Цифровая многоканальная система передачи для передачи аналоговых сигналов

Аннотация

В данной курсовой работе разработана цифровая многоканальная система передачи для передачи аналоговых сигналов. Спектр передаваемых сигналов находится в диапазоне частот 340 ¸ 3800 Гц. Динамический диапазон сигнала от -1,6 В до +1,6 В. В системе применяется амплитудно-импульсная модуляция сигналов АИМ-2, коэффициент глубины модуляции импульсов , амплитуда немодулированных прямоугольных импульсов В. Система передачи имеет 30 каналов связи. Компандирование производится по закону µ. Для кодирования сигналов применяется код 3B2T или 4В3Т с высокой плотностью единиц. Входной сигнал преобразуется в последовательность импульсов прямоугольной формы.

В курсовой работе исследованы каналы с 6-го по 11-й. Входные сигналы для этих каналов изменяются по следующим законам:

Для передачи сигналов используется кабельная линия связи.

Содержание

Введение

. Расчет основных параметров цифровой системы передачи ИКМ-ВД

. Расчет спектра АИМ сигнала

. Дискретизация сообщений по времени

. Квантование отсчётов по уровню и их кодирование

. Расчёт погрешностей квантования

. Формирование линейного сигнала

. Расчёт спектра линейного сигнала

. Разработка структурной схемы многоканальной системы передачи с ИКМ

Заключение

Список использованных источников

Введение

Средства связи, исторически, начиная с первого телефона, развивались как аналоговые системы, однако уже тогда стало ясным преимущество дискретных методов передачи сообщений, что нашло свое отражение в телеграфе. Но существующие в то время технологии не обеспечивали тех пользовательских удобств телеграфа, которые предоставляла аналоговая телефонная связь.

Казалось невозможным совместить удобства передачи аналоговых сообщений с чисто техническими преимуществами дискретных, и развитие аналоговой телефонии стремительно опережало совершенствование телеграфа, постепенно вытесняя его как средство связи. Тем не менее, позже - с расширением сети связи, удлинением магистральных линий, появлением необходимости передачи аналоговых сообщений неречевой природы для автоматической обработки (например, телеизмерение) - недостатки аналоговых систем становились все более очевидными, усложняя линии передач практически без увеличения качества связи и помехоустойчивости. С другой стороны, развитие цифровых систем обработки информации и ЭВМ предъявляли свои требования к передаче информации.

Решить возникающие проблемы могло только дополнение классических аналоговых систем передачи информации цифровыми системами связи.

Наиболее широкое распространение получили в настоящее время многоканальные системы с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), обеспечивающие организацию по одной линии связи большого числа одновременно и независимо действующих каналов. Наиболее широко используются цифровые системы передачи ИКМ-12 М, ИКМ-15, ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480 с временным разделением каналов (ВД). Они позволяют организовывать соответственно 12,15, 30, 120 и 480 телефонных каналов связи.

Системы передачи с частотным разделением каналов (ЧРК) характеризуются применением аналоговых методов модуляции, при которых модулируемый параметр может принимать любые значения в некоторых допустимых пределах. Помехоустойчивость систем с аналоговыми методами модуляции сравнительно невелика. Помехи вызывают паразитную модуляцию основных параметров сигналов переносчиков и после демодуляции попадают на выход канала. Помехоустойчивые методы модуляции (ЧМ и ФМ) улучшают соотношение сигнал-помеха на выходе канала. Однако поскольку при аналоговых методах модуляции все значения модулируемых параметров являются разрешенными, при приеме невозможно отличить паразитную модуляцию от полезной, а следовательно, невозможно отделить полезный сигнал от помехи.

Основные преимущества цифровых систем передачи и ИКМ заключаются в следующем:

. Высокая помехоустойчивость за счет передачи сообщений двоичными сигналами, так как в цифровых системах передачи (ЦСП) информационные параметры переносчиков в процессе модуляции принимают конечное количество разрешенных значений, причем переход от одного разрешенного значения к другому осуществляется через конечные промежутки времени.

. Цифровые методы передачи позволяют значительно повысить помехоустойчивость и уменьшить накопление помех вдоль тракта передачи путем восстановления (регенерации) сигнала. Возможность регенерации основана на том, что в ЦСП все разрешенные значения сигнала в точности известны при приеме. Если величина помехи не превышает половины промежутка между двумя соседними разрешенными уровнями, то при приеме сигнала, искаженного помехой, и выборе вместо него ближайшего разрешенного уровня сигнала ошибка не возникает. Это дает возможность многократной ретрансляции сообщений без потери достоверности.

. Удобство настройки и эксплуатации цифровых систем, меньшая чувствительность к искажениям, что обеспечивает более высокие технико-экономические показатели цифровых систем передачи по сравнению с аналоговыми (системы с разделением каналов по частоте). Это объясняется однотипностью и технологичностью узлов оконечных и промежуточных станций, где широко применяются элементы вычислительной техники. Высокая стабильность параметров каналов цифровых систем передачи устраняет необходимость регулировки узлов аппаратуры в процессе настройки и эксплуатации.

. Возможность использования сравнительно простых методов запоминания и хранения сообщений путем записи их в различного рода цифровых регистрах и запоминающих устройствах.

. Принцип временного разделения каналов, применяемый в системах с ИКМ, используется в электронных автоматических телефонных станциях, что позволяет унифицировать технику передачи и коммутации. Это дает возможность создания интегральной сети связи, в которой передача информации, коммутация и выделение ее будут основываться на единых принципах.

Недостатком цифровых систем связи является расширение полосы частот, требуемой для передачи сообщений с помощью ИКМ. Но это не является определяющим по сравнению с теми преимуществами, которыми обладают цифровые системы передачи информации. Вместе с тем цифровые системы не предназначены полностью вытеснить аналоговые - несомненным достоинством последних является большая простота и, как следствие, большая надежность по сравнению с цифровыми системами.

В данном курсовом проекте предлагается разработать цифровую систему передачи аналоговых сообщений, основываясь на современных научных и технических достижениях в этой области. Основными целями и задачами курсовой работы являются:

а) закрепить теоретический материал по дисциплине «Теоретические основы транспортной связи»

б) получить навыки по проектированию и расчету цифровых систем передачи аналоговых сообщений

в) научится анализировать исходные данные и полученные результаты

г) научится самостоятельно работать с технической литературой

д) уметь составлять расчетно-пояснительную записку и оформлять графический материал в соответствие с требованиями ЕСКД

В работе необходимо рассчитать по исходным данным основные временные и частотные параметры системы передачи, разработать структурные схемы передающего и приемного устройства, построить временные диаграммы работы отдельных устройств и модулей системы передачи.

Передающее устройство системы должно состоять из следующих основных функциональных блоков: амплитудно-импульсного модулятора для преобразования аналогового сигнала в АИМ-сигнал, кодера для преобразования АИМ-сигнала в кодовую последовательность и формирователя линейного сигнала для непосредственной модуляции и согласования сообщения с линией передачи.

Приемное устройство будет содержать такие функциональные блоки: устройство разделения для выделения полезного промодулированного сигнала из линии, преобразователя кода передачи, осуществляющего перекодирование передаваемого сообщения в исходный цифровой код, блока цифро-аналогового преобразования, производящего восстановление принятого сообщения в исходном аналоговом виде.

1. Расчет основных параметров цифровой системы передачи ИКМ-ВД

Пусть спектр непрерывного сообщения, передаваемый по ИКМ-ВД, ограничен верхней частотой FВ и требуемое количество каналов N. При проектировании ИКМ требуется знать следующие параметры:

1. Количество всех каналов, организуемых ИКМ-системой,

,

где N - заданное количество каналов;

NC - количество каналов синхронизации и управления.

.

1. Длительность цикла передачи (период дискретизации)

, .

1. Длительность канального интервала

1. Длительность тактового интервала (период) между кодовыми импульсами в канальном интервале

,

где n - количество разрядов в кодовой комбинации квантового отсчёта (n = 8).

1. Длительность кодового импульса

1. Тактовая частота линейного сигнала

1. Длительность управляющих канальных импульсов

1. Требуемая полоса пропускания линейного тракта ИКМ-системы передачи

2. Расчет спектра АИМ сигнала

Преобразование аналогового сигнала в дискретный называется дискретизацией. В результате ее получается амплитудно-модулированный сигнал (АИМ). Различают амплитудно-импульсную модуляцию первого (АИМ-1) и второго рода (АИМ-2).

При АИМ-2 амплитуда импульса определяется мгновенным значением сообщения, взятым в момент ti=iT0, и сохраняется постоянной во время импульса. Модулированный сигнал АИМ-2 можно записать следующим образом:

,2.1

Определим спектр сигнала АИМ-2, если модулирующий сигнал имеет вид (при U=1 В), то сигнал на выходе модулятора при l(t)=Usinwt (при U=1 В), то сигнал на выходе модулятора при АИМ-2 определяется соотношением

Учитывая все рассмотренные выше выражения, выполняем расчет.

Постоянная составляющая

Далее рассчитаем спектр модулирующего сигнала для значения w=wН

Амплитуда первой гармоники на несущей частоте составит

Амплитуды боковых полос

Учитывая характер энергетического спектра русского речевого сигнала, принимаем значение спектра на частотах wВ, nw0±wВ, равными нулю.

Аналогично выполняем расчеты для 1, 6, 16, 26, 36 и 46 гармоник. Результаты вычислений сводим в таблицу 1.

Таблица 1 - Результаты расчёта спектра модулированного АИМ-сигнала

nAn, BАnбок, Вnw0-wВnw0-wНnw0+wНnw0+wВ00,004688--0,002813010,00937300,0028120,002812060,00934000,0028030,0028020160,00913500,0027410,0027400260,00875100,0026260,0026250360,00820100,0024610,0024600460,00750600,0022530,0022510

По данным таблицы 1 строим спектральную диаграмму АИМ модулированного сигнала (рисунок 1).

3. Дискретизация сообщений по времени

Для кодирования вначале построим графики сигналов для шести исследуемых канальных интервалов для четырёх циклов передачи (рисунки 2-9).

В заданных каналах действуют гармонические сигналы со следующими параметрами:

Так как сигнал U6(t) имеет сложный вид, то выполним его тригонометрическое преобразование:

Рассчитаем численные значения сигналов в исследуемых канальных интервалах для четырёх циклов передачи и сведем результаты в таблицы 2-5.

Значения времени t в функциях входных сигналов для соответствующих циклов передачи определяем по формуле

=TK(i+1)+T0(Ц-1),

где i - номер канального интервала;

Ц - номер цикла, Ц=1, 2, 3, 4.

Так для первого цикла передачи имеем

Таблица 2 - Результаты расчёта величин отсчётов входных сигналов для 1-го цикла передачи

it,cU6(t), ВU7(t), ВU8(t), ВU9(t), ВU10(t), ВU11(t), В03,4719·10-6-0,09983-0,005495-0,0070210,14980,15970,169716,9438·10-6-0,09931-0,01098-0,014030,14910,15900,168820,00001042-0,09846-0,01644-0,020990,14800,15770,167430,00001389-0,09728-0,02187-0,027910,14640,15590,165340,00001736-0,09577-0,02725-0,034750,14450,15360,162750,00002083-0,09394-0,03257-0,041510,14200,15080,159560,00002430-0,09182-0,03783-0,048170,13920,14760,155870,00002776-0,08940-0,04300-0,054700,13590,14380,151580,00003125-0,08672-0,04809-0,061090,13230,13960,146790,00003472-0,08378-0,05307-0,067330,12820,13490,1414100,00003819-0,08061-0,05794-0,073400,12380,12990,1356110,00004166-0,07724-0,06270-0,079290,11900,12440,1293120,00004513-0,07367-0,06732-0,084980,11390,11840,1226130,00004861-0,06994-0,07179-0,090450,10840,11220,1154140,00005208-0,06608-0,07612-0,095700,10250,10550,1079150,00005555-0,06210-0,08029-0,10070,096430,098520,09994160,00005902-0,05804-0,08429-0,10550,090020,091210,09167170,00006249-0,05393-0,08811-0,10990,083350,083610,08308180,00006597-0,04979-0,09175-0,11410,076430,075750,07421190,00006944-0,04565-0,09520-0,11810,069280,067630,06507200,00007291-0,04154-0,09844-0,12170,061920,059310,05572210,00007638-0,03749-0,1015-0,12500,054380,050790,04617220,00007985-0,03352-0,1043-0,12800,046680,042100,03645230,00008333-0,02967-0,1069-0,13070,038840,033290,02662240,00008680-0,02596-0,1093-0,13300,030890,024360,01669250,00009027-0,02241-0,1115-0,13510,022840,015360,006698260,00009374-0,01905-0,1134-0,13670,014720,006304-0,003313270,00009721-0,01591-0,1151-0,13810,006564-0,002769-0,01331280,0001007-0,01300-0,1165-0,1391-0,001614-0,01183-0,02327290,0001042-0,01034-0,1177-0,1397-0,009788-0,02086-0,03314300,0001076-0,007955-0,1186-0,14-0,01793-0,02982-0,04290310,0001111-0,005858-0,1193-0,1399-0,02602-0,03868-0,05251

Таблица 3 - Результаты расчёта величин отсчётов входных сигналов для 2-го цикла передачи

it,cU6(t), ВU7(t), ВU8(t), ВU9(t), ВU10(t), ВU11(t), В00,0001146-0,004066-0,1198-0,1395-0,03404-0,04742-0,0619310,0001180-0,002588-0,12-0,1387-0,04195-0,05600-0,0711420,0001215-0,001436-0,1199-0,1376-0,04974-0,06441-0,0801130,0001250-0,0006179-0,1196-0,1361-0,05738-0,07261-0,0887940,0001285-0,0001386-0,1191-0,1343-0,06485-0,08057-0,0971750,0001319-0,00000177-0,1183-0,1322-0,07212-0,08828-0,105260,0001354-0,0002083-0,1172-0,1297-0,07918-0,09570-0,112970,0001389-0,0007568-0,1159-0,1269-0,08601-0,1028-0,120280,0001423-0,001643-0,1144-0,1238-0,09258-0,1096-0,127190,0001458-0,002862-0,1126-0,1203-0,09888-0,1160-0,1335100,0001493-0,004405-0,1106-0,1166-0,1049-0,1221-0,1394110,0001528-0,006260-0,1083-0,1126-0,1106-0,1278-0,1449120,0001562-0,008416-0,1058-0,1082-0,1159-0,1330-0,1499130,0001597-0,01086-0,1031-0,1037-0,1209-0,1378-0,1544140,0001632-0,01357-0,1002-0,0988-0,1256-0,1422-0,1583150,0001667-0,01653-0,0971-0,0937-0,1299-0,1462-0,1617160,0001701-0,01972-0,09377-0,08837-0,1338-0,1496-0,1645170,0001736-0,02312-0,09024-0,08281-0,1373-0,1526-0,1667180,0001771-0,02670-0,08652-0,07705-0,1404-0,1551-0,1684190,0001805-0,03044-0,08262-0,07109-0,1430-0,1571-0,1695200,0001840-0,03432-0,07855-0,06495-0,1453-0,1585-0,17210,0001875-0,03831-0,07431-0,05865-0,1471-0,1595-0,1699220,0001910-0,04237-0,06992-0,05220-0,1485-0,16-0,1692230,0001944-0,04649-0,06538-0,04562-0,1494-0,1599-0,1679240,0001979-0,05063-0,06071-0,03892-0,1499-0,1593-0,1661250,0002014-0,05477-0,05590-0,03213-0,15-0,1583-0,1636260,0002048-0,05887-0,05098-0,02525-0,1496-0,1567-0,1606270,0002083-0,06292-0,04595-0,01831-0,1487-0,1546-0,1571280,0002118-0,06687-0,04083-0,01133-0,1474-0,1520-0,1530290,0002153-0,07071-0,03562-0,004317-0,1457-0,1489-0,1483300,0002187-0,07441-0,03033-0,002706-0,1436-0,1453-0,1432310,0002222-0,07794-0,02498-0,009723-0,1410-0,1413-0,1376

Таблица 4 - Результаты расчёта величин отсчётов входных сигналов для 3-го цикла передачи

it,cU6(t), ВU7(t), ВU8(t), ВU9(t), ВU10(t), ВU11(t), В00,0002257-0,08128-0,019580,01671-0,1380-0,1368-0,131510,0002291-0,08440-0,014140,02366-0,1346-0,1319-0,124920,0002326-0,08728-0,0086690,03055-0,1307-0,1265-0,117930,0002361-0,08991-0,0031780,03737-0,1265-0,1208-0,110540,0002396-0,092270,0023180,04409-0,1220-0,1147-0,102750,0002430-0,094340,0078100,05070-0,1170-0,1081-0,0945160,0002465-0,096100,013290,05718-0,1117-0,1013-0,0860270,0002500-0,097540,018730,06351-0,1061-0,0941-0,0772480,0002534-0,098660,024140,06969-0,1002-0,08661-0,0681990,0002569-0,099450,029500,07569-0,09394-0,07885-0,05891100,0002604-0,099890,034800,08150-0,08742-0,07083-0,04942110,0002639-0,099990,040020,08711-0,08065-0,06258-0,03976120,0002673-0,099750,045160,09250-0,07363-0,05413-0,02996130,0002708-0,099170,050200,09765-0,06640-0,04551-0,02006140,0002743-0,098250,055140,1026-0,05897-0,03674-0,01009150,0002778-0,097000,059960,1072-0,05136-0,02785-0,000079160,0002812-0,095420,064660,1116-0,04361-0,018880,009928170,0002847-0,093530,069220,1157-0,03572-0,0098410,01990180,0002882-0,091350,073640,1195-0,02772-0,00077220,02981190,0002916-0,088880,077900,1230-0,019650,0082990,03961200,0002951-0,086140,08200,1262-0,011510,017340,04927210,0002986-0,083160,085920,1291-0,0033410,026330,05876220,0003021-0,079950,089670,13160,0048380,035240,06805230,0003055-0,076530,093230,13390,013000,044030,07710240,0003090-0,072930,096590,13580,021130,052680,08589250,0003125-0,069170,099750,13730,029190,061160,09437260,0003159-0,065280,10270,13850,037170,169440,1025270,0003194-0,061280,10540,13930,045040,177500,1103280,0003229-0,057210,10790,13990,052770,185310,1177290,0003264-0,053090,11020,140,060340,192850,1248300,0003298-0,048950,11230,13980,067740,10010,1314310,0003333-0,044810,11410,13920,074930,10700,1375

Таблица 5 - Результаты расчёта величин отсчётов входных сигналов для 4-го цикла передачи

it, сU6(t), ВU7(t), ВU8(t), ВU9(t), ВU10(t), ВU11(t), В00,0003368-0,040710,11570,13830,081900,11360,143110,0003402-0,036680,11700,13710,088630,11980,148320,0003437-0,032730,11810,13550,095100,12560,152930,0003472-0,028910,11900,13350,10130,13100,157040,0003507-0,025230,11960,13130,10720,13610,160650,0003541-0,021710,11990,12870,11270,14060,163660,0003576-0,018400,120,12570,11790,14470,166070,0003611-0,015300,11980,12250,12280,14830,167980,0003645-0,012440,11940,11890,12730,15150,169290,0003680-0,0098330,11880,11510,13150,15420,1699100,0003715-0,0075060,11790,11090,13520,15630,17110,0003750-0,0054700,11670,10650,13850,15800,1695120,0003784-0,0037400,11530,10180,14150,15920,1684130,0003819-0,0023280,11370,096870,14400,15980,1668140,0003854-0,0012430,11180,091680,14610,160,1645150,0003889-0,0004930,10970,086250,14770,15960,1617160,0003923-0,000083060,10730,080620,14890,15870,1583170,0003958-0,000015930,10470,074770,14970,15730,1544180,0003993-0,00029210,10190,068740,150,15540,15190,0004027-0,00090960,098930,062540,14990,15300,145200,0004062-0,0018640,095720,056180,14930,15010,1395210,0004097-0,0031500,092300,049680,14830,14680,1336220,0004132-0,0047570,088690,043050,14680,14290,1272230,0004166-0,0066740,084900,036320,14490,13860,1203240,0004201-0,0088900,080930,029490,14260,13390,1130250,0004236-0,011390,076780,022590,13980,12870,1053260,0004270-0,014150,072480,015630,13670,12310,0973270,0004305-0,017160,068020,0086320,13310,11710,08893280,0004340-0,020390,063430,0016130,12910,11070,08025290,0004375-0,023830,05869-0,0054090,12480,10400,07129300,0004409-0,027450,05384-0,012420,12010,096940,06208310,0004444-0,031220,04887-0,019400,11500,089570,05265

Рисунок 2 - Временные диаграммы входных сигналов U6-U8 для первого цикла передачи

Рисунок 3 - Временные диаграммы входных сигналов U9-U11 для первого цикла передачи

Рисунок 4 - Временные диаграммы входных сигналов U6-U8 для второго цикла передачи

Рисунок 5 - Временные диаграммы входных сигналов U9-U11 для второго цикла передачи

Рисунок 6 - Временные диаграммы входных сигналов U6-U8 для третьего цикла передачи

Рисунок 7 - Временные диаграммы входных сигналов U9-U11 для третьего цикла передачи

Рисунок 8 - Временные диаграммы входных сигналов U6-U8 для четвёртого цикла передачи

Рисунок 9 - Временные диаграммы входных сигналов U9-U11 для четвёртого цикла передачи

4. Квантование отсчётов по уровню и их кодирование

Квантование сообщения по уровню применяется для получения конечного числа амплитудных значений дискретных отсчетов сигнала взамен непрерывного бесконечно большого количества их значений, то есть процесс квантования аналогичен процедуре округления числа до ближайшего разрешенного значения. Такое округление всегда связано с погрешностью, называемой погрешностью квантования.

В зависимости от разбивки динамического диапазона сообщения на уровни квантования различают равномерное (линейное) и неравномерное (нелинейное) квантования. В первом случае на всем динамическом диапазоне сообщения шаг квантования выбирается одинаковым.

Характеристика равномерного квантующего устройства имеет два характерных участка: зону квантования и зону ограничения. Для первого участка , а для второго . В соответствии с этим кроме шумов квантования различают еще и шумы ограничения, которые вызываются ограничением максимальных мгновенных значений сигнала. Обычно уровень сигнала на входе каналов систем ИКМ-ВД выбирается так, чтобы с учетом статистических характеристик входного сигнала вероятность превышения была достаточно малой, поэтому определяющими в системах ИКМ-ВД являются шумы квантования, а не шумы ограничения. Средняя мощность шумов квантования при постоянном шаге обычно определяется как .

Недостаток равномерной шкалы квантования заключается в том, что относительное значение ошибки квантования, или отношение , для сильных сигналов мало, в то время как для слабых сигналов оно велико.

При передаче речевых сигналов наиболее вероятны сигналы с малыми мгновенными значениями, поэтому для передачи их с меньшей ошибкой необходимо учитывать шаг квантования.

Обычно требуют, чтобы защищенность речевого сигнала от шума квантования была не менее 20 дБ на минимальном уровне средней мощности. Под защищенностью понимают

,

где PC - мощность сигнала; PШ КВ - мощность шумов квантования.

При равномерном квантовании для получения требуемой защищенности от шумов квантования при передаче речевых сигналов кодирование должно производиться достаточно большим числом разрядов кода, что нежелательно. При увеличении числа разрядов кода уменьшается длительность импульсов и соответственно расширяется спектр сигнала ИКМ, усложняются устройства кодирования и декодирования, увеличиваются требования к их быстродействию.

Таким образом, недостатком равномерного квантования является то, что защищенность от шумов квантования AКВ минимальна для наиболее слабых сигналов и увеличивается пропорционально увеличению уровня сигнала. Для выравнивания величины AКВ при изменении уровня сигнала в широких пределах и соответственно для уменьшения количества условных уровней квантования и уменьшения разрядности двоичного кода применяют неравномерное квантование, при котором шаг квантования имеет минимальное значение для слабых сигналов и увеличивается с увеличением уровня входного сигнала.

Нелинейная шкала квантования в системах передачи с ИКМ может быть реализована несколькими способами: сжатием динамического диапазона сигнала перед кодированием, для чего используются компрессоры, и последующим его расширением после декодирования с помощью экспандеров; нелинейным кодированием и декодированием; цифровым компандированием.

При неравномерном квантовании непрерывных сигналов обычно ставится задача: выбором закона изменения шага квантования обеспечить примерно равное отношение сигнал - шум квантования в достаточно широком диапазоне уровней входных сигналов. Если шаг квантования будет возрастать по мере увеличения входного сигнала, то по сравнению с равномерным квантованием для слабых сигналов отношение сигнал - шум возрастет, а для сильных снижается, оставаясь, однако, достаточно высоким.

Рассмотрим один из возможных способов осуществления неравномерного квантования - с использованием аналоговых компандеров. На рисунке 10 показаны амплитудные характеристики компрессора и экспандера.

Компрессор представляет собой устройство с нелинейной амплитудной характеристикой, называемой характеристикой компрессии. Слабые сигналы компрессор усиливает в большей степени, чем сильные, благодаря чему происходит сжатие динамического диапазона.

сигнал спектр линейный многоканальный

Рисунок 10. Амплитудные характеристики компрессора и экспандера

Применение компрессора перед кодерами с равномерным квантованием позволяет получить неравномерное квантование. На приемном конце после декодера сигнал поступает на экспандер, имеющий обратную компрессору амплитудную характеристику, при этом суммарная амплитудная характеристика должна быть линейной. Экспандер устраняет искажения, вносимые в сигнал компрессором, так что результирующая амплитудная характеристика сигнала компрессор-экспандер является линейной. Система, состоящая из последовательно включенных компрессора и экспандера, называется компандером.

Применение неравномерного квантования позволяет обеспечить требуемую защищенность от шумов квантования для наиболее слабых речевых сигналов при восьмиразрядном кодировании вместо двенадцатиразрядного при равномерном квантовании.

Недостатком аналогового компандирования является сложность получения с большой точностью взаимообратных амплитудных характеристик компрессора и экспандера, вследствие чего нелинейность суммарной амплитудной характеристики приводит к нелинейным искажениям передаваемых сигналов.

Необходимое качество передачи сигналов в реальных условиях достигается путем применения неравномерных кодирующих и декодирующих устройств (методами нелинейного кодирования), когда формирование неравномерной квантующей характеристики осуществляется непосредственно в кодере (декодере). Последний, в этом случае, называется нелинейным.

Наибольшее распространение в системах ИКМ-ВД получили нелинейные кодеки (обычно кодер и декодер объединяются в устройство, называемое кодеком) взвешивающего типа с цифровым компандированием эталонов. В таких кодеках характеристика компрессии (экспандирования) не является непрерывной (аналоговой), а представляется ломаной, состоящей из прямолинейных отрезков (сегментов), приближенно представляющих (аппроксимирующих) заданный закон сжатия и расширения динамического диапазона сигналов. Необходимая форма характеристики компрессии (сжатия) и экспандирования (расширения) в кодеках формируется с помощью цифровых логических устройств, управляющих переключением эталонов.

Наиболее распространенными для кодеров с неравномерным шагом квантования являются два приблизительно равноценных закона компандирования m и A, с помощью которых получается квазилогарифмическая характеристика компрессора.

Характеристика компрессии закона µ описывается следующим уравнением:

где sign() - полярность сигнала;

? - амплитуда входного сигнала;

µ- параметр, используемый для определения степени

компрессирования.

Для упрощения процесса преобразования выбирается специальная характеристика компрессии с µ=255/15, рекомендованная МСЭ-Т.

Для начала по формуле найдем абсолютные значения отсчёта в условных единицах. В формуле U - значение отсчёта в вольтах, Dc - максимальное значение сигнала в каналах связи.

Номер сегмента С квантованного отсчёта определяется как наименьшее целое из выражения

l<64×2С-33 или

при С=0, 1, 2, …, 7.

После определения C может быть получен остаток

Номер уровня квантования отсчета K можно определить как наименьшее целое из выражения

или

где К= 0, 1, 2, ... , 15.

Для первого цикла передачи имеем

у.е.; принимаем ?6=468;

принимаем С6=3;

r6=468-(32?23-33)=245;

принимаем К6=15.

у.е.; принимаем ?7=219;

принимаем С7=2;

r7=219-(32?22-33)=124;

принимаем К7=15.

у.е.; принимаем ?8=311;

принимаем С8=3;

r8=311-(32?23-33)=88;

принимаем К8=5.

у.е.; принимаем ?9=654;

принимаем С9=4;

r9=654-(32?24-33)=175;

принимаем К9=5.

у.е.; принимаем ?10=662;

принимаем С10=4;

r10=662-(32?24-33)=183;

принимаем К10=5.

у.е.; принимаем ?11=659;

принимаем С11=4;

r11=659-(32?24-33)=180;

принимаем К11=5.

Для остальных циклов расчёт производим аналогично, а результат записываем в таблицу 6.

Таблица 6 - Результаты квантования отсчётов по уровню и их кодирование

Номер циклаНомер исследуемого каналаЗначение отсчётаПолярность отсчётаКод полярность отсчётаНомер сегментаКод номера сегментаУровень квантования в сегментеКод уровня квантования в сегментеЗакодированное значение отсчётаВу.е.16 7 8 9 10 110,09182 0,043 0,06109 0,1282 0,1299 0,1293468 219 311 654 662 659- - - + + +0 0 0 1 1 13 2 3 4 4 4011 010 011 100 100 10015 15 5 5 5 51111 1111 0101 0101 0101 010100111111 00101111 00110101 11000101 11000101 1100010126 7 8 9 10 110,0002083 0,1159 0,1238 0,09888 0,1221 0,14491 591 631 504 623 739- - - - - -0 0 0 0 0 00 4 4 4 4 4000 100 100 100 100 1000 3 4 0 4 80000 0011 0100 0000 0100 100000000000 01000011 01000100 01000000 01000100 0100100036 7 8 9 10 110,0961 0,01873 0,06969 0,09394 0,07083 0,03976490 95 355 479 361 203- + + - - -0 1 1 0 0 04 1 3 3 3 2100 001 011 011 011 0100 15 8 15 8 130000 1111 1000 1111 1000 110101000000 10011111 10111000 00111111 00111000 0010110146 7 8 9 10 110,0184 0,1198 0,1189 0,1315 0,1563 0,169594 611 606 671 797 864- + + + + +0 1 1 1 1 11 4 4 4 4 4001 100 100 100 100 10015 4 3 5 9 121111 0100 0011 0101 1001 110000011111 11000100 11000011 11000101 11001001 11001100

. Расчёт погрешности квантования

Абсолютное значение квантованного отсчета в условных единицах на выходе кодера при законе компрессии µ можно определить как

Абсолютное значение квантованного отсчёта в единицах измерения входного сигнала определяется по формуле

Абсолютная погрешность квантования

Относительная погрешность квантования определяется по формуле

Таким образом для первого цикла передачи имеем:

Для остальных отсчётов расчёт производим аналогично, а результат записываем в таблицу 7.

Таблица 7 - Результаты расчёта погрешностей квантования

Номер циклаНомер исследуемого каналаЗначение отсчётаЗначение квантованного отсчёта входного сигналаАбсолютная погрешность квантования, ВОтносительная погрешность квантования, %Ву.е.Ву.е.16 7 8 9 10 110,09182 0,043 0,06109 0,1282 0,1299 0,1293468 219 311 654 662 6590,09236 0,04295 0,06099 0,1284 0,1284 0,1284471 219 311 655 655 6550,00054 0,00005 0,0001 0,0002 0,0015 0,00090,5881 0,1163 0,1637 0,1560 1,1547 0,700926 7 8 9 10 110,0002083 0,1159 0,1238 0,09888 0,1221 0,14491 591 631 504 623 7390 0,1159 0,1222 0,09707 0,1222 0,14730 591 623 495 623 7510,0002083 0 0,0016 0,00181 0,0001 0,0024100 0 1,2924 1,8305 0,0819 1,656336 7 8 9 10 110,0961 0,01873 0,06969 0,09394 0,07083 0,03976490 95 355 479 361 2030,09707 0,01824 0,0704 0,09236 0,0704 0,0398495 93 359 471 359 2030,00097 0,00049 0,00071 0,00158 0,00043 0,000041,0094 2,6161 1,0188 1,6819 0,6071 0,100646 7 8 9 10 110,0184 0,1198 0,1189 0,1315 0,1563 0,169594 611 606 671 797 8640,01824 0,1222 0,1159 0,1284 0,1535 0,172493 623 591 655 783 8790,00016 0,0024 0,003 0,0031 0,0028 0,00290,8696 2,0033 2,5231 2,3574 1,7914 1,7109

6. Формирование линейного сигнала

При передаче цифровых сигналов в качестве выходного сигнала не используют сигнал на выходе кодера, так как он представляет собой неравномерную последовательность однополярных импульсов.

Известно, что спектр сигнала из однополярных прямоугольных импульсов бесконечен, но основная часть его энергии сосредоточена в полосе частот от нуля до тактовой частоты сигнала. Такой спектр сильно не совпадает с характеристиками передачи реальных линий связи. Во-первых наличие в линии трансформаторов и переходных ёмкостей в усилителях и регенераторах сигнала препятствуют прохождению постоянной составляющей сигнала; во-вторых при передаче сигнала происходит ослабление его высокочастотной составляющей, что приводит к увеличению длительности фронтов импульсов.

Ещё одним недостатком однополярной последовательности является то, что при появлении длинных последовательностей нулей в выходном сигнале кодера отсутствуют импульсы и, следовательно, отсутствует опорное колебание для выделителя тактовой частоты регенератора.

Чтобы избежать искажения сигнала из-за АЧХ линии и трудностей выделения тактовой частоты применяют дополнительное преобразование двоичного сигнала. Эта операция называется линейным кодированием. Она позволяет заменить цифровой поток в виде сигнала, характеристики которого в большей степени соответствуют параметрам линии. Полученный в результате код называют кодом линии.

Для получения кода линии будем преобразовывать исходный код в код B6ZS и код 4B3Т.

Временные диаграммы линейных сигналов приведены на рисунке 11.

За четыре цикла передачи для заданного кода с высокой плотностью следования единиц рассчитаем вероятность появления единиц в линейном сигнале по формуле

где m1 - количество единиц (+1, -1) в линейном сигнале за четыре цикла;

mобщ. - общее количество импульсов (+1, -1) в линейном сигнале за четыре цикла.

7. Расчёт спектра линейного сигнала

Энергетический спектр квазитроичного кода рассчитывается по следующей формуле:

где - спектр одиночного импульса;- вероятность появления двоичной единицы.

- спектр одиночного прямоугольного импульса.

Рассчитаем спектр квазитроичного кода 3B2T и 4В3Т

Далее расчёт производим аналогично, а результаты заносим в таблицы 8 и 9 соответственно.

Спектр квазитроичного кода представлен на рисунке 12.

Таблица 8 - Результаты расчёта энергетического спектра квазиторичного кода 3В2T

i, рад/сВ, Вi, рад/сВ, В000263,137×1071,3574×10-911,206×1066,7163×10-9273,258×1079,8490×10-1022,413×1062,2835×10-8283,378×1076,1994×10-1033,619×1062,9156×10-8293,499?1073,1203×10-1044.826×1063,03768×10-8303,619×1071,0149?10-1056,032×1062,8720×10-8313,740×1071,0111×10-1167,239×1062,5490×10-8323,861×107078,445×1062,1468×10-8333,981×1078,9222×10-1289,652×1061,7175×10-8344,102×1077,9015×10-1191,086×1071,2987×10-8354,223×1072,1421×10-10101,206×1079,1763×10-9364,343×1073,7502×10-10111,327×1075,9338×10-9374,464×1075,2447×10-10121,448×1073,3752×10-9384,585×1076,3548×10-10131,568×1071,5527×10-9394,705×1076,9160×10-10141,689×1074,6603×10-10404,826×1076,8700×10-10151,810×1074,3184×10-11414,947×1076,2577×10-10161,930×1070425,067×1075,2020×10-10172,051×1073,3620×10-11435,188×1073,8832×10-10182,172×1072,8192×10-10445,309×1072,5105×10-10192,292×1077,2688×10-10455,429×1071,2958×10-10202,413×1071,2151×10-9465,550×1074,3167×10-11212,534×1071,6281×10-9475,670×1074,3985×10-12222,654×1071,8959×10-9485,791×1070232,775×1071,9885×10-9495,912×1074,0468×10-12242,896×1071,9083×10-9506,032×1073,6537×10-11253,016·1071,6831×10-9

Таблица 9 - Результаты расчёта энергетического спектра квазиторичного кода 4В3Т

i, рад/сВ, Вi, рад/сВ, В000263,5290×1071,0765×10-911,3573×1069,1553×10-9273,6648×1077,8664×10-1022,7146×1061,9840×10-8283,8005×1075,0163×10-1034,0720×1062,4173×10-8293,9362×1072,5869×10-1045,4293×1062,4580×10-8304,0720×1078,8176×10-1156,7866×1062,2939×10-8314,2077×1079,5268×10-1268,1439×1062,0215×10-8324,3434×107079,5012×1061,6965×10-8334,4792×1078,4071×10-1281,0859×1071,3558×10-8344,6149×1076,8649×10-1191,2216×1071,0263×10-8354,7506×1071,7760×10-10101,3573×1077,2774×10-9364,8863×1073,0346×10-10111,4931×1074,7394×10-9375,0221×1074,1889×10-10121,6288×1072,7311×10-9385,1578×1075,0398×10-10131,7645×1071,2873×10-9395,2935×1075,4653×10-10141,9002×1074,0489×10-10405,4293×1075,4231×10-10152,0360×1074,0690×10-11415,5650×1074,9451×10-10162,1717×1070425,7007×1074,1255×10-10172,3074×1073,1679×10-11435,8365×1073,1015×10-10182,4432×1072,4493×10-10445,9722×1072,0314×10-10192,5789×1076,0265×10-10456,1079×1071,0743×10-10202,7146×1079,8320×10-10466,2437×1073,7504×10-11212,8504×1071,3004×10-9476,3794×1074,1445×10-12222,9861×1071,5036×10-9486,5151×1070233,1218×1071,5714×10-9496,6509×1073,8131×10-12243,2576×1071,5064×10-9506,7866×1073,1743×10-11253,3933×1071,3300×10-9

Рисунок 12 - Энергетический спектр квазитроичного кода 3В2Т и 4B3Т

В1(?) - 3В2Т;

В2(?) - 4В3Т

В проектируемой цифровой системе передачи информации будем использовать квазитроичный код 3В2Т, так как основная часть энергии его занимает более узкую полосу частот, т. е. требования к линии связи будут менее жёсткими.

8. Разработка структурной схемы многоканальной системы передачи с ИКМ

Принцип работы передающего устройства поясняет структурная схема системы передачи (рисунок 13). Сообщения l1(t), l2(t)… l30(t) от 1, 2 … 30 источников информации (абонентов) через фильтры нижних частот (ФНЧ) и усилители низких частот (УНЧ) поступают на канальные амплитудно-импульсные модуляторы АИМ (ключи). С помощью АИМ-модуляторов осуществляется дискретизация передаваемых сигналов по времени и формирование группового АИМ сигнала (гр. АИМпер). Управляют работой АИМ-модуляторов последовательности управляющих канальных импульсов УКИ1 - УКИ30, поступающие от генераторного оборудования Гопер. На АИМ-модуляторы каналов канальные импульсы подаются поочередно, при этом длительность каждого канального импульса составляет примерно . групповой АИМ сигнал поступает на кодирующее устройство - кодер, который одновременно с кодированием осуществляет операцию квантования по уровню.

Сигналы управления взаимодействия (СУВ), передаваемые по телефонным каналам для управления приборами автоматических телефонных станций (АТС), поступают в передатчик СУВ (Пер. СУВ), где они дискретизируются импульсными последовательностями СУВ, следующими от Гопер. В результате формируется групповой сигнал передачи СУВ (Гр. СУВ).

В устройстве объединения (УО) групповые сигналы или, как их часто называют, цифровые потоки, следующие от кодера передатчика СУВ (Пер. СУВ), а также передатчика синхросигналов (Пер. СС), объединяются, образуя так называемый ИКМ-сигнал. Здесь формируется диаграмма временных циклов системы, определяющая порядок следования циклов в сверхцикле и кодовых групп в цикле передачи.

Сформированный ИКМ-сигнал представляет собой набор однополярных двоичных символов, импульсы которых всегда имеют только одну, например, положительную полярность, и не согласован с параметрами линии. При передаче по линии связи такой сигнал подвержен значительным искажениям и быстро затухает (то есть дальность передачи такого сигнала невелика). Поэтому пред передачей в линию однополярный ИКМ-сигнал преобразуется в биполярный линейный ИКМ-сигнал. Это происходит в преобразователе кода передачи ПКПЕР.

В процессе передачи по линии связи ИКМ-сигнал периодически восстанавливается (регенерируется) линейным регенератором (РЛ). На приеме сигнал восстанавливается станционным регенератором (РС) (на схеме не показан).

Процесс обработки сигналов, т.е. процесс приема, преобразования, разделения и получения исходного сигнала на принимающей оконечной станции носит обратный характер. Вначале ИКМ-сигнал из биполярного вновь преобразуется в однополярный, из которого устройство выделения тактовой частоты (ВТЧ) выделяет тактовую частоту системы, которая используется для работы ГОПР. Этим достигается равенство скоростей обработки сигналов на передающей и принимающей оконечных станциях. Правильное разделение сигналов телефонных каналов и каналов передачи СУВ обеспечивается приемником синхросигналов (Пр. СС).

Устройство разделения (УР) разделяет цифровые потоки СУВ и телефонных каналов. Приемник групповых СУВ (Пр. СУВ), управляемый импульсными последовательностями СУВ, следующими от генераторного оборудования приема ГОПР, распределяет СУВ по телефонным каналам, а декодер преобразует групповой ИКМ-сигнал в АИМ-сигнал (Гр. АИМПР). Последовательность управляющих канальных импульсов УКИ1 - УКИ30 поочередно открывают временные селекторы каналов (ВС), обеспечивая выделение отсчетов своего канала из группового АИМ-сигнала. Восстановление исходного (непрерывного) сигнала из последовательности его отсчетов производится с помощью фильтра нижних частот.

Приведенная структурная схема поясняет принцип передачи сигналов в одном из направлений. Передача сигналов в обратном направлении осуществляется аналогично. Таким образом, организация двусторонней связи требует двух пар проводов, при этом пары направлений передачи и приема могут находиться как в одном кабеле (однокабельная система организации связи), так и в разных кабелях (двухкабельная система организации связи).

В системе связи обеспечена возможность передачи сигналов во встречных направлениях. На местных телефонных сетях для организации двусторонней связи между абонентами чаще всего используют двухпроводные физические цепи.

Каналы многоканальных ИКМ-систем передачи являются односторонними. Для двусторонней связи используются два встречных канала. При этом возникает необходимость соединения четырехпроводного окончания двустороннего канала многоканальной системы с двухпроводной местной линией. Это соединение осуществляется с помощью специального переходного устройства, которое называют дифференциальной системой.

Заключение

В данной курсовой работе была рассмотрена разработка цифровой системы передачи информации по подобию уже эксплуатируемой системы с временным разделением каналов ИКМ-30.

Разработанная система позволяет передавать по одной кабельной линии связи 30 каналов, сигнал в каждом из которых должен быть ограничен частотой 4000 Гц. Синхронизация передачи поддерживается цикловым и сверхцикловым сигналами, что обеспечивает устойчивую работу системы и быстрое восстановление возможных сбоев. Система может использоваться для передачи речевых каналов с повышенным качеством и для других целей.

Список использованных источников

1. Фомичёв В.Н. Цифровые системы передачи информации: (Пособие по курсовому проектированию). - Гомель, 2003.
2. Гитлиц М.В., Лев А.Ю. Теоретические основы многоканальной связи. М.: Радио и связь, 1985.