Методы линейного кодирования информации

Рассмотренное в предыдущих главах аналого-цифровое оборудование обеспечивает формирование цифрового двоичного сигнала, состоящего из импульсов и пробелов (единиц и нулей). Этот сигнал должен быть передан по ЦЛТ на противоположную оконечную станцию системы передачи, при этом должна быть обеспечена необходимая достоверность передачи.
Цифровой линейный тракт как тракт системы передачи должен содержать среду распространения цифрового сигнала и устройства, обеспечивающие требуемое качество передачи. В отличие от аналогового сигнала, используемого в системах с ЧРК и имеющего СЛОЖНУЮ форму, полное восстановление которой в промежуточных пунктах невозможно, цифровой сигнал в большинстве случаев достаточно прост по форме: импульс определенной амплитуды и длительности, и в промежуточных пунктах, возможно его полное восстановление (регенерация). Поэтому промежуточные ПУНКТЫ цифрового линейного тракта носят название регенерационных.

Как уже отмечалось, по ЦЛТ должны передаваться сигналы, обеспечивающие мини-мальные уровни помех внутри сигнала и переходных помех между соседними трактами. Уровень и мешающее действие указанных помех зависят в общем случае как от ширины и формы энергетического спектра сигнала, так и от ширины и формы амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) тракта.

Следовательно, вопрос выбора цифрового сигнала, обеспечивающего необходимую помехозащищенность, сводится к подбору сигнала, спектр которого удовлетворяет определенным требованиям. Первое требование: энергетический спектр сигнала должен ограничиваться снизу и сверху, быть достаточно узким, располагаться на сравнительно низких частотах и не содержать постоянной составляющей.

Ограниченный спектр сигнала позволяет уменьшить искажения при прохождении сигнала через тракт, так как в спектре сигнала будут подавляться составляющие, имеющие небольшую мощность (известно, что чем больше мощность составляющей, тем сильнее искажение при ее подавлении). Сдвиг спектра в область более низких частот снижает уровень переходной помехи. Уменьшение ширины спектра сигнала позволяет сделать более узкой полосу пропускания входных цепей регенератора, уменьшив тем самым ширину полосы и мощность помех, проникающих в решающее устройство.

Было установлено, что качество тактовой синхронизации регенератора в большой степени зависит от состава энергетического спектра цифрового сигнала. Известно, что системы тактовой синхронизации требуют наличия в спектре дискретной составляющей с частотой fт. Если тактовая частота в спектре цифрового сигнала отсутствует, то организация тактовой синхронизации сильно затруднена. Поэтому второе требование к спектру цифрового сигнала: в составе спектра должна быть составляющая с частотой fт.
Как известно из теории передачи сигналов, наличие информационной избыточности в кодовых комбинациях позволяет выявлять в них ошибки. Следовательно, применив линейный код, содержащий избыточность, можно решать вопросы контроля качества передачи в линейном тракте без перерыва связи. Отсюда третье требование к цифровому линейному сигналу: он должен быть представлен в коде содержащем информационную избыточность.

Рассмотрим, насколько известные двоичные коды удовлетворяют представленным выше трем требованиям.

Сигнал на выходе АЦП в безызбыточном двоичном коде может быть представлен в виде случайной последовательности однополярных импульсов (рис.. а) со скважностью q=T/tи> 1 (как правило, q=2). Такой сигнал называют, двоичным, или бинарным. Энергетический спектр двоичного сигнала содержит сплошные и линейчатые составляющие (рис. 63. б).

 

Рис. 63. Двоичные цифровые сигналы и их энергетические спектры:

а -двоичный сигнал, со скважностью q=2;
б - энергетический спектр сигнала с q=2;
в -двоичный цифровой сигнал с импульсами, затянутыми на тактовый интервал (q=1);
г - спектр сигнала q=1

Анализ спектральной диаграммы этого сигнала показывает, что амплитуды постоянной составляющей и НЧ составляющих спектра выше, чем у ВЧ составляющих. Ширина первого лепестка спектра велика - 2fт.

Проходя через тракт с большим числом линейных трансформаторов, подавляющие самые мощные составляющие спектра, сигнал сильно искажается и его регенерация становится затруднительной. Следовательно, такой сигнал не удовлетворяет первому требованию, предъявляемому к цифровому линейному сигналу. Не удовлетворяет он и третьему требованию. Наличие fт в спектре сигнала не может служить основанием для его применения, так как не выполняется первое требование, являющееся самым важным.
Эта идея была использована при формировании основного вида линейного цифрового сигнала, получившего название сигнала с чередованием полярности импульсов ЧПИ.
На рис.64.а, представлена двоичная кодовая комбинация, а на рис.64.б, полученная из нее комбинация в коде ЧПИ. Видно, что символы, используемые в комбинации кода ЧПИ, могут иметь три уровня: -1; 0; +1. В то же время количество информации в кодовой комбинации ЧПИ такое же, как и в двоичном коде, так как она получена из двоичной комбинации. Количество информации в кодовой комбинации, состоящей из элементов трех уровней, больше, чем в двоичной. Избыточность информации при использовании кода ЧПИ позволяет контролировать наличие ошибок в линейном тракте.

Рис.64. Квазитроичный цифровой код с чередованием полярности импульсов ЧПИ и его энергетический спектр

Энергетический спектр случайной импульсной последовательности (рис.64, в) концентрируется в узкой области вблизи частоты 0, 5fт, называемой полутактовой. В спектре сигнала отсутствует составляющая с частотой fт, что затрудняет построение систем тактовой синхронизации. Тем не менее отсутствие постоянной составляющей и концентрация спектра в области частот ниже fт позволяют при одинаковых значениях тактовой частоты получить для сигнала с ЧПИ меньшие, чем для двоичного, величины межсимвольных искажений и переходной помехи. Это и определило широкое использование сигнала с ЧПИ в низкоскоростных и среднескоростных ЦСП.

Поток бит, полученный в результате дискретизации, квантования и двоичного кодирования аналогового сигнала непригоден для передачи по каналу связи по ряду причин, основные из которых следующие:

· Выходной цифровой поток имеет широкий спектр, что затрудняет его передачу по каналу связи с ограниченной полосой пропускания, а также сложно восстановить сигнал в регенераторах.

· Спектр сигнала имеет большое количество мощных низкочастотных составляющих (до 15 гармоник), которые влияют на основную гармонику и вызывают увеличение или уменьшение амплитуды передаваемого сигнала.

· Спектр содержит постоянную составляющую (постоянный ток), что не позволяет использовать трансформаторы для гальванической развязки и согласования аппаратуры с кабельными системами, так как трансформаторы не пропускают постоянный ток, но он распределяется в обмотках трансформатора, а это вызывает скол вершин двоичных сигналов и появление сигналов отрицательной полярности.

Следовательно, цифровые сигналы будут искажаться, так как увеличение или уменьшение амплитуды передаваемого сигнала вызывает появление межсимвольных искажений (МСИ), вследствие чего происходит завал фронтов,

плавание середины импульса, уширение или сужения импульсов, попадание на соседние интервалы.

U, В

 

 

 

 

t, сек

Рис. 65. Искажение цифрового сигнала

Для оптимизации спектра сигнала, подаваемого в линию связи, используется линейное кодирование – двоичная последовательность, сформированная в кодере, преобразуется в линейные сигналы, обеспечивающие минимальные уровни помех внутри сигнала и переходных помех между соседними каналами.