Цифровая система передачи информации с импульсно-кодовой модуляцией (стр. 1 из 5)
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день в России наиболее интенсивно развиваются сети связи. В условиях современного общества для успешного ведения бизнеса своевременный быстрый и качественный обмен различного рода информацией занимает доминирующую позицию. Каждодневно растет объем передаваемой информации, повышаются требования к качеству ее передачи. За последние 6-7 лет в России с нуля было построено огромное количество сетей мобильной связи, охвативших почти всю территорию страны. Если несколько лет назад мобильный телефон являлся скорее предметом роскоши, то сегодня нельзя представить себе современного делового человека, не обладающего качественной мобильной связью.
Наряду с сетями мобильной связи интенсивно развиваются и модернизируются сети ТФОП. Прокладываются новые кабельные магистрали, устаревшая аналоговая аппаратура заменяется современной и технически более совершенной цифровой аппаратурой, расширяются емкости сетей связи, скорость передачи и помехозащищенность информации. В последние годы все шире внедряются цифровые системы связи (ЦСС) для передачи речи и данных. В данный момент на рынке присутствует большое количество предприятий, выпускающих цифровую аппаратуру для сетей связи. ЦСС позволяют достичь высоких скоростей передачи, высокой производительности узлов коммутации, высокой помехоустойчивости. Были впервые использованы для цифровой передачи речи. Наиболее известны системы цифровой передачи телефонных сигналов с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).
Широкое применение получили цифровые сети интегрального обслуживания - ISDN. В них, используя указанный подход, организуются цифровые каналы, которые объединяются в уплотненный тракт. Эти сети позволяют одновременную передачу различных видов информации: данные, речь, видеоизображение.
Импульсно-кодовая модуляция ИКМ (Pulse-Code Modulation - PCM-модуляция) используется для оцифровки аналоговых сигналов перед их передачей. Практически все виды аналоговых данных (видео, голос, музыка, данные телеметрии, виртуальные миры) допускают применение PCM-модуляции.
Чтобы получить на входе канала связи (передающий конец) PCM-модулированный сигнал из аналогового, амплитуда аналогового сигнала измеряется через равные промежутки времени. Количество оцифрованных значений в секунду (или скорость оцифровки) кратна максимальной частоте (Гц) в спектре аналогового сигнала. Мгновенное измеренное значение аналогового сигнала округляется до ближайшего уровня из нескольких заранее определенных значений. Этот процесс называется квантованием, а количество уровней всегда берется кратным степени двойки, например, 8, 16, 32 или 64. Номер уровня может быть соответственно представлен 3, 4, 5 или 6 битами. Таким образом, на выходе модулятора получается набор битов (0 или 1).
На приемном конце канала связи демодулятор преобразует последовательность битов в импульсы с тем же уровнем квантования, который использовал модулятор. Далее эти импульсы используются для восстановления аналогового сигнала.
Для преобразования в цифровую форму каждый речевой сигнал (fречи = 4 КГц) должен быть подвергнут дискретизации с частотой 2fp = 8 КГц, т.е. период квантования Тк = 1/2fp = 125 мкс. Дискретные отсчеты амплитуды речевого сигнала обычно квантуются по уровню и представляются 8-разрядными двоичными числами.
В результате типичный цифровой канал с ИКМ требует скорость передачи 64 Кбит/с. Отдельные цифровые каналы в свою очередь объединяются в общий поток. Широкое применение получили 2 формата объединения:
Североамериканский стандарт, разработанный компанией AT&T (T1) и принятый также в Канаде и Японии, предусматривает объединение 24 8-разрядных речевых каналов в поток со скоростью передачи 24 * 64 Кбод = 1.544 Мбит/с. В начале каждого цикла добавляется 1 разряд для цикловой синхронизации. Поэтому за время Ту = 125 мксек передается 24 * 8 + 1 = 193 разряда. Такая система получила название Т1.
Каждое 8-разрядное слово в цифровом потоке с временным разделением называется также временным отсчетом или канальным интервалом ( другое название: time-slot – тайм слот).
Хотя формат Т1 сначала был разработан для цифровой передачи речи, он сейчас успешно применяется для передачи данных. Например, в этот формат естественно вписывается передача данных со скоростью 56 Кбит/с: здесь младший 8-й разряд через каждые 5 циклов на 6-ой используется для сигнализации. Возможны также и более высокие скорости передачи объединенных цифровых потоков (трактов). Например, в системе коммутации ESS-4 компании AT&T 5 цифровых потоков Т1 объединяются в поток, содержащий 120 8-разрядных каналов. К ним добавляется еще 8 канальных интервалов, в результате чего уплотненный канал - ТПД содержит 128 каналов, в которых скорость передачи обеспечивается V = 128 * 64 Кбит/с = 8.192 Мбит/с. Это стандарт Т2.
В Европе используется другой стандарт, который предусматривает объединение 30 речевых каналов со скоростью 64 Кбит/с и 2-х каналов управления и сигнализации с той же скоростью. В результате обеспечивается скорость передачи 2,048 Мбит/с. Это обеспечивает аппаратура первичного временного группообразования. Из 30 каналов ТЧ формируется первичный цифровой поток Е1. Потоки Е1 могут объединяться в потоки более высоких уровней Е2, Е3 и Е4 по принципу: 4 потока более низкого уровня объединяются в поток на одну ступень выше.
Иерархия систем передачи с ИКМ представлена на рис. 1
Рис.1
Цифра в названии аппаратуры ИКМ указывает количество каналов ТЧ, уплотняемых и передаваемых данной аппаратурой. (ИКМ-30 - 30 каналов ТЧ и т. д.)
В состав аппаратуры ИКМ входят следующие основные узлы и блоки:
Аппаратура аналого-цифрового преобразования. Обеспечивает преобразование аналоговых сигналов приходящих от абонентов связи в цифровые сигналы для их последующего уплотнения и передачи по линии связи. На приемной стороне обеспечивает преобразование из цифрового сигнала в аналоговый для отправки к абоненту.
Мультиплексоры временного группообразования. Уплотняют цифровые сигналы от разных каналов (потоков) в общий цифровой поток.
Оконечная аппаратура линейного тракта (ОАЛТ) выполняет задачу перекодировки сигнала цифрового группового тракта в линейный цифровой сигнал, а также задачу согласования электрических характеристик станционного оборудования с линией.
Переход к цифровой передаче аналоговых сообщений и использование ИКМ имеет ряд достоинств:
системы с временным разделением каналов ИКМ обладают более высокой помехозащищенностью, чем системы с частотным уплотнением и с однополосной модуляцией, что позволяет использовать их в линиях с большим уровнем шумов и значительным уровнем нелинейных искажений. Таким образом, качество передачи информации почти не зависит от расстояния и топологии сети;
в системах с ИКМ отсутствует накопление шумов при ретрансляции благодаря возможности регенерации сигнала и применению корректирующих кодов;
позволяют упростить коммутацию сигналов, так как цифровая аппаратура сравнительно просто контролируется и требует минимума регулировочных операций;
системы с ИКМ легко сопрягаются с электронными АТС, что позволяет более простыми методами создавать интегральные сети связи;
кроме всего прочего системы с ИКМ экономически выгодны как при разработке, так и при производстве.
При всех вышеперечисленных достоинствах у цифровых систем есть недостатки, основным из которых является значительное расширение полосы частот. При одном и том же числе каналов для передачи группового сигнала системе с ИКМ потребуется полоса частот примерно в 15 раз больше, чем системе с частотным уплотнением. При организации линии связи с использованием металлического кабеля уменьшается длина регенерационного участка, т. к. передача ведется на более высокой частоте, а при повышении частоты передачи растет километрическое затухание в кабеле связи. Однако эти недостатки компенсируется перечисленными выше достоинствами.
цифровая модуляция связь декодер
1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Объектом расчета является цифровая система передачи непрерывных сообщений с импульсно-кодовой модуляцией по каналу с шумом. Структурная схема системы приведена на рис. 2.
Рис. 2
ИС - источник сообщений,
Д - дискретизатор,
КОД - кодирующее устройство,
МОД - модулятор,
ЛС - линия связи,
ДЕМ - демодулятор,
ДЕК – декодер,
ФВ - фильтр-восстановитель.
Исходные данные:
Интервал уровня передаваемого сообщения – [-12,8 ÷ +12,8] В
Закон распределения – равномерный
Полоса частот сообщения - 5∙104 Гц
Номер передаваемой кодовой комбинации – 126
Вид модуляции – ФМ
Спектральная плотность мощности шума – 2,2∙10-5 В2 / Гц
Способ приема - когерентный
Число каналов - 4
Непрерывное сообщение, поступающее от ИС и представленное первичным электрическим сигналом в форме напряжения a(t), является случайным стационарным процессом, мгновенные значения которого равномерно распределены в интервале [amin, amax], где amin = -12,8 и amax = +12,8.
2.1 Одномерная плотность вероятности
Равномерная одномерная плотность вероятности для мгновенных значений ИС описывается формулой ([3], с.20-21):
(2.1)А ее график имеет вид:
Рис.2.1. График одномерной плотности вероятности мгновенных значений ИС
2.2 Интегральная функция распределения
Одномерные дифференциальная и интегральная функции распределения связаны соотношением ([3],c.20, ф.(1.3)):
(2.2)Интегральная функция распределения для равномерного закона имеет вид ([3], с.20-21):