Вопрос 5. Принципы регенерации цифровых сигналов

Цифровой сигнал, проходя по линии связи, ослабляется, иска­жается и подвергается воздействию различных помех, что приводит к изменению формы и длительности импульсов, уменьшению их амплитуды и случайным временным сдвигам. Поэтому для восста­новления параметров цифрового сигнала в линейном тракте СП с ИКМ через определенные расстояния устанавливаются регене­раторы, т.е. устройства, полностью восстанавливающие парамет­ры линейного цифрового сигнала.

В процессе регенерации (восстановления) цифрового сигнала выполняются следующие основные операции:

усиление восстанавливаемых импульсов, так как при прохожде­нии по линии связи они испытали затухание;

коррекция формы импульсов, так как при прохождении цифрово­го сигнала по линии связи из-за неидеальности амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик форма импульсов ли­нейного сигнала искажается;

сравнение усиленных и откорректированных импульсов с поро­говым значением для определения наличия или отсутствия сигнала на фоне помех;

стробирование импульсов, в результате которого создаются та­кие условия, при которых импульсы цифрового сигнала на выходе регенератора формируются в строго определенные моменты;

формирование новых импульсов с заданными параметрами и в определенные моменты времени.

Структурная схема регенератора и временные диаграммы, пояс­няющие его работу, приведены на рис.14 и 15 соответственно, где приняты следующие обозначения:

ВУ - входное устройство, предназначенное для согласования входного сопротивления линии с входным сопротивлением регене­ратора; КУ - корректирующий усилитель, предназначенный для компенсации затухания регенерационного участка и коррекции амплитудно-частотных искажений, вносимых линией, и тем самым коррекции формы импульсов для полного или частичного устране­ния влияния одних импульсов на другие; ПУ - пороговое устройст­во, предназначенное для определения превышения сигнала над помехами; если амплитуда импульса больше U_пор, то на выходе порогового устройства появляется импульс, если же амплитуда импульса меньше U_пор, то на выходе порогового устройства импульс не появляется; импульсы с выхода ПУ подаются на решающее устройство (РУ); ВТЧ - выделитель тактовой частоты, предназна­ченный для формирования коротких (пробирующих импульсов; стробирующие импульсы фазируются относительно входных сим­волов таким образом, что в середине тактовых интервалов, где амплитуда входных импульсов максимальна; стробирующие им­пульсы подаются на второй вход решающего устройства; РУ - решающее устройство, необходимое для опробывания (стробирования) в каждом такте поступающих символов; если в момент при­хода на РУ стробирующего импульса с выхода ВТЧ поступает импульс с выхода ПУ, то на выходе РУ появляется импульс, т.е. фиксируется «1» информационного сигнала; если же в момент поступления стробирующих импульсов с выхода ВТЧ на вход РУ импульс не поступает, то на выходе РУ импульс не появляется, т.е. фиксируется «0» информационного сигнала; ФВИ - формирователь выходных импульсов, т.е. формирование их амплитуды, длительно­сти и взаимного временного соотношения между символами линей­ного цифрового сигнала, следующих с тактовой частотой; Вых. ус-во - выходное устройство, предназначенное для согласованного под­ключения регенератора к линии связи.

Рисунок 14 – Структурная схема регенератора

 

Линейный цифровой сигнал (см. рис.15, а)с выхода тракта пе­редачи оконечного оконечной станции или предыдущего регенера­тора поступает в линию. При своем прохождении по линии сигнал испытывает затухание, искажения и воздействие помех. Сигнал на входе корректирующего усилителя регенератора или регенератора тракта приема оконечной станции имеет вид, показанный на рис.15, б. Отметим, что регенераторы тракта приема оконечных станций называются станционными регенераторами, а регенераторы, устанавливаемы по линии связи, называются линейными регене­раторами. Сигналы на выходе корректирующего усилителя показа­ны на рис. 15, в. Если на входе порогового устройства (ПУ) сигнал превышает пороговое значение U_nop, то на выходе ПУ появляется сигнал, условно показанный на рис.15, г. С выхода ПУ сигналы поступают на один из входов решающего устройства (РУ), на другой вход которого поступают стробирующие импульсы с выхода выде­лителя тактовой частоты (ВТЧ). При совпадении символов «1» на входе РУ со стробирующими импульсами на выходе РУ появляются символы, соответствующие «1» (см. рис. 15, е). Эти символы посту­пают на вход формирователя выходных импульсов (ФВИ), где восстанавливаются первоначальные амплитуда и длительность импульсов линейного цифрового сигнала (см. рис.15, ж).

Синхронизация работы ФВИ от ВТЧ обеспечивает устранение флуктуации временного положения импульсов, возникающих в процессе их передачи. Эти флуктуации называются фазовыми дрожаниями.

Из описания принципа действия регенератора цифровых систем передачи, можно выделить основные особенности его технической реализации, которые обеспечивают минимум ошибок в работе:

частотная характеристика усиления корректирующего усилителя должна соответствовать частотной характеристике затухания реге-нерационного участка;

на выходе усилителя должно быть обеспечено максимальное отношение сигнал/шум;

оптимальный выбор значения порогового напряжения U_nop;

кратковременность стробирования, осуществляемого в момент достижения импульсом на входе порогового устройства наибольше­го значения. Таким образом, помехи, амплитуда которых не превы­сит U_пор, не вызовут ошибочного решения РУ, и помехи, превышающие U_nop, но не совпадающие с моментами стробирова­ния, также не приведут к ошибкам.

Рисунок 15 – Временные диаграммы работы регенератора

 

Основным показателем качества работы регенератора является вероятность ошибки р_ош. Ошибка в решении происходит тогда, когда напряжение шума превосходит значение порогового напряже­ния на входе ПУ и для случая белого гауссовского шума вероят­ность ошибки равна

,

где U_nop - пороговое напряжение; σ² - мощность шума на входе ПУ.

Мерой помехоустойчивости регенератора является отношение сигнал/шум на входе порогового устройства или защищенность

.

Здесь U_m - максимальное значение амплитуды импульса на входе порогового устройства.

Непосредственное определение вероятности ошибок основано на измерении коэффициента ошибок (КО),который определяется частотой их появления и служит оценкой вероятности ошибок.

Коэффициент ошибок определяется отношением числа элемен­тов цифрового сигнала, принятых с ошибками к общему числу элементов, принятых в течение времени измерений:

,

где - число ошибочно принятых элементов (символов); N -общее число принятых элементов; В - скорость передачи; Т - вре­мя измерения.

 

Линейное кодирование в ЦСП

Цифровые сигналы передаются по разным линиям связи - ка­бельным (электрическим и волоконно-оптическим), радиорелейным и спутниковым. В зависимости от используемой среды распростра­нения сигналам в линии придают различный вид, при котором па­раметры сигнала в наибольшей степени согласованы с параметрами линии связи. Эта операция называется линейным кодирова­нием, при котором символы «1» и «0» информационного сигнала заменяются цифровым сигналом, характеристики которого в боль­шей степени соответствуют параметрам линии. Полученный в результате линейного кодирования цифровой сигнал называется линейным кодом.

К линейным кодам предъявляются следующие требования:

однозначность декодирования, т.е. из линейного цифрового сиг­нала должна однозначно формироваться исходная последователь­ность двоичных символов;

в энергетическом спектре линейного цифрового сигнала должны быть ослаблены низкочастотные и высокочастотные составляющие;

в линейном цифровом сигнале должна быть обеспечена высокая плотность импульсов, т.е. число импульсов, определяющих такто­вые интервалы, должно быть существенно больше числа пробелов («нулей»).

В зависимости от используемой среды распространения приме­няют различные линейные коды. В радиорелейных и спутниковых линиях, например, используют различные виды фазовой или час­тотной манипуляций. В линиях связи электрических кабелей рас­пространена передача цифровых сигналов импульсами постоянного тока. При этом сигналы в линии могут быть двухуровневыми и многоуровневыми, из последних чаще всего применяются трех­уровневые сигналы.. Двухуровневые сигналы могут принимать в процессе кодирования значения напряжения «+» или «–», трех­уровневые сигналы принимают значения «+», «–» и «0» (пробел). Линейные коды цифровых волоконно-оптических систем передачи представляют двухуровневые сигналы, принимающие в процессе кодирования значения «+» или «0» (пробел).

В ряде случаев для исключения из цифрового сигнала длинных последовательностей одинаковых символов, а также периодически повторяющихся пачек символов исходный двоичный сигнал перед линейным кодированием подвергается дополнительному перекоди­рованию, при котором ему придаются свойства случайного потока. Операция, совершаемая при этом, называется скремблированием сигнала и состоит в суммировании по «модулю 2» с исходным сигналом псевдослучайных последовательностей (ПСП), содер­жащих определенное (равное 2^n-1, где n - целое) число символов. Эти последовательности, будучи в действительности детерминиро­ванными, удовлетворяют трем критериям случайности:

1) в каждом периоде последовательности число символов «1» отличается от числа символов «0» не более, чем на единицу;

2) в течение периода последовательности половина серий еди­ниц и нулей имеет длину 1, одна четверть - 2, одна восьмая - 3 и т.д. до тех пор, пока это продолжение имеет смысл. Серией называется последовательность одинаковых цифр;

3) если последовательность посимвольно сравнить с любым ее циклическим сдвигом в течение периода последовательности, то можно отметить, что число совпадений отличается от числа несов­падений не более, чем на единицу, а при сложении «по модулю 2» этой последовательности с ее циклическим сдвигом образуется новая циклическая перестановка исходной последовательности.

Например, при n = 4 псевдослучайная последовательность, удовлетворяющая указанным требованиям, имеет вид 000100110101111. Число символов в этой последовательности равно 15. Число единиц в ней равно 8, число нулей - 7, что удовле­творяет первому критерию. Второй критерий также удовлетворяет­ся, так как в этой последовательности имеется восемь различных серий, в том числе четыре серии единиц и четыре серии нулей. Из них две серии единиц и две серии нулей (4 из 8) имеют длину 1, по одной серии единиц и нулей имеют длину 2 (2 из 8) и одна серия из восьми содержит три нуля. Сдвинув последовательность на любое число символов и сравнив ее с исходной, можно убедиться в спра­ведливости критерия 3. Так, при сдвиге на три элемента

видим, что в этих строках символы совпадают 7 раз и не совпадают 8 раз. Сложение «по модулю 2», приводит к образованию последо­вательности 111100010011010, которая является циклической перестановкой исходной последовательности. Псевдослучайные последовательности, удовлетворяющие указанным трем критериям, называются последовательностями максимальной длины и форми­руются с помощью регистров сдвига с обратными связями. Отме­тим, что обычно выбирают п > 10, что соответствует длине ПСП более 1023 символов.

Сигнал, образованный суммированием входного двоичного пото­ка и периодически повторяемых последовательностей максималь­ной длины, сохраняет свойства псевдослучайного сигнала и называется скремблированым. Вероятности появления символов «0»и «1» в нем одинаковы, поэтому вероятность образования серии из к нулей подряд равна р = 0,5 ^k. При к = 20 р₂₀ ≈ 10⁶. Такой сигнал обладает достаточно хорошими свойствами для выделения из него сигналов синхронизации.

В системах передачи на основе классической ИКМ с ВРК каждый отсчет (дискрет) входного квантованного сигнала кодируется неза­висимо от всех остальных, т.е. кодируются произвольные случай­ные сигналы. Анализ речевых сигналов показывает, однако, что при переходе от одного дискрета к другому проявляется значительная избыточность. Степень корреляции между соседними дискретами довольно значительная (коэффициент корреляции не менее 0,85). Следовательно, избыточность при классической ИКМ указывает на возможность значительной экономии полосы передаваемых частот за счет более эффективных методов кодирования.

Кроме корреляции между соседними дискретами речевого сиг­нала для уменьшения скорости передачи кодированного сигнала можно использовать и другие виды избыточности; неравномерное распределение амплитуд, корреляция, связанная с периодичностью в сигнале, корреляция между периодами основного тона; избыточ­ность, связанная с неактивностью речи, неравномерностью усред­ненного спектра речи и кратковременностью спектра речи.

 

 

Подготовил:

доцент кафедры ТКОС, к.ф.-м. н. В.А. Мельник