Дискретные каналы связи

 Back Оглавление
При передаче аналоговых сигналов по каналам связи возникают некоторые проблемы:
  1. Сигнал передается через усилители и другие преобразователи. Передаточная функция канала должна быть линейной, насколько это возможно. Линейность означает то, что форма сигнала, переносящего информацию не должна существенно меняться при прохождении через канал. К сожалению, все усилители, включаемые в канал, обладают определенной степенью нелинейности.
  2. Электрический сигнал представляет направленное движение электронов. Тепловой шум создается в проводах или кабеле случайным движением электронов. Шумы также создаются из-за разрядов в атмосфере Земли и за счет излучений - солнечного и космического. Среда тоже может являться источником шума, например шероховатости поверхности диска или ленты.
  3. Все сигналы ослабевают во время передачи через среду. Это ухудшение сигнала может привести к тому, что сигнал от передатчика станет непонятным для приемника. Высококачественные кабели с большими диаметрами проводников, конечно, смягчают этот эффект.
Цифровые системы преодолевают эти проблемы, давая представление аналогового сигнала в виде цифровых (двоичных) образов. В сущности: аналоговый сигнал преобразуется в последовательность цифровых значений и передается по каналу связи в виде двоичных данных. Цифровые сигналы подвержены тем же недостаткам и проблемам, что и аналоговые сигналы, т.е. ослабеванию и шумам. Однако цифровые сигналы дискретны: двоичные соответствия огибающей аналогового сигнала представлены на дискретных уровнях напряжения в отличие от непрерывного аналогового сигнала. Когда сигнал проходит через канал, то необходимо только отмечать отсутствие или наличие двоичного импульса, а не его абсолютное значение, которое важно в случае аналогового сигнала. Отсутствие или наличие сигналов распознаются значительно увереннее, чем амплитуда или иная характеристика сигнала. Цифровые сигналы можно полностью регенерировать, прежде чем они станут ниже порога распознавания. Следовательно, шумы и затухание могут быть полностью устранены из цифрового сигнала.
Периодический съем значений и процесс регенерации выполняются восстанавливающими повторителями. Повторители размещаются на канале через определенные интервалы. Длины интервалов зависят от размеров и качества проводящих элементов, уровня шумов в проводниках, полосы пропускания и скорости передачи информации.

Преобразование сигналов.

Для превращения аналоговых сигналов в дискретные (цифровые) используются многие методы. Первый широко использованный подход - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) - разработана в 1938 г.
Импульсно - кодовая модуляция основана на теореме Котельникова. Если аналоговый сигнал отображается на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше максимальной частоты исходного сигнала в канале, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления цифрового сигнала. Таким образом, условием нормального восстановления сигнала после дискретизации является
Fд >= 2Fв, где Fд - частота дискретизации, Fв - высшая частотная составляющая в спектре аналогового сигнала.
Принятая в промышленности частота дискретизации составляет: 8 кГц - 8000 тыс. отсчетов/сек. Согласно теореме Котельникова это позволяет восстанавливать сигнал с высшей частотой 4 кГц, что достаточно, чтобы передавать речевые сигналы с шириной спектра до 3 кГц в телефонном канале.
Таким образом, на первом этапе преобразования получают дискретные отображения (их называют образами). Они являются сигналами амплитудно-импульсной модуляции (АИМ). На втором этапе преобразования их преобразуют в двоичные числа. Для этого весь динамический диапазон изменения отсчетов АИМ делят на уровни квантования и каждому отсчету АИМ присваивают значение, наиболее близкое к соответствующему уровню. Число уровней квантования выбирается в пределах от 7, 8 и более. Квантование позволяет придать каждому сигналу значение в пределах 1 - 128 или 1 - 256. Для первого случая достаточно 7 бит, для второго - 8 (27 = 128, 28 = 256). При 128 шагах требуется канал со скоростью 7 бит * 8.000 = 56 кбит/с, при 256 шагах - со скоростью 8 бит * 8.000 = 64 кбит/с.
Физически понятно, что чем меньше уровней квантования, тем менее точно отображаются амплитуды АИМ сигналов уровнями квантования, поскольку они имеют случайные значения. Это приводит к снижению точности восстановления сигнала на приемной стороне из - за так называемого "шума квантования". При этом эксперименты показывают, что для Hi-Fi передачи речи требуется 11 уровней квантования, т.е. 211 = 2048 бит, и канал со скоростью передачи: 11 * 8.000 = 88 кбит/с.
После того, как значениям АИМ присвоены двоичные значения в процессе квантования, выполняется третий шаг - двоичное кодирование отображений.
Преобразование аналогового сигнала в цифровой осуществляется устройствами, называемыми аналого-цифровыми преобразователями. Для того чтобы восстановить сигнал, данные необходимо подать на цифроаналоговый преобразователь с той же скоростью, с какой выполнялись преобразования исходного сигнала. Преобразователь выдает на выходе напряжение, которое представляет значения, соответствующие 8000 снятым дискретным отсчетам.
Заметим, что для передачи речевого сигнала в цифровой форме требуется канал со значительно более широкой полосой пропускания, нежели стандартный канал ТЧ. Поэтому при передаче таких сигналов применяются эффективные методы сжатия, позволяющие передавать сигнал со скоростью до 4 кбит/с. Дискретный сигнал может быть искажен по несколькими причинам: Отметим, что все предыдущее изложение относится к передаче аналоговых сигналов. При использовании цифровых каналов сигналы, поступающие от ЭВМ, не требуют преобразований, а только помехоустойчивого кодирования. Поэтому цифровые каналы для сетей ЭВМ являются наиболее адекватными. Их построение отличается от аналоговых каналов, в частности, в них используются модемы с другими видами модуляции и другими интерфейсами, хотя среды передачи используются те же самые, что и при создании аналоговых каналов.
Prev Предыдущий Next Следующий
Hosted by uCoz