный — цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на приемной стороне.

Преобразование аналог — цифра состоит из трех операций (рис. 7.2): сначала непрерывное сообщение подвергается дискретизации по времени

Рис. 7.2. Преобразование непрерывного сообщения в последователыгость двоичных импульсов

через интервалы полученные отсчеты мгновенных значений квантуются (рис. 7.26); наконец, полученная последовательность квантованных значений передаваемого сообщения представляется посредством кодирования в виде последовательности -ичных кодовых комбинаций (рис. 7.2в). Такое преобразование называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Чаще всего кодирование здесь сводится к записи номера уровня в двоичной системе счисления. В дальнейшем будем рассматривать цифровые системы, в которых непрерывное сообщение преобразовано в последовательность кодовых комбинаций, составленных из двоичных символов.

Полученный с выхода АЦП сигнал ИКМ поступает или непосредственно в линию связи или на вход передатчика (модулятора), где последовательность двоичных импульсов преобразуется в радиоимпульсы.

На приемной стороне линии связи последовательность импульсов после демодуляции и регенерации в приемнике поступает на цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, назначение которого состоит в обратном преобразовании (восстановлении) непрерывного сообщения по принятой последовательности кодовых комбинаций. В состав ЦАП входят декодирующее устройство, предназначенное для преобразования кодовых комбинаций в квантованную последовательность отсчетов, и сглаживающий фильтр, восстанавливающий непрерывное сообщение по квантованным значениям.

Преобразование непрерывных сообщений в цифровую форму в системах ИКМ, как уже отмечалось, сопровождается округлением мгновенных значений до ближайших разрешенных уровней квантования. Возникающая при этом погрешность представления является неустранимой, но контролируемой (так как не превышает половины шага квантования). Выбрав достаточно малый шаг квантования, можно обеспечить эквивалентность по заданному -критерию (см. § 6.1) исходного и квантованного сообщений. Погрешность (ошибку) квантования, представляющую собой разность между исходным сообщением и сообщением, восстановленным по квантованным отсчетам, называют шумом квантования.