Параметры стандартных каналов систем передач

Аналоговые системы передачи		Цифровые системы передачи
Емкость (кол-во КТЧ)	Полоса пропускания, кГц		Емкость (кол-во КТЧ)	Пропускная способность, кбит/с
1	0,3 –3,4		1	64
3	12 - 24		7	480
12	60 - 108		30	2048
60	312 - 552		120	8448
300	812 - 2044		480	34368
			1920	139264

1.3. Кодирование и модуляция

Превращение сообщения в сигнал, кроме преобразования, может осуществляться с помощью кодирования и модуляции. Эти операции, наряду с операцией преобразования, могут быть независимыми, последовательными или совмещенными. Преобразование и модуляция – это процессы, характерные для аналоговых СП. В цифровых СП помимо этих процессов осуществляется кодирование сигнала как обязательный процесс преобразования при передаче информации по цифровому КС. Если преобразование является лишь операцией получения первичного сигнала, то модуляция и кодирование во многом определяют количественные и качественные показатели, характеризующие процессы передачи информации [1].

Кодирование – это процесс замены передаваемого сообщения (аналогового сигнала) соответствующими кодовыми комбинациями в виде импульсов электрического тока. В простейшем виде кодирование используется в телеграфной связи, для замены символов (букв и цифр) кодовой последовательностью стандартизованных импульсов.

Более значимое применение кодирование приобрело в цифровых СП. Коды, применяемые при преобразовании аналогового сигнала в цифровой в АЦП, представляют собой набор комбинаций, составленных из различных элементов. Под элементами кода понимаются различные элементарные сигналы, отличающиеся друг от друга. В телеграфии, например, передача сообщений осуществляется импульсами тока, которые в совокупности с паузами образуют двоичный, или бинарный, код. Этот код (код Бодо) состоит из двух элементов «1» и «0», т. е. это двоичный код. Основание системы счисления кода – абсолютное количество разных элементов для передачи одного значения. Все комбинации кода Бодо составлены из одинакового числа элементов и имеют одинаковую длительность. Благодаря этому каждый элемент занимает вполне определенное положение во времени, находясь на определенном месте внутри комбинации, причем «1» означает посылку тока, а «0» — отсутствие тока, паузу (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Форма сигнала в двоичном коде

В реальных условиях СП должны выполнять большой объем вычислений и логических операций, связанных с изменением и регулированием параметров сигнала, а также с операциями кодирования и декодирования. Одновременное требование высоких скоростей и верности передачи приводит к необходимости применения систем, в которых используются многопозиционные и корректирующие коды. Практически реализация таких систем базируется на использовании микропроцессоров и ЭВМ. В этом направлении и идет развитие современной техники цифровой связи.

В телефонной линии связи постоянно присутствует электрический сигнал - несущий, напряжением 60 В для России и 30 В за рубежом [2]. Процесс модуляции состоит в том, что изменения низкочастотного сигнала, преобразованного в электрический сигнал первоначального сообщения, вызывают изменения параметров несущего сигнала. Электрический сигнал распространяется в виде синусоидальных колебаний несущей частоты передатчика. Параметрами такого сигнала являются амплитуда, частота и фаза. Изменяя каждый из перечисленных параметров, получают амплитудную, частотную и фазовую модуляции. Таким образом, модуляция - это воздействие на некоторый параметр (изменение параметра) переносчика сигнала в соответствии с законом изменения первоначального передаваемого сообщения. На рис. 1.16 показаны сообщения и существующие формы сигналов для амплитудной, частотной и фазовой модуляций.

Для передачи на значительные расстояния речевых сигналов, лежащих в низкочастотном (тональном) спектре частот (300-3400 Гц), применяют те или иные виды модуляции.

Амплитудно-модулированный сигнал (рис. 1.17) - это радиочастотные колебания, амплитуда которых изменяется во времени по закону управляющего сигнала звуковой частоты.

При амплитудной модуляции гармонического колебания воздействию подвергается амплитуда несущего сигнала, изменяемая во времени в соответствии с изменением передаваемого сигнала. Сложный амплитудно-модулированный сигнал образуется путем наложения управляемого сигнала на несущие колебания. Все три колебания показывают характер изменения амплитуды сигнала во времени.

Частотно-модулированный сигнал - радиочастотные колебания, частота которых изменяется во времени по закону управляющего сигнала. В зависимости от величины управляющего сигнала частота модулированных колебаний то возрастает, то уменьшается.

Фазово-модулированный сигнал - радиочастотное колебание, начальная фаза которого изменяется во времени по закону управляющего сигнала звуковой частоты. Амплитуда остается неизменной.

При амплитудной модуляции гармонического колебания (рис. 1.16, 1.17) воздействию подвергается амплитуда несущего (высокочастотного (ВЧ)) сигнала, изменяемая во времени в соответствии с изменением передаваемого низкочастотного сигнала [2]:

u = U₀ cos (ω₀ t- φ₀) , (1.1)

где u, U₀, ω₀, φ₀ - мгновенное и амплитудное значения несущего сигнала, частота и начальная фаза соответственно.

Рис. 1.16. Виды модуляции

Сигнал при амплитудной модуляции

u = [U₀ + ΔU·f (t)] cos (ω₀ t + φ₀) (1.2)

или

U_ам = U₀ [1+ (ΔU /U₀) f (t)] cos (ω₀ t + φ₀), (1.3)

где ∆U - предельное изменение амплитуды низкочастотного сигнала;

f(t) - функция низкочастотного сигнала во времени (модулирующая функция).

Отношение амплитудных величин низко частотного и несущего высоко частотного сигналов ∆U/U₀ = М - коэффициент модуляции. Во избежание искажений принимают М ≤1. Если ∆U·f(t) представляет собой низкочастотное гармоническое колебание частотой Ω и фазой φ, то величина амплитудно-модулированного сигнала определяется как

U_ам = U₀ [1+M cos (Ω t + φ)] cos (ω₀ t + φ₀). (1.4)

При частотной модуляции изменяется частота несущего сигнала в соответствии с изменением уровня передаваемого низкочастотного сигнала:

ω = ω₀+ Δ ω· f (t), (1.5)

где ∆ω - предельное изменение - девиация частоты от модуляции (воздействия) низкочастотным сигналом.

Рис. 1.17. Графики процесса амплитудной модуляции: а – звуковые колебания у микрофона;

б – усиленные электрические колебания после микрофонного усилителя;

в – радиочастотные колебания задающего генератора;

г – промодулированные по амплитуде радиочастотные колебания

Следует помнить, что с изменением частоты сигнала всегда меняется его фаза и наоборот, т.е. частотная и фазовая модуляции взаимосвязаны (вследствие этого их иногда называют угловой модуляцией).

Сигнал – переносчик информации, имеет стабильную амплитуду, равную

и = U₀ cos θ (t), (1.6)

где θ(t)= ω₀t + φ₀ - мгновенная фаза.

Мгновенное значение частоты этого сигнала определяется как

ω = d θ / d t ,

а фаза колебаний с переменной угловой скоростью -

(1.7)

Вводя обозначение , получаем значение частотно-модулированного сигнала

U_чм = U₀ cos [ω₀ t + Δω·F (t)]. (1.8)

Если модулирующая функция f(t) - гармоническое колебание с пара­метрами и ψ, то

U_чм = U₀ cos [ω₀ t + Δω· =

= U₀ cos [ω₀ t + (Δω/Ω) φ₀], (1.9)

где ∆φ/Ω - индекс модуляции, соответствующий наибольшему отклонению фазы в процессе модуляции.

Фазовая модуляция характеризуется изменением фазы сигнала в соот­ветствии с передаваемым сообщением (см. рис. 1.16):

φ = φ₀+ Δ φ· f (t), (1.10)

где ∆φ - предельное изменение фазы от воздействия низкочастотных сигналов.

После подстановки формулы (1.10) в уравнение синусоидальных колебаний (1.1) при φ₀= 0 получим значение фазомодулированного сигнала:

U_фм = U₀ cos [ω₀ · t + Δφ·f (t)]. (1.11)

Из сравнения формул (1.8) и (1.11) видно, что если модулирующая (информационная) функция является синусоидальной, то сигналы при частотной и фазовой модуляциях трудноразличимы. При сложной модулирующей функции, изменяющейся во времени, аналитические выражения сигналов частотной и фазовой модуляций различаются легко.

В системах передачи дискретной информации переносчиками сигналов являются последовательности импульсов, длительность τ₀ которых обычно значительно меньше периода их следования T₀. Скважность - это отношение длительности периода повторения импульсов к длительности импульса. Чем больше скважность ν = T₀ / τ₀, тем меньше энергия импульсного сигнала по сравнению с энергией непрерывного сигнала (при одинаковых пиковых значениях). Использование временных интервалов между импульсами для размещения в них сигналов других каналов называется передачей с временным разделением каналов.

Для импульсного сигнала

u = U₀ , i = 0,1,2,…,

где U₀ - амплитуда импульса; - функция, описывающая форму одиночного импульса; t₀ - сдвиг времени относительно выбранного начала отсчета.

Последовательность однополярных прямоугольных импульсов харак­теризуется, как правило, четырьмя параметрами: U₀, t₀, T₀, τ₀.

Радиотехническая схема, с помощью которой реализуется процесс модуляции, получила название модулятора. Рассмотрим работу модулятора на примере передачи речевого сообщения. На модулятор (М) поступает два колебания: высокочастотное и информационный низкочастотный сигнал (рис. 1.18) [1]. Колебания высокой частоты, поступающие на модулятор, создаются задающим генератором (Г). Сигнал, поступающий от генератора, представляет собой синусоидальное высокочастотное колебание электрического тока с постоянными параметрами: амплитудой, частотой, фазой. Это колебание называется несущим (рис. 1.19, б). На другой вход модулятора поступает низкочастотный сигнал, каким-либо образом изменяющийся во времени (управляющий сигнал) (рис. 1.19, а). В нашем случае это сигнал с микрофона (вместо микрофона может быть телеграфный аппарат, датчик системы сигнализации, ПК и т.д.).

Импульсная модуляция - процесс изменения параметров импульсной последовательности сигнала-переносчика. Различают амплитудно-, широтно-, фазово- и частотно-импульсную модуляции.

Рис. 1.18. Функциональная схема образования модулированного сигнала

а б

Рис. 1.19. Сигналы: а) управляющий, б) несущий

В цифровых системах передачи в основном используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). ИКМ не является каким-то особенным видом модуляции, в этом случае просто указывается на вид модулирующего сигнала. Применение радиоимпульсов в СП позволяет получить три разновидности ИКМ (рис. 1.20), подобных модуляции в аналоговых системах: амплитудную (ИКМ-АМ), частотную (ИКМ-ЧМ) и фазовую (ИКМ-ФМ).

Рис. 1.20. Разновидности импульсно-кодовой модуляции:

а) управляющий сигнал (кодовая последовательность), б) несущее колебание,

в) ИКМ-ЧМ, г) ИКМ-ФМ, д) ИКМ-АМ

В отличие от аналоговых схем управляющим сигналом при модуляции в цифровых СП является кодовая последовательность импульсов с определенным тактовым интервалом (t_и). При ИКМ-ЧМ символам «1» и «0» соответствует передача несущего колебания с разными частотами f₀ и f₁. При ИКМ-ФМ фаза несущей меняется на 180^˚ на каждом фронте импульса, т.е. при переходе от «0» к «1» или обратно. При ИКМ-АМ символу «1» соответствует передача несущего колебания в промежуток времени равный длительности импульса. При передаче символа «0» передача несущего колебания отсутствует. В реальных системах передачи (и аналоговых, и цифровых) используют и более сложные (комбинированные) виды модуляций, фактически являющиеся вариациями вышеназванных видов. Это, естественно, усложняет схему исполнения модулирующих и демодулирующих узлов, но дает выигрыш в качественных показателях связи.