Для передачи речевого сигнала по цифровому каналу связи необходима процедура аналого-цифрового преобразования (АЦП), которая состоит из 3 этапов: дискретизация, квантование и кодирование. Дискретизация представляет собой процедуру взятия отдельных значений сигнала через равные промежутки времени.

При этом, чем больше будет использоваться уровней, тем более точно можно будет восстановить сигнал к исходной форме на приемном конце.

Большинство сигналов первоначально формируется в аналоговой форме. Затем они преобразуются в цифровые сигналы с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). В дальнейшем они снова преобразуются в аналоговые сигналы с использованием цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Эти преобразователи - неотъемлемая часть любой цифровой системы:
Аналоговый сигнал - Выборка - Квантование - Кодирование - Цифровой сигнал
Выборка
В аналоговом сигнале амплитуда напряжения непрерывно изменяется во времени. При выполнении выборки амплитуда считывается через одинаковые промежутки времени. Эта скорость выборок или частота выборок определяет промежуток времени или то, как часто производится считывание. Если скорость выборок слишком высокая, точность преобразования выше, однако требуемая полоса частот значительно увеличивает стоимость проектирования и компонентов. Если частота выборок слишком низкая, то конечный результат может неточно соответствовать аналоговому сигналу.
Квантование
Квантование представляет собой процесс представления всех выборок в цифровой форме. Ширина выборки - изменения аналогового сигнала между двумя выборками. Для представления цифрового значения ширины выборки обычно берется усредненное значение. Размер выборки определяет уровень квантования, используемый для квантования выборки. Использование 8 бит обеспечивает получение 256 уровней квантования, в то время как 12 бит позволяют получить 4096 уровней. Точность выборки выше, если используется большее число бит, однако при этом увеличивается число бит для передачи, что требует использования более широкой полосы частот. По этой причине большинство цифровых систем для квантования выборок используют 8 бит
Кодирование
Кодирование является заключительным шагом в процессе аналого-цифрового преобразования. В процессе кодирования для каждой выборки формируется значение, выраженное в двоичном коде. Кроме того, кодирование включает в себя: биты, которые сообщают другому оборудованию, как интерпретировать данные, информацию о конце синхроимпульса, информацию о начале кадра, биты защиты от ошибок для уменьшения ошибок при передаче и хранении информации.
Защита от ошибок
Защита от ошибок осуществляется добавлением дополнительных бит при кодировании. На приемной стороне распознается - если этот бит изменился, то система понимает, что произошла ошибка.
Погрешность:
Имеется несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и (считая, что АЦП должен быть линейным) нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют так называемые апертурные ошибки которые являются следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, они проявляются при преобразовании сигнала в целом (а не одного отсчёта).
Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР - младший значащий разряд. В приведённом выше примере 8-битного АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0.4 %.

5. Цифровые системы передачи. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

5. Цифровые системы передачи

5.1. Цифровые сигналы: дискретизация, квантование, кодирование

В настоящее время во всём мире развивается цифровая форма передачи сигналов: цифровая телефония, цифровое кабельное телевидение, цифровые системы коммутации и системы передачи, цифровые сети связи. Качество цифровой связи значительно выше, чем аналоговой, так как цифровые сигналы гораздо более помехоустойчивы: нет накопления шумов, легко обрабатываются, цифровые сигналы можно "сжимать", что позволяет в одной полосе частот организовать больше каналов с высокой скоростью передачи и отличным качеством.

Цифровой сигнал – это последовательность импульсов. Общепринято импульсную последовательность представлять как чередование двух символов: 0 и 1. "Binary Digit" – "двоичная цифра". Отсюда и пошло понятие бит, то есть одна позиция в цифровом сигнале есть 1 бит; это может быть либо 0, либо 1. Восемь позиций в цифровом сигнале определяется понятием байт .

При передаче цифровых сигналов вводится понятие скорости передачи – это количество бит, передаваемых в единицу времени (в секунду).

Для передачи непрерывных сообщений цифровыми методами необходимо произвести преобразование этих сообщений в дискретные, которое осуществляется путём дискретизации непрерывных сигналов во времени и квантования их по уровню, и преобразования квантованных отсчётов в цифровой сигнал .

Дискретизация сигналов заключается в замене непрерывного сообщения u к (t) последовательностью его отсчётов, то есть последовательностью импульсов, модулированных по амплитуде (смотри рисунок 5.1, а). Частота дискретизации F д выбирается из условия (4.4.1). Полученный аналоговый АИМ сигнал u АИМ (iT д), где i = 1, 2, 3 …, приведённый на рисунке 5.1, а, затем подвергается операции квантования, которая состоит в замене отсчётов мгновенных значений сигнала u АИМ (iT д) дискретными значениями u 0 , u 1 , u 2 … u 7 разрешённых уровней u кв (iT д). В процессе квантования мгновенные значения АИМ сигнала уровней u АИМ (iT д) заменяются ближайшими разрешёнными уровнями сигнала u кв (iT д) (смотри рисунок 5.1, а).

Рисунок 5.1. Принцип ИКМ: а – дискретизация; б – ошибка квантования; в – цифровой сигнал с ИКМ

Такое преобразование первичных сигналов можно называть квантованной амплитудно-импульсной модуляцией (КАИМ) . Особенностью такого сигнала является то, что все его уровни можно пронумеровать и тем самым свести передачу КАИМ-сигнала к передаче последовательностей номеров уровней, которые этот сигнал принимает в моменты i∙t д.

Расстояние между ближайшими разрешёнными уровнями квантования (u 0 … u 7 на рисунке 5.1, а) ∆ называется шагом квантования . Шкала квантования называется равномерной, если все шаги квантования равны между собой ∆ j = ∆ 0 .

Если в момент взятия i-го отсчёта мгновенное значение непрерывного сообщения u к (t i) удовлетворяет условию

u j – ∆ j /2 ≤ u АИМ (iT д) ≤ u j + ∆ j /2, (5.1)

то квантованному импульсу u кв (iT д) присваивается амплитуда разрешённого u j уровня квантования (смотри рисунок 5.1, а). При этом возникает ошибка квантования δ кв, представляющая разность между передаваемой квантованной величиной u кв (iT д) и истинным значением непрерывного сигнала в данный момент времени u АИМ (iT д) (смотри рисунок 5.1, б):

δ кв (iT д) = u кв (iT д) – u АИМ (iT д). (5.2)

Как следует из рисунков 5.1, б и (5.1), ошибка квантования лежит в пределах

–∆ 0 /2 ≤ δ кв ≤ ∆ 0 /2. (5.3)

Амплитудная характеристика квантующего устройства при равномерной шкале квантования приведена на рисунке 5.2, а. Она имеет ступенчатую форму, и при изменении непрерывного сообщения u к (t) и соответствующего ему АИМ сигнала u АИМ (iT д) в пределах одной ступени выходной сигнал остаётся постоянным, а при достижении границы этой ступени изменяется скачком на величину шага квантования. При этом ошибка квантования зависит от u к (t) и имеет вид, изображённый на рисунке 5.2, б.

Рисунок 5.2. Амплитудная характеристика квантователя (а) и зависимость ошибки квантования от амплитуды импульсов (б)

Как следует из рисунка 5.2, б, из-за нелинейности амплитудной характеристики квантователя ошибка квантования δ кв представляет собой функцию с большим числом резких скачков, частота следования которых существенно выше частоты исходного сообщения u к (t), то есть при квантовании происходит расширение спектра сигнала. При этом соседние боковые полосы будут накладываться друг на друга и в полосу пропускания ФНЧ на выходе канала попадут составляющие спектра искажений от квантования, распределение которых в полосе ФНЧ считается равномерным. Поскольку практически все дискретные значения непрерывного сообщения находятся в пределах зоны квантования от –u огр до +u огр, то при равномерной шкале квантования ∆ j = ∆ 0 и тогда:

Ркв = (1/12) ∆ 2 0 . (5.4)

Из выражения (5.4) видно, что при равномерной шкале квантования мощность шума квантования не зависит от уровня квантуемого сигнала и определяется только шагом квантования ∆ 0 .

Рассмотрим теперь кодирование и декодирование сигналов. Следующий шаг в преобразовании сигнала состоит в переводе квантованного АИМ-сигнала в цифровой. Эта операция называется кодированием АИМ-сигнала. Кодом называется закон, устанавливающий соответствие между квантованной амплитудой и структурой кодовой группы .

Различают равномерный и неравномерный коды. Если все кодовые группы состоят из равного числа символов, то код называется равномерным. Если же кодовые группы состоят из различного числа символов, то код называется неравномерным. В системах передачи с импульсно-кодовой модуляцией, как правило, используется равномерный двоичный код.

Для определения структуры двоичной кодовой комбинации на выходе кодера в простейшем случае необходимо в двоичном коде записать амплитуду АИМ отсчётов, выраженную в шагах квантования

где a i = {0,1} – состояние соответствующего разряда комбинации; 2 i – вес соответствующего разряда в шагах квантования.

Если в десятичной системе "вес" каждой позиции числа равен числу десять в некоторой степени, то в двоичной системе вместо числа десять используют число два. "Веса" первых тринадцати позиций двоичного числа имеют следующие значения:

Таблица – 5.1

По принципу действия кодеры делятся на кодеры счётного типа, матричные, взвешивающего типа и другие. Наиболее часто используются кодеры взвешивающего типа, простейшим из которых является кодер поразрядного взвешивания (рисунок 5.3), реализующий функцию (5.5) с формирования натурального двоичного кода . Принцип работы такого кодера заключается в уравновешивании кодируемых АИМ отсчётов суммой эталонных напряжений. Схема линейного кодера поразрядного взвешивания содержит восемь ячеек (при m = 8), обеспечивающих формирование значения коэффициента а i соответствующего разряда (5.5). В состав каждой ячейки (за исключением последней, соответствующей младшему по весу разряду) входит схема сравнения СС и схема вычитания СВ.

Схема сравнения обеспечивает сравнение амплитуды поступающего АИМ сигнала с эталонными сигналами, амплитуды которых равны весам соответствующих разрядов

U эт8 = 2 7 ∆ = 128∆; U эт7 = 2 6 ∆ = 64∆; … U эт1 = 2 0 ∆ = 1∆.

Если на входе СС i амплитуда поступающего АИМ сигнала равна или превышает U этi , то на выходе схемы сравнения формируется "1", а в СВ i из входного сигнала вычитается U этi , после чего он поступает на вход следующей ячейки. Если же амплитуда АИМ сигнала на входе СС i меньше U этi , то на выходе СС i формируется "0" и АИМ сигнал проходит через СВ i без изменений. После окончания процесса кодирования текущего отсчёта на выходе кодера получается восьмиразрядный параллельный код, кодер устанавливается в исходное состояние и начинается кодирование следующего отсчёта.

Рисунок 5.3. Линейный кодер поразрядного действия

Если, например, на вход кодера поступил АИМ отсчёт с амплитудой U АИМ = 185∆, то СС 8 формирует Р 8 = 1 и на вход седьмой ячейки поступил сигнал с амплитудой U АИМ = 185∆ – 128∆ = 57∆. На выходе СС 7 сформируется Р 7 = 0 и на вход шестой ячейки кодера поступит сигнал с той же амплитудой U АИМ = 57∆. На выходе СС 6 сформируется Р 6 = 1 и на вход следующей ячейки поступит сигнал с амплитудой U АИМ = 57∆ – 32∆ = 25∆ и так далее. В результате будет сформирована кодовая комбинация 10111001.

В процессе декодирования сигнала m – разрядные кодовые комбинации преобразуются в АИМ отсчёты соответствующей амплитуды . Сигнал на выходе декодера получается в результате суммирования эталонных сигналов U этi тех разрядов кодовой комбинации, значения которых равно 1 (рисунок 5.4). Так, если на вход декодера поступила кодовая комбинация 10111001, то амплитуда АИМ отсчёта на его выходе будет равна U АИМ = 128∆ + 32∆ + 16∆ + 8∆ + 1∆ = 185∆.

В линейном декодере (рисунок 5.4) под воздействием управляющих сигналов, поступающих от генераторного оборудования, в регистр сдвига записывается очередная восьмиразрядная кодовая комбинация. В момент прихода импульса считывания замыкаются только те ключи Кл 1 … Кл 8 , которые соответствуют разрядам, имеющим значения "1". В результате в сумматоре объединяются соответствующие эталонные напряжения и на его выходе получается соответствующая амплитуда АИМ отсчёта.

Рисунок 5.4. Линейный декодер взвешивающего типа

Рассмотренная схема кодера (рисунок 5.3) поразрядного взвешивания содержит большое число схем сравнения, которые являются относительно сложными устройствами. На практике чаще используется кодер взвешивающего типа с одной схемой сравнения и цепью обратной связи, содержащей декодер. Как следует из выражения (5.4), мощность шума квантования при линейном кодировании будет равной при различных амплитудах квантованных сигналов. Для синусоидальных сигналов отношение сигнал/шум квантования, рассчитывается по формуле:

, (5.6)

где U m – амплитуда квантуемого сигнала.

Из формулы видно, что для слабых входных сигналов это отношение гораздо хуже, чем для сигналов большой амплитуды. Для устранения этого недостатка было предложено использовать неравномерное квантование, то есть изменять шаг квантования пропорционально изменению амплитуды входного сигнала.

Для кодирования с неравномерной шкалой квантования могут быть использованы:

• прямое нелинейное кодирование, при котором кодер сочетает в себе функции аналого-цифрового преобразования (АЦП) и компрессора;
• аналоговое компандирование, при котором компрессирование сигнала осуществляется перед линейным кодером и экспандирование сигнала после линейного декодера;
• преобразование на основе линейного кодирования, при котором кодирование сигнала осуществляется в линейном кодере с большим числом разрядов с последующим цифровым компандированием .

Переменную величину шага квантования можно получить с помощью устройства с нелинейной амплитудной характеристикой (рисунок 5.5) (которая называется компрессором, поскольку сжимает динамический диапазон входного сигнала) и равномерного квантователя (смотри рисунок 5.2). На приёмной стороне осуществляется расширение динамического диапазона экспандером, имеющим характеристику, противоположную компрессору, что обеспечивает линейность системы передачи. Совокупность операций сжатия динамического диапазона компрессором и расширение его экспандером называется компадированием сигнала.

В настоящее время в системах ВРК с ИКМ применяется характеристика компадирования типа А (рисунок 5.5).

На этом рисунке сегментированная характеристика компрессии типа А для положительных сигналов (для отрицательных сигналов характеристика имеет аналогичный вид). Общее число сегментов характеристики N с = 16, однако четыре центральных сегмента (по два в положительной и отрицательной областях) имеют одинаковый шаг квантования и фактически образуют один сегмент, вследствие чего число сегментов равно N с = 13. Поэтому такая характеристика получила название типа А = 87.16/13. В центральном сегменте (N с =1 или 2) значение ∆ 0 минимально (то есть равно ∆ 0) и соответствует равномерной двенадцатиразрядной шкале (m = 12), а в каждом последующем сегменте к краям характеристики шаг квантования увеличивается вдвое.

Представление ИКМ сигнала восьмиразрядными кодовыми комбинациями использует формат "знак – абсолютное значение", где один разряд отображает полярность АИМ сигнала П, а остальные – определяют его абсолютное значение. Семь разрядов, отображающих абсолютное значение, подразделяются на определитель номера сегмента С из трёх разрядов и определитель шага квантования К из четырёх разрядов (рисунок 5.6).

Рисунок 5.6. Формат восьмиразрядной ИКМ комбинации

Для реализации такого кодера необходимо задать величины эталонных напряжений для нижней границы каждого сегмента и при кодировании внутри сегмента (таблица 5.2).

Схемы и принцип действия нелинейных кодеков взвешивающего типа в основном те же, что и у линейных кодеков. Отличие заключается в последовательности включения эталонных напряжений в процессе кодирования исходного сигнала .

Таблица 5.2. Эталонные напряжения для нелинейного кодека

Номер сегмента N с	Эталонное напряжение нижней границы сегмента	Эталонные напряжения при кодировании в пределах сегмента

Таким образом, максимальный шаг квантования (в седьмом сегменте) в 64 раза превышает минимальный шаг квантования, а отношение сигнал/шум квантования (для максимального значения синусоидального сигнала) может быть определено по выражению (5.6) и составит: для второго сегмента

Р с – Р ш кв = 7.78 + 20lg(А/∆) = 7.78 + 20 lg(32∆ 0 /∆ 0) = 37.88 дБ;

Для седьмого сегмента

Р с – Р ш кв = 7.78 + 20 lg(2048∆ 0 /64∆ 0) = 37.88 дБ.

Зависимость отношения сигнал/шум квантования от уровня входного сигнала при компадировании по закону А = 87.6/13 приведена на рисунке 5.7. Для сигналов в пределах нулевого и первого сегментов осуществляется равномерное квантование с шагом ∆ 0 , поэтому Р с – Р ш кв увеличивается с ростом р с. При переходе ко второму сегменту шаг квантования увеличивается в два раза, вследствие чего Р с – Р ш кв резко уменьшается на 6 дБ, а затем в пределах данного сегмента возрастает с ростом р с, поскольку внутри сегмента осуществляется равномерное квантование. После попадания сигнала в зону ограничения отношение сигнал/шум резко уменьшается за счёт перегрузки кодера.

Рисунок 5.7. Зависимость Р с /Р ш кв = f(р с)

На рисунке 5.8 представлена упрощённая схема нелинейного кодера взвешивающего типа, реализующего прямое кодирование АИМ сигнала.

Кодирование осуществляется за восемь тактовых интервалов, в каждом из которых формируется один из символов кодовой комбинации (рисунок 5.6). В первом такте определяется знак поступившего на вход кодера отсчёта. Если отсчёт положительный, то в знаковом разряде формируется "1" и к схеме переключения и суммирования эталонов СПСЭ подключается формирователь положительных эталонных напряжений ФЭ 1 , в противном случае формируется "0" и к схеме подключается ФЭ 2 . Затем происходит формирование кода номера сегмента методом деления их числа пополам (рисунок 5.9).

Во втором такте управляющая логическая схема УЛС и СПСЭ обеспечивают подачу на вход схемы сравнения эталонного сигнала U эт = 128 ∆ 0 , соответствующего нижней границе четвёртого (среднего) сегмента. Если амплитуда отсчёта U АИМ ≥ U эт = 128 ∆ 0 , то принимается решение, что амплитуда отсчёта попадёт в один из четырёх вышележащих сегментов и формируется очередной символ X = 1, который по цепи обратной связи поступает на вход УЛС. В противном случае принимается решение, что амплитуда отсчёта попадает в один из нижележащих сегментов и формируется X = 0.

В третьем такте в зависимости от значения предыдущего символа X уточняется номер сегмента, в который попадает амплитуда кодируемого отсчёта. Если X = 1, то УЛС и СПСЭ подают на вход СС эталонное напряжение U эт = 512 ∆ 0 , соответствующего нижней границе шестого сегмента. При этом, если U АИМ ≥ U эт = 512 ∆ 0 то принимается решение, что отсчёт попадает в один из двух вышележащих сегментов и формируется очередной символ Y = 1. В противном случае, если U АИМ ≤ U эт = 512 ∆ 0 , принимается решение, что отсчёт попадает в два нижележащих сегмента и формируется Y = 0.

Если же X = 0, то УЛС с помощью СПСЭ обеспечивает подачу на вход СС эталонного напряжения U эт = 32 ∆ 0 , соответствующего нижней границе второго сегмента. Если U АИМ ≥ U эт = 32 ∆ 0 , то принимается решение, что отсчёт попадает во второй и третий сегменты и формируется Y = 1. Если U АИМ ≤ U эт = 32 ∆ 0 , то принимается решение, что отсчёт попадает в два нижележащих сегмента и формируется Y = 0.

В четвёртом такте аналогичным образом формируется символ Z и окончательно формируется код номера сегмента. В результате, после четырёх тактов кодирования, сформируется четыре символа восьмиразрядной кодовой комбинации PXYZ (рисунок 5.6) и к СС подключается одно из восьми эталонных напряжений, соответствующих нижней границе сегмента, в котором находится кодируемый отсчёт.

В оставшихся четырёх тактах последовательно формируются символы ABCD кодовой комбинации, значения которых зависят от номера шага квантования внутри сегмента, соответствующего амплитуде кодируемого отсчёта. Поскольку внутри любого сегмента осуществляется равномерное квантование, то процесс кодирования реализуется, как и в линейных кодерах взвешивающего типа, путём последовательного включения эталонных напряжений соответствующих данному сегменту (таблица 5.2).

Практикум на применение нелинейного кодера при компадировании по закону А = 87.6/13 :

Например, если на вход кодера поступил положительный отсчёт с амплитудой U АИМ = 889 ∆ 0 , то после первых четырёх тактов сформируются символы PXYZ = 1110 и к СС подключится эталонное напряжение U эт = 512 ∆ 0 , соответствующее нижней границе шестого сегмента, поскольку кодируемый сигнал находится в этом сегменте. В пятом такте к этому эталонному сигналу добавляется максимальное эталонное напряжение U эт = 256 ∆ 0 , соответствующее символу А в определителе шага квантования К (рисунок 5.6) шестого сегмента (таблица 5.2). Так как U АИМ > U эт = (512 +256) ∆ 0 , то формируется символ А = 1 и это эталонное напряжение остаётся включенным. В шестом такте подключается эталонное напряжение соответствующее символу В в определителе шага квантования U эт = 128 ∆ 0 и так как U АИМ > U эт = (512 +256 + 128) ∆ 0 , то на выходе СС формируется символ В = 1 и это эталонное напряжение остаётся включенным. В седьмом такте подключается эталонное напряжение соответствующее символу С в определителе шага квантования U эт = 64 ∆ 0 и так как U АИМ < U эт = (512 +256 + 128 + 64) ∆ 0 , то на выходе СС формируется символ С = 0. В восьмом такте вместо U эт = 64 ∆ 0 подключается эталонное напряжение соответствующее символу D в определителе шага квантования U эт = 32 ∆ 0 и так как U АИМ < U эт = (512 +256 + 128 + 32) ∆ 0 , то на выходе СС формируется символ D = 0 и это эталонное напряжение отключается и на этом процесс кодирования очередного отсчёта заканчивается. При этом на выходе кодера сформирована кодовая комбинация PXYZABCD = 11101100, соответствующая амплитуде уравновешивающего АИМ сигнала на входе СС U АИМ = 896 ∆ 0 . Разница между входным и уравновешивающим АИМ сигналами на входах СС представляет ошибку квантования δ кв = U АИМ – U АИМ = 7∆ 0 .

5.2. Цифровые иерархии

При выборе иерархии ЦСП должны учитываться следующие требования: стандартизированные скорости передачи цифровых потоков должны выбираться с учётом возможности использования цифровых и аналоговых систем передачи и электрических характеристик существующих и перспективных линий связи; обеспечение возможности как синхронного, так и асинхронного объединения, разделения и транзита цифровых потоков и сигналов в цифровой форме. Кроме того, ЦСП высшего порядка должна удовлетворять требованию независимости скорости передачи в групповом цифровом сигнале от видов передаваемой информации и способа формирования этого сигнала .

Указанным требованиям удовлетворяет европейская иерархия ЦСП, которая базируется на первичной ЦСП ИКМ-30 со скоростью передачи группового цифрового сигнала 2048 кбит/с (F т = 2048 кГц) (рисунок 5.10) .

Рисунок 5.10. Европейская иерархия цифровых систем передачи

Относительное возрастание скорости передачи в каждой последующей ступени иерархии по отношению к предыдущей связано с необходимостью увеличения объёма служебной информации при увеличении числа каналов.

Иерархия ЦСП с ИКМ. Упрощенная структурная схема аппаратуры ВРК с ИКМ приведена на рисунке 5.11, где для простоты показано индивидуальное оборудование одного канала.

Рисунок 5.11. Упрощенная структурная схема аппаратуры объединения (АО) и разделения (АР) при ВРК с ИКМ

Телефонное сообщение u к (t) через дифференциальную систему (ДС) фильтр нижних частот (ФНЧ), который ограничивает спектр сигнала частотой 3.4 кГц, подается на вход модулятора АИМ (М АИМ). В модуляторе непрерывный сигнал дискретизируется, то есть превращается в последовательность модулированных по амплитуде импульсов, которые имеют частоту F д =8 кГц.

Сигналы с АИМ всех каналов объединяются в групповой АИМ сигнал (смотри рисунок 5.1, в), который поступает на компрессор (Км). После компрессии групповой АИМ сигнал квантуется и кодируется в кодере (Кд). С выхода Кд двухуровневый цифровой сигнал подается на устройство объединения (УО), куда поступают импульсы от передатчика (П) СУВ и от передатчика циклового синхросигнала (ПЦС). Таким образом, в УО формируется групповой цифровой сигнал, структура цикла которого показана на рисунке 5.12.

Рисунок 5.12. Структура цикла группового сигнала ВРК с ИКМ

Параметры двоичного цифрового сигнала плохо согласуются с параметрами реальных линий передачи, не пропускающих низкочастотные составляющие спектра такого сигнала. Поэтому двоичный сигнал подвергается перекодированию в преобразователе кода (ПКп) в так называемый код линии, у которого низкочастотные компоненты ослаблены и характеристики вследствие этого лучше сочетаются с параметрами линии. Работа всех блоков АО синхронизируется сигналами, вырабатываемыми распределителем каналов передачи (РКп).

На приёмной стороне ИКМ сигнал подвергается обратному преобразованию в АИМ квантованный сигнал (декодированию). Для этого непрерывный поток символов должен быть разделён на кодовые группы, каждая из которых соответствует одному отсчёту квантованного сигнала. Декодированный сигнал аналогичен квантованным отсчётам исходного сигнала u кв (iT д) (смотри рисунок 5.1, а), которые в своём спектре имеют составляющие с частотами Ω н … Ω в передаваемого сообщения u к (t). Поэтому из импульсной последовательности u* кв (iТ д) принятое сообщение u* к (t) выделяется с помощью ФНЧ.

На стороне приёма сигнал по кабелю поступает на преобразователь кода приёма (ПКпр), где код линии преобразуется в двоичный и поступает в устройство разделения (УР). С выхода УР цикловой синхросигнал и СУВ поступают на свои приёмники, а кодовые группы речевых сигналов в декодере (Дк) преобразуются в групповой АИМ сигнал, который после экспандера (Эк) поступает на временные селекторы (ВС), открывающиеся поочерёдно и пропускающие импульсы АИМ, относящиеся к данному каналу. Демодуляция сигнала в канале осуществляется в ФНЧ.

Управление работой АР осуществляет распределитель каналов приёма (РКпр), синхронизация которого производится тактовой частотой, выделяемой из группового цифрового сигнала узкополосным фильтром, расположенным на выходе ПКпр, и цикловой синхронизацией.

Рассмотрим методы синхронизации. Для согласованной работы АО, АР и регенераторов необходимо обеспечить равенство скоростей обработки сигналов, правильное распределение АИМ сигналов и СУВ. Это осуществляется путём синхронизации регенераторов, генераторного оборудования АР по тактовой частоте и по циклам принимаемого цифрового сигнала .

При N гр канальных интервалах и m разрядах в информационных кодовых группах тактовая частота группового цифрового сигнала

F т = F д ∙ m ∙ N гр. (5.7)

Так, для системы ИКМ-30, рассчитанной на N гр = 32 канальных интервала при восьмиразрядной кодовой группе, F т = 8∙8∙32 = 2048 кГц. Групповой цифровой сигнал u ИКМ (t) представляет собой случайную последовательность двоичных импульсов (рисунок 5.1, в). Эту последовательность можно представить в виде суммы периодической и случайной последовательностей. Периодическая последовательность импульсов имеет дискретный спектр и при τ и, равной Т и Т/2, дискретные составляющие будут иметь частоты F=0; F т и так далее (смотри рисунок 5.13, где эти составляющие отмечены точками). Случайная биполярная последовательность определяет непрерывный спектр (рисунок 5.13) исходной двоичной последовательности.

Рисунок 5.13. Энергетический спектр случайной последовательности двоичных импульсов (а, б) и сигнала с ЧПИ (в) (составляющие дискретного спектра отмечены точками)

Из рисунка 5.13 следует, что максимальную энергию тактовой частоты имеет случайная двоичная последовательность с τ и = T/2. Колебания с тактовой частотой F т выделяются из такой последовательности узкополосным фильтром и используются в регенераторе для синхронизации работы решающего устройства.

Система цикловой синхронизации определяет начало цикла передачи и обеспечивает согласованное с АО распределение декодированных на приемном конце отсчетных значений аналоговых сигналов по своим каналам. Неточность работы цикловой синхронизации приводит к увеличению вероятности ошибки в информационных каналах. Для увеличения помехоустойчивости в качестве циклового синхросигнала (рисунок 5.12) используется группа символов постоянной структуры с частотой следования 4 кГц, то есть ЦС передаются через цикл передачи.

Рассмотрим объединение ЦСП на базе асинхронного ввода цифровых сигналов. Необходимость объединения цифровых потоков возникает при формировании группового цифрового сигнала из цифровых потоков систем более низкого порядка, из различных сигналов, передаваемых в цифровом виде, а также при вводе в групповой цифровой сигнал дискретных сигналов от различных источников информации (рисунок 5.14). Цифровые потоки формируются в ЦСП, задающие генераторы которых могут быть синхронизированы или несинхронизированы с задающим генератором оборудования объединения. В соответствии с этим производится синхронное или асинхронное объединение цифровых потоков.

Рисунок 5.14. Упрощенная структурная схема (а) посимвольное (б) и поканальное (в) объединение цифровых потоков

Для временного объединения асинхронных цифровых потоков необходимо предварительно согласовать их скорости, то есть "привязать" их к одной опорной частоте . На приёме суммарный сигнал распределяется по соответствующим выходам. Приходящие на вход системы передачи биты из четырёх информационных потоков записываются в ячейки памяти запоминающего устройства (ЗУ), а затем считываются с них и направляются в линию. Если содержимое ячеек памяти считалось быстрее, сформировался "пустой" временной интервал для вставки синхроимпульсов. Строгая периодичность синхросигнала – одно из важнейших свойств для его распознавания.

Если же генератор окажется нестабильным, то появится смещение во времени "пустых" интервалов и нарушится строгая периодичность их повторения. Может произойти сбой в работе системы синхронизации и всей аппаратуры в целом. Во избежание этого применяют процедуру выравнивания скоростей или, как часто называют, согласования скоростей.

Специальный контроллер следит за взаимным положением импульсов записи и считывания и, если импульсы считывания начали следовать быстрее (расстояние между соседними парами этих импульсов уменьшается), то контролер сигнализирует, что "пустой" интервал появился раньше времени. Другое устройство вводит в пустой интервал ложный импульс, не несущий никакой информации. В данном случае мы имеем дело с положительным согласованием скоростей.

Описанная выше процедура согласования скоростей называется стаффинг (от английского "staffing" - вставка). На приёмную станцию подаётся команда, что произошло согласование скоростей для ликвидации ложного импульса. Для надёжности команду согласования скоростей многократно дублируют, например, посылают её три раза.

Если же генератор вырабатывает импульсы считывания реже и в цифровом потоке уже должен появиться "пустой" интервал, а тактовые импульсы ещё не считали из ЗУ предшествующий ему информационный импульс, то придётся исключить из цифрового потока лишний бит и предоставить временной интервал для передачи очередного синхроимпульса. Такое согласование получило название отрицательного.

Таким образом, на приёмную станцию необходимо сообщить, какое согласование произошло: положительное или отрицательное. Для этой цели вводят команду "Вид согласования", посылая по другому служебному каналу 1 при положительном согласовании и 0 при отрицательном. Её также повторяют три раза. Таким образом, информация об изъятии или добавлении импульса передается в специально выделенных импульсных позициях, и на основе этой информации, на приемной стороне при разделении цифровых потоков происходит восстановление их скоростей (рисунок 5.14). Объединение потоков с выравниванием скоростей получило название плезиохронного, то есть почти синхронного, а существующая иерархия скоростей передачи цифровых потоков, а, значит, и систем передачи типа ИКМ – плезиохронной цифровой иерархией (по-английски PDH- Plesiohronous Digital Hierarhy).

При асинхронном способе объединения в блоках цифрового сопряжения БЦС пер (рисунок 5.14) скорости цифровых потоков объединяемых систем приводятся в соответствие с их соотношением с тактовой частотой объединенного потока и устанавливаются необходимые временные положения сигналов объединяемых потоков (КЦП – коллектор цифрового потока, РЦП – распределитель цифрового потока). Для синхронизации тракта передачи и приема по групповому цифровому потоку он разбивается на циклы, в начале которых вводится сигнал синхронизации (рисунок 5.14, б и в). При поканальном объединении цифровых потоков сужаются и распределяются во времени интервалы, отводимые для кодовых групп (рисунок 5.14, в).

Указанные иерархии, известные под общим названием PDH, или ПЦИ, сведены в таблицу 5.3.

Таблица 5.3 – Сравнение иерархий

Уровень цифровой иерархии	Скорости передач, соответствующие различным схемам цифровой иерархии
	AC: 1544 Кбит/с	ЯС: 1544 Кбит/с	EC: 2048 Кбит/с

Где: АС – американская схема;

ЯС – японская схема;

ЕС – европейская схема.

Но PDH обладала рядом недостатков, а именно:

• затруднённый ввод/вывод цифровых потоков в промежуточных пунктах;
• отсутствие средств сетевого автоматического контроля и управления;
• многоступенчатое восстановление синхронизма требует достаточно большого времени;

Указанные недостатки PDH, а также ряд других факторов привели к разработке в Европе аналогичной синхронной цифровой иерархии SDH.

Синхронная цифровая иерархия .

Новая цифровая иерархия SDH – это способ мультиплексирования различных цифровых данных в единый блок, называемый синхронным транспортным модулем (STM) , с целью передачи этого модуля по линии связи . Упрощённая структура STM показана на рисунке 5.15:

Рисунок 5.15 – Структура синхронного транспортного модуля STM-1

Модуль представляет собой фрейм (рамку) 9∙270 = 2430 байт. Кроме передаваемой информации (называемой в литературе полезной нагрузкой), он содержит в 4-й строке указатель (Pointer, PTR), определяющий начало записи полезной нагрузки.

Чтобы определить маршрут транспортного модуля, в левой части рамки записывается секционный заголовок (Section Over Head – SOH). Нижние 5∙9 = 45 байтов (после указателя) отвечают за доставку информации в то место сети, к тому мультиплексору, где этот транспортный модуль будет переформировываться. Данная часть заголовка так и называется: секционный заголовок мультиплексора (MSOH). Верхние 3∙9 = 27 байтов (до указателя) представляют собой секционный заголовок регенератора (RSOH), где будут осуществляться восстановление потока, "поврежденного" помехами, и исправление ошибок в нем.

Один цикл передачи включает в себя считывание в линию такой прямоугольной таблицы. Порядок передачи байтов – слева направо, сверху вниз (так же, как при чтении текста на странице). Продолжительность цикла передачи STM-1 составляет 125 мкс, т.е. он повторяется с частотой 8 кГц. Каждая клеточка соответствует скорости передачи 8 бит ∙ 8 кГц = 64 кбит/с. Значит, если тратить на передачу в линию каждой прямоугольной рамки 125 мкс, то за секунду в линию будет передано 9∙270∙64 Кбит/с = 155520 Кбит/с, т.е. 155 Мбит/с.

Таблица 5.4 – Синхронная цифровая иерархия

Уровень иерархии	Тип синхронного транспортного модуля	Скорость передачи, Мбит/с

Для создания более мощных цифровых потоков в SDH-системах формируется следующая скоростная иерархия (таблица 5.4): 4 модуля STM-1 объединяются путем побайтного мультиплексирования в модуль STM-4, передаваемый со скоростью 622,080 Мбит/с; затем 4 модуля STM-4 объединяются в модуль STM-16 со скоростью передачи 2488,320 Мбит/с; наконец 4 модуля STM-16 могут быть объединены в высокоскоростной модуль STM-64 (9953,280 Мбит/с).

На рисунке 5.17 показано формирование модуля STM-16. Сначала каждые 4 модуля STM-1 с помощью мультиплексоров с четырьмя входами объединяются в модуль STM-4, затем четыре модуля STM-4 мультиплексируются таким же четырёхвходовым мультиплексором в модуль STM-16. Однако существует мультиплексор на 16 входов, с помощью которого можно одновременно объединить 16 модулей STM-1 в один модуль STM-16.

Рисунок 5.16– Формирование синхронного транспортного модуля STM–16

Формирование модуля STM-1. В сети SDH применены принципы контейнерных перевозок. Подлежащие транспортировке сигналы предварительно размещаются в стандартных контейнерах (Container – С). Все операции с контейнерами производятся независимо от их содержания, чем и достигается прозрачность сети SDH, т.е. способность транспортировать различные сигналы, в частности, сигналы PDH .

Наиболее близким по скорости к первому уровню иерархии SDH (155,520 Мбит/с) является цифровой поток со скоростью 139,264 Мбит/с, образуемый на выходе аппаратуры плезиохронной цифровой иерархии ИКМ-1920. Его проще всего разместить в модуле STM-1. Для этого поступающий цифровой сигнал сначала "упаковывают" в контейнер (т.е. размещают на определенных позициях его цикла), который обозначается С-4.

Рамка контейнера С-4 содержит 9 строк и 260 однобайтовых столбцов. Добавлением слева еще одного столбца – маршрутного или трактового заголовка (Path Over Head – РОН) – этот контейнер преобразуется в виртуальный контейнер VC-4.

Наконец, чтобы поместить виртуальный контейнер VC-4 в модуль STM-1, его снабжают указателем (PTR), образуя таким образом административный блок AU-4 (Administrative Unit), а последний помещают непосредственно в модуль STM-1 вместе с секционным заголовком SOH (рисунок 5.17 и рисунок 5.18).

Синхронный транспортный модуль STM-1 можно загрузить и плезиохронными потоками со скоростями 2,048 Мбит/с. Такие потоки формируются аппаратурой ИКМ-30, они широко распространены в современных сетях. Для первоначальной "упаковки" используется контейнер С12. Цифровой сигнал размещается на определенных позициях этого контейнера. Путем добавления маршрутного, или транспортного, заголовка (РОН) образуется виртуальный контейнер VC-12. Виртуальные контейнеры формируются и расформировываются в точках окончаниях трактов .

Рисунок 5.17. Размещение контейнеров в модуле STM-1

В модуле STM-1 можно разместить 63 виртуальных контейнера VC-12. При этом поступают следующим образом. Виртуальный контейнер VC-12 снабжают указателем (PTR) и образуют тем самым транспортный блок TU-12 (Tributary Unit). Теперь цифровые потоки разных транспортных блоков можно объединять в цифровой поток 155,520 Мбит/с (рисунок 5.18). Сначала три транспортных блока TU-12 путем мультиплексирования объединяют в группу транспортных блоков TUG-2 (Tributary Unit Group), затем семь групп TUG-2 мультиплексируют в группы транспортных блоков TUG-3, а три группы TUG-3 объединяют вместе и помещают в виртуальный контейнер VC-4. Далее путь преобразований известен.

На рисунке 5.18 показан также способ размещения в STM-N, N=1,4,16 различных цифровых потоков от аппаратуры плезиохронной цифровой иерархии. Плезиохронные цифровые потоки всех уровней размещаются
в контейнерах С с использованием процедуры выравнивания скоростей (положительного, отрицательного и двухстороннего).

Наличие большого числа указателей (PTR) позволяет совершенно
четко определить местонахождение в модуле STM-N любого цифрового
потока со скоростями 2,048; 34,368 и 139,264 Мбит/с. Выпускаемые промышленностью мультиплексоры ввода-вывода (Add/Drop Multiplexer –
ADM) позволяют ответвлять и добавлять любые цифровые потоки.

Рисунок 5.18. Ввод плезиохронных цифровых потоков в синхронный транспортный модуль STM-N

Важной особенностью аппаратуры SDH является то, что в трактовых и сетевых заголовках помимо маршрутной информации создается много информации, позволяющей обеспечить наблюдение и управление всей сетью в целом, осуществлять дистанционные переключения в мультиплексорах по требованию клиентов, осуществлять контроль и диагностику, своевременно обнаруживать и устранять неисправности, реализовать эффективную эксплуатацию сети и сохранить высокое качество предоставляемых услуг.

Иерархии PDH и SDH взаимодействуют через процедуры мультиплексирования и демультиплексирования потоков PDH в системы SDH.

Основным отличием системы SDH от системы PDH является переход на новый принцип мультиплексирования. В системе SDH производится синхронное мультиплексирование/демультиплексирование, которое позволяет организовывать непосредственный доступ к каналам PDH, которые передаются в сети SDH. Это довольно важное и простое нововведение в технологии привело к тому, что в целом технология мультиплексирования в сети SDH намного сложнее, чем технология в сети PDH, усилились требования по синхронизации и параметрам качества среды передачи и системы передачи, а также увеличилось количество параметров, существенных для работы сети.

Контрольные вопросы:

1. Что такое цифровой сигнал?
2. Перечислите основные преимущества цифровой связи перед аналоговой?
3. Дайте понятие скорости передачи?
4. С какой частотой следует дискретизировать аналоговый сигнал?
5. Поясните суть квантования?
6. Как определить ошибку квантования сигнала?
7. Запишите число 859 в двоичной системе счисления.
8. Закодируйте положительный отсчёт 358 мА в симметричном восьмиразрядном коде. Чему равна ошибка квантования?
9. Дайте понятие плезиохронной цифровой иерархии?
10. Для чего необходимо согласование скоростей передачи различных потоков при их объединении в высокоскоростной поток? Как осуществляется согласование?
11. Принцип синхронной цифровой иерархии, её преимущества по сравнению с плезиохронной цифровой иерархией?
12. Для чего нужен указатель (PTR)?
13. Охарактеризуйте структуру синхронного транспортного модуля.
14. Как в STM-N размещаются три потока со скоростью 34,368 Мбит/с от аппаратуры плезиохронной цифровой иерархии ИКМ-480.

2.2. Дискретизация, квантование и кодирование сигналов

Современные цифровые технологии, обладая неограниченными возможностями по обработке, передаче и хранению больших объемов информации, всё активнее внедряются в самые разные сферы человеческой деятельности, даже в те из них, где прежде традиционно господствовали аналоговые. Однако все известные физические явления и процессы, которые служат источниками исходных данных для решения вычислительных задач, являются непрерывными аналоговыми величинами. Поэтому, прежде чем произвести какое-либо вычисление, надо получить численные значения величин, над которыми производятся вычислительные операции, т. е. осуществить преобразование аналоговой величины в соответствующий ей цифровой эквивалент. И точность такого преобразования должна быть не хуже желаемой точности результата. Кроме того, нередко результат вычисления также должен быть представлен в виде аналоговой величины с высокой степенью точности.

Еще одним аргументом в пользу цифрового представления аналоговой информации является возможность сохранения последней в неизменном виде в течение практически неограниченного времени. Многие из аналоговых процессов быстротечны и не повторяются вновь, фиксация их аналоговыми методами - записью на какой-нибудь носитель - фотопленку или магнитную ленту, недостаточно надежна и имеет свойство со временем ухудшаться - вплоть до полного разрушения. Цифровые же методы подобными недостатками не страдают, поскольку запись производится всего двумя символами - «единицей» (есть сигнал) и «нулем» (сигнала нет). В таком виде информация неизмеримо более устойчива к воздействию разного рода искажающих факторов. Нет необходимости заботиться о точной форме импульса - достаточно, чтобы он был вообще. К тому же разработанные на сегодняшний день алгоритмы защиты цифровой информации от ошибок позволяют практически свести к нулю результат любого искажающего воздействия, такого, которое для аналоговой информации было бы равносильно ее безвозвратной утрате.

По указанным выше причинам роль приборов, преобразующих аналоговые величины в цифровые и обратно - аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП) становится чрезвычайно значимой, поскольку им отводится роль своего рода «посредников», между аналоговой природой окружающего нас мира и вычислительной мощью «цифрового мира». Роль эта весьма ответственна. Какова точность преобразования, такова будет и точность результата.

Прежде чем приступать к анализу процедур аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, следует ознакомиться с основными видами электрических сигналов, которые в дальнейшем будут служить объектами упомянутых преобразований. В самом общем случае такие сигналы можно разделить на четыре класса:

1. произвольные по величине и непрерывные по времени (рис. 1.1 а);

2. произвольные по величине и дискретные во времени (рис. 1.1 б);

3. квантованные по величине и непрерывные по времени (рис. 1.1 в);

квантованные по величине и дискретные по времени (рис. 1.1 д).

Сигнал s ( t ), показанный на рис. 1 а называется аналоговым, поскольку его можно толковать как электрическое отображение реальных физических процессов. Аналоговые сигналы задаются по оси времени на несчетном множестве точек и являются непрерывными. По оси ординат такие сигналы также могут принимать любые значения в определенном интервале.

Сигнал S ( nT ), показанный на рис. 1.1 б, также, как и аналоговый, может принимать любые значения по оси ординат, но по оси времени он определен только для некоторых фиксированных точек, т. е. является функцией дискретной переменной ( n Т), где n = 0, 1, 2 ..., а Т - интервал дискретизации. Такой сигнал называется дискретным, причем в данном случае термин «дискретный» характеризует не сам сигнал, а способ его задания на временной оси.

Сигнал, показанный на рис. 1.1 в, задан на всей временной оси, однако величина его может принимать только дискретные значения. В подобном случае говорят о сигнале, квантованном по уровню. Чтобы отличить дискретность сигнала по уровню от дискретности по времени, термин «дискретный» будет применяться только к дискретизации по времени, дискретность же по уровню будет характеризоваться термином «квантование».

Квантование используют в том случае, когда необходимо преобразовать сигнал в цифровую форму. Для этого весь диапазон изменения величины сигнала разбивают на счетное число уровней и каждому уровню присваивают определенный номер, который затем кодируют двоичным кодом с конечным числом разрядов. Величина сигнала измеряется в заданных точках на оси времени. Такой сигнал - дискретный по времени и квантованный по уровню, называется цифровым. Он показан на рис. 1.1 г .

ИНФОРМАЦИИ

ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИИ. ВИДЫ и свойства

Сообщения и сигналы. Кодирование и квантование сигналов.

Методы измерения количества и качества информации.

Понятие информации. Виды и свойства информации.

Лекция 3. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАТИКИ

Ключевые слова : информация; виды информации; свойства информации; меры информации; количество информации; объем данных; энтропия; тезаурус пользователя; качество информации; показатели качества информации; сообщение; источник информации; получатель информации; канал связи; носитель информации; параметр сигнала; кодирование; декодирование; дискретизация; квантование.

Литература: 1. Информатика. Базовый курс / Симонович С.В. и др. –

СПб.: Издательство «Питер», 1999.

2. Могилев А.В. и др. Информатика: Учеб. пособие для

студ. пед. вузов / А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер; Под

ред. Е.К.Хеннера. – 2-е изд., стер. – М.: Изд. центр «Ака-

демия», 2001.

Дисциплина «Информатика» неразрывно связана с понятием информация , которое является одним из фундаментальных в современной науке вообще и базовым для изучаемой нами информатики. Это понятие неоднократно звучало при изложении вводной лекции. С ним мы сталкиваемся ежедневно. Информацию наряду с веществом и энергией рассматривают в качестве важнейшей сущности мира, в котором мы живем. Тем не менее, общепризнанного и строгого определения понятия информациядо сих пор нет. В разных дисциплинах в понятие информация вкладывают разный смысл. При этом типична ситуация, когда понятие об информации, введенное в рамках одной научной дисциплины, может опровергаться конкретными примерами и фактами, полученными в рамках другой. Например, представление об информации как о совокупности данных, повышающих уровень знаний об объективной реальности окружающего мира, характерное для естественных наук, может быть опровергнуто в рамках социальных наук.

В простейшем бытовом понимании с термином «информация » обычно ассоциируются некоторые сведения , данные , знания и т. п.

Словоинформация (латинское informatio ) означает разъяснение, осведомление, изложение . В общем случае под информацией понимают все те сведения, которые уменьшают степень неопределенности нашего знания о конкретном объекте .

Сама по себе информация может быть отнесена к категории абстрактных понятий, но ряд ее особенностей приближает ее к материальным объек­там . Так, информацию можнополучить, записать, удалить, передать ; информация не может возникнуть из ничего . С позиции материалистической философии информация есть отражение реального мира . Однако при распространении информации прояв­ляется такое ее свойство, которое не присуще материальным объектам: при передаче информации из одной системы в другую количество информации в передающей системе не уменьшается, хотя в принимающей системе оно обычно увеличивается . Если бы информация не обладала этим свойством, то преподаватель, читая лек­цию студентам, терял бы информацию и становился неучем.

Итак, информация не материальна, но она является свойством материи и не может существовать без своего материального носителя – средства переноса информации в пространстве и во времени. Носителем информации может быть как непосредственно наблюдаемый физический объект, так и некоторый энергетический суб­страт. В последнем случае информация представлена в видесигналов : световых, звуковых, электрических и т. д. При отображении на носителе информация коди­руется, то есть ей ставится в соответствие форма, цвет, структура и другие пара­метры элементов носителя.

Часто информацию отождествляют с данными . Однако это неправильно. Одни и те же данные могут в момент потребления поставлять разную информацию в зависимости от степени адекватности взаимодействующих с ними методов. Например, для человека, не владеющего китайским языком, письмо, полученное из Пекина, дает только ту информацию, которую можно получить методом наблюдения (количество страниц, цвет и качество бумаги, количество иероглифов и их начертание и т.п.). Все это информация, но не вся, заключенная в письме. Использование более адекватных методов (например, привлечение переводчика) даст иную информацию.

Обратим внимание на то, что данные являются объективными , поскольку это результат регистрации объективно существовавших сигналов, вызванных изменениями в материальных телах или полях. В то же время, методы являются субъективными . В основе искусственных методов лежат алгоритмы (упорядоченные последовательности команд), составленные и подготовленные людьми (субъектами). В основе естественных методов лежат биологические свойства субъектов информационного процесса. Следовательно, информация возникает и существует в момент диалектического взаимодействия объективных данных и субъективных методов .

Сформулируем и в дальнейшем будем использовать следующее определение информации:

информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов .

Информация не является статичным объектом – она динамически меняется и существует только в момент взаимодействия данных и методов их обработки. Все остальное время она пребывает в состоянии данных. Таким образом, информация существует только в момент протекания информационного процесса .

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дискрети зация, квантование, кодирование

Аналоговый сигнал

Любые способы технической регистрации и передачи информации, которые существовали в докомпьютерную эру и продолжают успешно функционировать, основаны на аналоговых технологиях. Эти устройства называются аналоговыми, потому что уровни оригинального сигнала, например звука, похожи на уровни электрического тока, с помощью которого сигнал передается (один сигнал «аналогичен» по форме другому). Если выразиться максимально обобщенно, то непрерывные значения одного сигнала задаются непрерывно изменяющейся физической величиной другого сигнала.

Поэтому аналоговую технологию отличает, прежде всего, непрерывный континуум информации (в процессе передачи нет дискретных элементов, нет разрывов, даже в моменты «тишины»). Примерно также непрерывно мы воспринимаем информацию с помощью органов зрения или слуха.

Передача звука состоит в том, что в микрофоне под влиянием колебаний воздуха мембрана колеблется и «трясет» пьезоэлемент, в котором механическое воздействие создает электрический потенциал. В цепи появляется ток, уровень которого соответствует уровню звука в данный момент. Таким образом, с помощью микрофона звуковые волны преобразовываются в электрические сигналы.

Когда сигнал достигает телефона, он вызывает колебание другой мембраны: она притягивается или отталкивается электромагнитами, тем самым создавая колебания воздуха, а следовательно, обеспечивая условия восприятия звука человеком. Характерно, что ухо человека воспринимает такой сигнал практически неотличимо от ситуации, если бы источник звука располагался в непосредственной близости.

В процессе преобразования естественного сигнала в электрический, а затем электрического снова в естественный, форма сигнала сохраняется аналогичной исходному.

Достоинством аналогового способа передачи информации является ее естественность и непрерывность, т.е. способность в данный момент максимально полно представлять непрерывный поток поступающей информации.

У аналогового принципа передачи информации есть существенные недостатки , из которых следует упомянуть два наиболее важных: способность к затуханию и чувствительность к помехам.

Затухание аналогового сигнала.

Когда сигнал передается по линии связи, он представляется в форме электрического тока. А поскольку в любых проводниках существует сопротивление, которое необходимо преодолевать, вследствие этого неизбежного процесса сигнал постепенно затухает. В результате через определенное расстояние на устройстве воспроизведения полезный сигнал заметно уменьшается или вовсе снижается до уровня шума.

Поэтому электрический сигнал требует регулярного усиления в пунктах, далеко отстоящих от уровня своего полного затухания.

Человеческий голос, также преодолевая сопротивление воздушной среды, не может распространяться бесконечно. Поэтому, если требуется передача сигнала голосом, то можно, например, выстроить цепочку людей на таком расстоянии друг от друга, которое бы обеспечивало «слышимость», исключающую ситуацию «испорченного телефона». Впрочем, голос - очень ненадежный источник сигнала, чаще используют зрительные сигналы: флажки, фонари, семафоры или светофоры. Примерно такая же идея положена в устройство телефонных линий. Когда вы говорите в трубку дома, и, скажем, в Самарканде вас прекрасно слышат, то это вовсе не потому, что вы так громко кричите. Понятно, что сигнал на пути в несколько сотен километров периодически усиливается, предотвращая естественное затухание.

Чу вствительность к помехам

Когда форма сигнала в каждый данный момент изменяется, всевозможные помехи (среди них наиболее характерны атмосферные или индустриальные - работа мощных станков или даже систем зажигания автомобилей, а также собственные шумы системы) в процессе передачи постоянно влияют на характер сигнала. В результате форма сигнала искажается, что препятствует «чистой» передаче.

Влияние помехи на условный синусоидальный сигнал, который в результате сложения совокупности частот изменяет свою идеальную форму, что, безусловно, придает «звучанию» иную (дополнительную) тембральную окраску.

Влияние помехи на передаваемый сигнал (а - полезный сигнал, b - излучение помехи, с - сумма колебаний, т.е. сигнал с помехой)

Если не очень по душе пример с абстрактными волнами, стоит представить, как влияют на различение звуков голоса порывы ветра или помехи в телефонной трубке.

Проблемы копирования. Причина потери качества .

Затухание и подверженность к помехам, помимо уже упомянутой необходимости усиливать сигнал, имеют еще одно весьма неприятное следствие. А именно, при каждом копировании аналоговой информации ее качество довольно резко ухудшается. Эффект накопления искажений, присущий всем аналоговым системам, ограничивает количество перезаписей, которые могут быть сделаны на аналоговом аудио - и видеомагнитофоне, буквально несколькими копиями.

Схема «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 2 - копия 3», «копия 3 - копия 4» и т.д. не работает после определенного, причем очень небольшого, числа этапов. При этом всем ясно, что каждая последующая копия по качеству заметно хуже предыдущей.

Поэтому в аналоговых системах копирование информации происходит по другой схеме: «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 1 - копия 3», «копия 1 - копия 4» и т.д. Тем самым обеспечивается следующее условие: между источником информации и конечным его потребителем должно быть как можно меньше промежуточных этапов, т.к. каждый из них неизбежно вносит свои помехи и погрешности.

Такой порядок, безусловно, сдерживает копирование и распространение информации «цепочным» способом. Причем следует заметить, что этот недостаток является принципиальным и, как говорится, «исправлению не подлежит».

Если отбросить очень сложные технические подробности, причина состоит в том, что исходное (эталонное) состояние передаваемой аналоговой информации не фиксируется. По линии связи распространяется такой сигнал, который реально существует в каждый данный момент. И усилители «поднимают» сигнал не до исходного уровня, а лишь увеличивают его в том виде, какой до них «дошел». Если, например, вместо полезного сигнала до усилителя докатился треск и шум, то он вынужден усиливать и их или только их.

Если передается, допустим, конкретный звуковой сигнал с определенной громкостью и если в момент воспроизведения уровень тока ниже, чем тот, при котором была произведена передача, то громкость результирующего сигнала сможет настолько снизиться, что тихие звуки совсем пропадут (хотя сигнал может и вовсе исчезнуть). При этом нет никакой практической возможности убедиться, что сигнал не соответствует исходному (может быть, и в самом деле передаваемые звуки должны быть тихими или в это время «передается» пауза). Разумеется, если бы была какая-либо техническая возможность в самом начале сохранить данные о том, какими должны быть передаваемые сигналы, а на входе в другое устройство можно было проверить, соответствуют ли они этой информации (идеальному сигналу), то только тогда можно гарантировать их абсолютно точное воспроизведение.

В этом заключается суть принципиального ограничения, которое невозможно каким-либо способом преодолеть. Передаваемая аналоговая информация представляет собой непрерывный континуум непрерывного сигнала. При этом сигнал в каждый данный момент ни с каким эталоном не сравнивается, а только соотносится (в нашем восприятии) с предыдущим уровнем сигнала.

Особенности аналоговых сигналов.

Аналоговый сигнал можно сравнить с мелодией - повышением и понижением голоса. Мелодия может сохраняться на более высоких или более низких тонах, если отношение тонов относительно друг друга будет соблюдаться. Поэтому перед выступлением камерные певцы, учитывая состояние своего голоса, договариваются с концертмейстером об уровне (тональности) исполнения. Аналоговый способ передачи информации обладает важными достоинствами: соответствием исходному сигналу, непрерывностью, отсутствием необходимости хранить информацию о сигнале. Но у аналогового способа существуют и не менее значительные недостатки: подверженность помехам и способность к затуханию.

Представление об аналоговых сигналах необходимо иметь хотя бы потому, что в объективной реальности это, видимо, единственный способ передачи какой бы то ни было информации. Все органы чувств человека имеют дело с аналоговыми сигналами. Любая информация, используемая в технических системах, также начинается и заканчивается аналоговым сигналом.

И даже те технические устройства, которые связывают обычную информацию с цифровыми технологиями, также требуют знания принципов аналоговой передачи и, следовательно, в дальнейшем преобразования их в цифровую форму. Изложенной выше информации достаточно для представления сущности аналоговых сигналов.

Цифровой сигнал

1. Импульсный сигнал. Преодоление затухания.

Другим принципом передачи и записи информации является импульсная форма сигнала. Эта форма получила такое название потому, что сигнал передается короткими одинаковыми импульсами тока. В каждый данный момент ток может иметь два уровня.

Справка . Слово «импульс» (от латинского слова «impulsus», что переводится как «удар» или «толчок») в отношении электрических сигналов означает кратковременное отклонение напряжения или силы тока от некоторого постоянного значения.

Такой способ передачи сигналов дает возможность преодолеть указанные выше недостатки аналогового сигнала.

2. Преодоление затухания

Стоит заметить (не касаясь технических подробностей), что значительный диапазон между двумя уровнями сигнала (или даже между наличием и отсутствием сигнала) создают условия, уменьшающие затухание и повышающие различение сигналов, например в случае общего понижения напряжения в сети.

В самом деле, довольно основательный запас «прочности» позволяет устройствам приема, передачи и воспроизведения легко «разобраться», какой из уровней в данный момент поступает в обработку. Кроме того, эти два уровня имеют заранее известные (стандартные) значения, которые не трудно проконтролировать и легко восстановить.

3. Возможность контроля сигнала

Если импульсный сигнал сравнивать с аналоговым сигналом (для которого характерно непрерывное и разнообразное изменение уровня тока), может сложиться впечатление полной скуки, поскольку по такому сигналу нельзя получить никакой даже приблизительной информации о сигнале: громкий он или тихий, быстрый или медленный, с повышающимся или понижающимся тоном и т.д. Однако не стоит делать опрометчивых выводов. У скучных импульсов есть одно весьма существенное преимущество: импульсы можно сосчитать! Поэтому такой вид называют еще импульсно-цифровым способом передачи информации. (Понятно, что при всех красотах аналоговые «извивы» сосчитать невозможно).

В начале посылки совокупности таких сигналов можно указать количество импульсов и, тем самым, проконтролировать достоверность передачи. Если в результате передачи их количество не совпадает, происходит повторная передача. И, следовательно, сигнал не может потеряться или измениться, т.к. всегда имеется возможность проверить исходное состояние.

Если же, например, на линии происходит сбой и в какой-либо период времени передача невозможна, то при ее восстановлении совокупность сигналов повторяется.

4. О граниченные возможности копирования.

Самые впечатляющие преимущества импульсного способа передачи связаны с копированием информации. Вспомним схему копирования аналоговой информации и сравним ее со схемой копирования при импульсном способе передачи информации, которая имеет следующий характер: «оригинал - копия 1», «копия 1 - копия 2», «копия 2 - копия 3», «копия 3 - копия 4»,…, «копия 999 - копия 1000» и так до бесконечности. В самом деле, любая копия, даже если она сотая, а может быть, и миллионная, абсолютно идентична оригиналу. Почему? Потому что копирование состоит в передаче относительно простых и (главное!) сосчитанных импульсов.

Впрочем, у этого потрясающего достоинства есть и неприятные последствия, т.к. оно представляет идеальную почву для пиратства и присвоения чужой интеллектуальной собственности.

5. Общая характеристика импульсного сигнала

Импульсный способ передачи информации интересен прежде всего тем, что обладает важными достоинствами:

ь устойчивостью к затуханию и помехам;

ь возможностью контроля передаваемого сигнала на его соответствие исходному сигналу.

Даже этих свойств достаточно, чтобы понять, почему импульсная природа взята в качестве основы компьютерных технологий.

Пример-метафора

Этап передачи между АЦП и ЦАП - это импульсно-цифровой этап, или короче цифровой. В самом деле, с помощью последовательности импульсов передаются некие числа, которые представляют собой не сигнал как таковой (например, звук или изображение), а только его шифрованную форму (коды). Проще говоря, любая информация, которая передается последовательностью совершенно одинаковых импульсов, не может быть «аналогичной» (совпадать по форме) исходной. Совокупность импульсов - это последовательность кодов.

На первый взгляд, усложнение схемы двумя дополнительными устройствами может показаться большим недостатком. На самом деле, в этом кроется колоссальное достоинство, которое всегда несет с собой унификация, особенно в технических системах и на производстве.

Стоит сравнить перевозку разнообразных предметов индивидуально и унифицировано. Одно дело - каждой вещи создавать свою особенную упаковку, совсем другое - предусмотреть один-два стандартных ящика, которые легко складировать, перемещать и учитывать. Особенно стоит обратить внимание на возможность «учета». В свое время мы об этом вспомним.

Компьютерные технологии не обладают органами чувств и мышлением, которыми природа снабдила человека. Для их функционирования требуется самый простой и однообразный вид сигнала, каковым является импульсный.

Импульсный сигнал характеризуется прежде всего тем, что одинаковые импульсы нетрудно сосчитать и передать их количество вместе с информационным сигналом. Это позволяет абсолютно достоверно осуществлять копирование информации.

Далее, каким образом происходит кодирование самых разных форм информации, откуда эти коды берутся, как мы их можем получать, доставлять и использовать, т.е. рассмотреть в предельно популярном виде основы кодирования.

Но прежде необходимо от технических вопросов передачи информации перейти к математическим основам кодирования.

6. Д искретизация аналогового сигнала.

Первое, на что стоит обратить внимание, это - изменение амплитуды вдоль одной оси. Можно условиться, что это ось времени (хотя в принципе это несущественно для абстрактного примера).

7. Разбиение на равные интервалы

В качестве первой операции необходимо разбить эту ось на определенные интервалы, возможно, это и будут интервалы по времени.

Цель такого разбиения проста - это единственный способ получения дискретных элементов, причем стоит обратить внимание, что применяется искусственный прием, который ранее мы определяли как «принудительная» дискретизация.

В самом деле, выбранные интервалы принципиально никак не учитывают содержание сигнала, а хладнокровно «режут по живому» - в этом суть процесса «принудительной» дискретизации.

В данном конкретном случае дискретизация является линейной, т.к. используется всего одна координата (одна линия, вдоль которой происходит разбиение на равные интервалы).

В общем случае интервалы могут быть и разными, но тогда придется ответить на два вопроса: во-первых, как попасть в нужные, смысловые точки, а во-вторых, как передать с каждым дискретным интервалом значения разных длительностей. Не стоит забывать, что все указанные действия ориентированы на техническую реализацию. А техника «склонна» выполнять механические и однозначные действия.

Полученные интервалы очень полезно каким-либо образом «пометить», например пронумеровать с помощью натурального ряда чисел: 0, 1, 2, 3 и т.д.

Можем ли мы считать, что процесс дискретизации закончен? Отнюдь нет. Ведь кривая аналогового сигнала, подвергнутая «принудительной дискретизации», нисколько не изменилась, получить какие бы то ни было элементы пока не удалось.

В самом деле, только количества «дискретов», на которое разделяется сигнал, явно недостаточно. Поскольку в этом случае (по количеству «дискретов») могут казаться равными все сигналы одинаковой длины, ведь они составляются из одинакового количества «дискретных интервалов», хотя внутри интервалов сигналы будут абсолютно разными.

сигнал аналоговый импульсный помеха

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Принципы построения и структура взаимоувязанной сети связи. Понятие информации, сообщения, сигналов электросвязи. Типовые каналы передачи и их характеристики, принципы многоканальной передачи. Цифровые сигналы: дискретизация, квантование, кодирование.

дипломная работа , добавлен 17.05.2012


Разработка структурных схем передающего и приемного устройств многоканальной системы передачи информации с ИКМ; расчет основных временных и частотных параметров. Проект амплитудно-импульсного модулятора для преобразования аналогового сигнала в АИМ-сигнал.

курсовая работа , добавлен 20.07.2014


Формы представления информации, ее количественная оценка. Сущность и первичное кодирование дискретных сообщений. Совокупность технических средств, предназначенных для передачи информации. Система преобразования сообщения в сигнал на передаче и приеме.

реферат , добавлен 28.10.2011


Параметры цифровой системы передачи информации. Дискретизация сообщений по времени. Квантование отсчетов по уровню, их кодирование и погрешности. Формирование линейного сигнала, расчет спектра. Разработка структурной схемы многоканальной системы передачи.

курсовая работа , добавлен 19.04.2012


Спектр передаваемых сигналов. Дискретизация сообщений по времени. Квантование отсчётов по уровню и их кодирование, расчет его погрешностей. Формирование линейного сигнала, расчет его спектра. Разработка структурной схемы многоканальной системы передачи.

курсовая работа , добавлен 06.07.2014


Понятие сигнала, его взаимосвязь с информационным сообщением. Дискретизация, квантование и кодирование как основные операции, необходимые для преобразования любого аналогового сигнала в цифровую форму, сферы их применения и основные преимущества.

контрольная работа , добавлен 03.06.2009


Анализ структурной схемы системы передачи информации. Помехоустойчивое кодирование сигнала импульсно-кодовой модуляции. Характеристики сигнала цифровой модуляции. Восстановление формы непрерывного сигнала посредством цифро-аналогового преобразования.

курсовая работа , добавлен 14.11.2017


Обзор методов кодирования информации и построения системы ее передачи. Основные принципы кодово-импульсной модуляции. Временная дискретизация сигналов, амплитудное квантование. Возможные методы построения приемного устройства. Расчет структурной схемы.

дипломная работа , добавлен 22.09.2011


Дискретные системы связи. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция. Квантование по уровню и кодирование сигнала. Помехоустойчивость систем связи с импульсно-кодовой модуляцией. Скорость цифрового потока. Импульсный сигнал на входе интегратора.

реферат , добавлен 12.03.2011


Структурная схема сети передачи дискретной информации. Причины возникновения линейных и нелинейных искажений в СПДИ, нормирование АЧХ и ФЧХ. Тип переносчика, формы модуляции и спектры сигналов при передаче ДИ. ЕЭС прямоугольной и синусоидальной формы.