Особенности канала связи

Глава 4. Основы технологии передачи цифровых сигналов.

Для передачи голоса или данных, рассматриваемых в общем случае как сигнал, имеющий определенные характеристики, используется канал связи определенной емкости, достаточной, что­бы передать этот сигнал. Канал связи организуется между передатчиком и приемником. Один из основных вопросов заключается в том, может ли (и если да, то при каких условиях) этот сигнал быть принят без потерь. Если не может, то как он искажается при прохождении по каналу связи, и какие характеристики канала связи являются наиболее критичными.

Емкость канала связи

Под емкостью канала с частотой среза f_ср и удельной плотностью кодирования 1 бит/символ двоичной последовательности понимается величина С = 2f_ср. Если обозначить число бит/символ че­рез n, тогда емкость канала определится общей формулой

C = 2n f_ср (1)

Если осуществляется блочное кодирование, при котором может быть использовано n бит/символ, то каждый блок может при двоичной системе кодификации обеспечить передачу различимых уровней изменения сигнала. Тогда получаем, что в общем случае ем­кость канала может быть выражена формулой

С = 2f_cp log₂N (2)

Теорема Шеннона

Для идеального (без помех) канала Клодом Шенноном была доказана следующая теорема: источник, генерирующий последовательность R_ист бит/с при наличии соответствующей процедуры кодирования/декодирования, может быть передан без потерь через канал емкостью С R_ист .

Теорема Шеннона-Хартли (1948)

Для реального (с помехами в виде белого шума) канала связи Шенноном и Хартли была доказана теорема (называемая теоремой Шеннона-Хартли), определяющая:

емкость канала с помехами, передающего сигнал от источника, обеспечивающего динамический диапазон по мощности D = S/N равна:

C = W log₂(1+D) (3)

где W - полоса пропускания канала с шумом.

Отношение сигнал/шум (как мера возможных искажений сигнала), согласно (3), опре­деляет, наряду с шириной полосы пропускания, емкость канала связи или допустимую скорость передачи сигнала. Аналоговый сигнал, непосредственно передаваемый по такому каналу, может быть искажен по амплитуде, фазе и частоте или временному масштабу. Эти искажения являются следствиями не только естественных, но и искусственных ограничений канала связи, например, на динамический диапазон и полосу пропускания.

Стандартный телефонный канал

При передаче сигнала на дальние расстояния энергетически выгодно использовать высокочастотную несущую, параметры которой модулируются передаваемым сигналом. Для передачи голоса по каналам связи обычно используют два метода модуляции несущей: амплитудную (AM) и частотную (ЧМ). В процессе модуляции (операция нелинейная) симметрично несущей появляются левые и правые боковые частоты здесь основная полоса частот, зани­маемая сигналом.

Для AM, для ЧМ зависит от индекса модуляции.

Полоса частот, занимаемая модулируемым сигналом (или его спектр), которая и составля­ет в этом случае требуемую ширину полосы частот канала передачи, равна для AM - 2, а для ЧМ - 14 (). ЧМ передача позволяет существенно уменьшить искажения передаваемого сигнала, особенно в канале с паразитной амплитудной модуляцией (ПАМ) и затуханиями амплитуды, каким является радиоэфир, однако требует и существенного (в 7 раз) расширения требуемой полосы частот канала связи. На это идут, если передаваемый сигнал один, как, напри­мер, в УКВ ЧМ трансляции, которая позволяет передавать 15 кГц речевого спектра, но требует полосы канала 210 кГц. AM трансляция передает основную полосу частот - 5 кГц, требуя по­лосы канала всего 10 кГц.

Системы связи ассоциируются у нас с системами передачи голоса или телефонной связи, которые только в последние 20 лет (в связи с развитием модемной и факсимильной связи) стали использоваться для передачи данных. Эти системы рассчитывались и оптимизировались для передачи речи. Из экономических соображений системы телефонной связи строились как многока­нальные, использующие различные методы уплотнения каналов для передачи по кабелю все большего и большего числа каналов (телефонных разговоров) одновременно. Из приведенного выше примера ясно, что при выборе метода модуляции предпочтение было отдано AM. Более то­го, основная полоса частот передаваемого речевого спектра была оптимизирована по индексу ар­тикуляции (принятому равным 0.7), соответствующему уровню разборчивости слов 85-90%, и составила 3100 Гц. Эта полоса размещалась в диапазоне 300-3400 Гц.

Учитывая, что указанная полоса частот должна фильтровываться реальным, а не идеаль­ным, аналоговым полосовым фильтром, имеющим конечную крутизну спада частотной характе­ристики в переходной полосе, было предложено использовать полосу в 4 кГц в качестве расчет­ной ширины основной полосы стандартного телефонного канала (защитная полоса между двумя соседними каналами при этом составляет 900 Гц).

§ Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

Наряду с использованием аналоговых методов (AM), можно использовать импульсные методы модуляции, в частности, амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), что позволяет улучшить энергетические характеристики процесса передачи в целом, если учесть, что длительность излучаемого импульса может быть мала по сравнению с периодом несущей.

Импульсные методы модуляции основаны на процессе дискретизации передаваемого аналогового сигнала, т.е. использовании последовательности выборок - значений аналогового сигнала, взятых периодически с частотой дискретизации. Она выбирается из условия возможности последующего восстановления аналогового сигнала без потерь (искажений) из дискретизированного сигнала с помощью фильтра нижних частот.

Для сигнала с ограниченным спектром, к которому относится и сигнал стандартного теле­фонного канала, имеющий частоту среза f_ср = 4 кГц, применима теорема Котельникова-Найквиста, утверждающая, что: сигнал, спектр которого ограничен частотой среза f_ср , может быть восстановлен без потерь, если частота дискретизации составляет не менее = 2 f_ср.

Отсюда получаем, что для стандартного телефонного канала частота дискретизации со­ставляет 8 кГц (т.е. выборки аналогового сигнала следуют с периодом дискретизации = 125 мкс).

Следующим логичным шагом может быть квантование амплитуд импульсных выборок - процесс определения для каждой выборки эквивалентного ей численного (цифрового) значения. Указанные два шага (дискретизация и квантование) определяют процессы, осуществляемые при импульсно-кодовой модуляции. Они позволяют перейти от аналогового представления речевого сигнала к цифровому.

Численное значение каждой выборки в этой схеме может быть далее представлено (закодировано) в виде 7 или 8 битного двоичного кода (на практике при использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП) двоичное кодирование осуществляется непосредственно при квантовании). Такое кодирование (в силу "занятости" термина кодирование (интерфейсное кодирование, линейное кодирование, помехоустойчивое кодирование и т.д.) часто называют кодифи­кацией) дает возможность передать 128 (2⁷) или 256 (2⁸) дискретных уровней амплитуды речевого сигнала, обеспечивая качественную передачу речи формально с динамическим диапазоном поряд­ка 42 или 48 дБ. Учитывая, что выборки должны передаваться последовательно, получаем двоич­ный цифровой поток со скоростью 56 кбит/с (8 кГц х 7 бит/выборку) в случае 7 битного кодиро­вания или 64 кбит/с (8 кГц х 8 бит/выборку) в случае 8 битного кодирования.

Указанные шаги преобразования для формирования ИКМ представлены на рис.

Рис. Формирование двоичного потока при ИКМ с 7-битным кодированием

Использование ИКМ (известной с 1937 г., но реализованной в системах цифровой связи только в 1962 г.) в качестве метода передачи данных позволяет:

- для систем цифровой телефонии - ликвидировать недостатки, присущие аналоговым методам передачи, а именно:

• убрать существенное затухание сигнала и его изменение в сеансе связи и от сеанса к сеансу;

• практически убрать посторонние шумы;

• улучшить разборчивость речи и увеличить динамический диапазон передачи;

- для систем передачи данных - организовать канал передачи данных на скорости 56 или 64 кбит/с.