Глава 8. Цифровые методы передачи непрерывных сообщении

8.1. Общие сведения о цифровой передаче непрерывных сообщении

Для передачи непрерывных сообщений можно воспользоваться дискретным каналом. При этом необходимо преобразовать непрерывное сообщение в 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 § 1.6, для преобразования непрерывного сообщения в 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 непрерывное сообщение после декодирования восстанавливается (с той или иной точностью).

Основное техническое преимущество цифровых систем передачи перед непрерывными системами состоит в их высокой помехоустойчивости. Это преимущество наиболее сильно проявляется в системах передачи с многократной ретрансляцией (переприемом) сигналов. Типичные системы подобного типа - 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 k одинаковых звеньев, для обеспечения заданной верности связи необходимо обеспечить на входе каждого ретранслятора отношение сигнал-помеха в k раз больше, чем при передаче без ретрансляций. В реальных системах число ретрансляций k может достигать нескольких десятков, а иногда и сотен; накопление помех вдоль тракта передачи становится основным фактором, ограничивающим протяженность линии связи.

При цифровых системах передачи для ослабления эффекта накопления помех при передаче с ретрансляциями наряду с усилением применяют регенерацию импульсов, т. е. демодуляцию с восстановлением переданных кодовых символов и повторную модуляцию на переприемном пункте. При использовании регенерации аддитивная помеха со входа ретранслятора не поступает на его выход. Однако 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 k регенераторов и допустимой вероятности ошибки р<<1 необходимо в демодуляторе каждого регенератора обеспечить вероятность ошибки р₁ не более чем p/k. Однако в отличие от предыдущего случая для этого вовсе не нужно увеличивать отношение сигнал-помеха на входе регенератора в k раз. Так, например, при передаче двоичных символов в канале с аддитивным гауссовским шумом и некогерентном приеме двоичных ортогональных сигналов ошибки определяются формулой (6.82). Если требуется обеспечить р<10^-5, то в системе без переприема для этого необходимо иметь h² = -2 In(2р) = 21,64. При использовании k = 1000 регенераторов следует обеспечить на каждом из них p₁<10^-8, или h² = - 2 In(2p)^-1 ≈ 35,45. 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 микропроцессоров. Совокупность устройств, выполняющих преобразования входных цифровых сигналов в выходные цифровые сигналы на основе заданного алгоритма цифрового преобразования, называют цифровыми фильтрами. По существу, цифровой фильтр является специализированной ЭВМ или микропроцессором^*. 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 аппаратуры связи и автоматизации управления сетями связи и ускорить тем самым решение проблемы построения ЕАСС страны.

^* (Теория и техника цифровой фильтрации и схемы цифровых фильтров на базе микропроцессоров рассматриваются в курсе к "Основы цифровой техники и микропроцессоры".)

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.

Перейдем теперь к рассмотрению структурной схемы цифрового канала передачи непрерывных сообщений (рис. 8.1). 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 и устройства преобразования цифрового сигнала в непрерывный - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) на приемной стороне.

Рис. 8.1. Структурная схема системы цифровой передачи непрерывных сообщений

Рис. 8.2. Преобразование непрерывного сообщения в последовательность двоичных импульсов

Преобразование аналог - цифра состоит из трех операций (рис. 8.2): сначала непрерывное сообщение подвергается дискретизации по времени через интервалы Δt (рис. 8.2,а); полученные отсчеты мгновенных значений b(kΔt) квантуются (рис. 8.2,6); наконец, полученная последовательность квантованных значений b_KB(kΔt) передаваемого сообщения представляется посредством кодирования в виде последовательности m-ичных кодовых комбинаций (рис. 8.2,в). Такое преобразование называется импульснокодовой модуляцией. 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 которого1 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 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) (рис. 8.2,г). Выбрав малый шаг квантования, можно обеспечить эквивалентность по заданному ε-критерию (см. § 4.7) исходного и квантованного сообщений. Погрешность (ошибку) квантования, представляющую собой разность между исходным сообщением и сообщением, восстановленным по квантованным отсчетам, называют шумом квантования.