|
| |
|
Слаботочка Книги Цифровой сигнал 10 0 1 Сигналы при однополярной передаче Сигналы при двуполярной передаче Рис. 4.5. Одно- и двуполярный коды передачи Как показано на рис. 4.5, сигнал БВН не содержит переходов для длинных последовательностей единиц и нулей. Следовательно, если такое преобразование используется для синхронной передачи, то для обеспечения появления хронирующих переходов необходимо применить одну из процедур, описанных выше. Этот код передачи соответствует системе передачи импульсов, в которой импульсы (перед фильтрацией) затянуты на длительность тактового интервала Т. Отсюда спектр этого кода (в предположении о случайном характере цифрового сигнала) является спектром вида (sin x)/x [см. формулу (4.1)1, показанным на рис. 4.2. Как следует из рисунка, спектр на нулевой частоте (постоянном токе) существенно отличается от нуля. Большинство проводных линий передачи, однако, не пропускает сигналы постоянного тока вследствие того, что они соединяются по переменному току посредством трансформаторов или конденсаторов для устранения шлейфов по постоянному току через землю. Кроме того, в некоторых системах специально удаляют постоянную составляющую из сигнала, чтобы обеспечить возможность дистанционного питания регенераторов или передачу с одной боковой полосой. Устранение низкочастотных составляющих из сигнала приводит к тому, что в длинных последовательностях единиц или нулей амплитуда постепенно уменьшается. Следовательно, в течение этих последовательностей приемник потеряет не только хронирующую информацию, но и свой эталон амплитуды для оптимального различения уровней 1 и 0. Эффект среза низких частот, называемый плаванием постоянной составляющей, показан на рис. 4.6 для типичной последовательности на передаче. Отметим, что после длинной последовательности единиц сигнал на выходе линии таков, что более вероятно появление ошибок, при которых единица переходит в нуль, чем ошибок, при которых нуль трансформируется в единицу. Аналогично этому, длинная последовательность нулей увеличивает вероятность Уменьшается не амплитуда, т. е. перепад между уровнем нуля и уровнем единицы, а, как видно из рис. 4.6, величина сигнала над (под) осью напряжений.- Прим. перев.
Рис 4.6. Плавание постоянной составляющей в сигнале БВН ошибочного перехода нуля в единицу. Эта проблема возникает не только для длинных последовательностей единиц или нулей, но и во всех случаях несбалансированности числа единиц и нулей. Следова-тельно, наличия периодических хронирующих импульсов недостаточ- * но для устранения плавания постоянной составляющей. Наличие низких частот в случайном сигнале данных является основной причиной того, почему для передачи данных через аналоговую телефонную сеть требуются модемы. (Аналоговые каналы ТЧ также не пропускают постоянного тока). Также вследствие этого код БВН редко используется для передачи на большие расстояния. Плавание постоянной составляющей характерно не только для систем передачи цифровых сигналов. С этим явлением приходится бороться в телевизионных и радиолокационных приемниках, в детекторах радиации. Один из способов компенсации плавания постоянной составляющей носит название восстановление постоянной составляющей [6]. Как показано на рис. 4.7, восстановление постоянной составляющей в основном заключается в пропускании принимаемых импульсов че- рез конденсатор, йх выпрямлении и последующем разряде конденсатора до момента поступления следующего импульса. Заряд конденсатора снимается за счет доведения напряжения до определенного порога (О В на рис. 4.7) с последующим отключением источника напряжения. Поскольку после каждого импульса конденсатор полиостью разряжается, в начале тактового интервала эталонный уровень решения является постоянным. Очевидный недостаток этого способа заключается в том, что в течение времени разряда вход-щт сигнал должен иметь нулевую амплитуду или он будет существенно искажен. Замыкание ключа Цель регенерации I Размыкание / ключа Замыкание ключа Размыкание ключа Время восстановления Рис 4.7. Восстановление постоянной составляющей для однополярных импульсов  Фильтр низких частот  Цепь регенерации Последействие устранено Рис 4.8. Восстановление исходного сигнала с помошью квантованной обратной связи Более полезным способом борьбы с плаванием постоянной составляющей является использование решающей обратной связи, называемой также корректированием посредством квантованной обратной связи [7]. В отличие от восстановления постоянной составляющей, при котором напряжение на конденсаторе доводится до постоянного заранее определенного уровня, при квантованной обратной связи плавание постоянной составляющей компенсируется путем формирования на приемной стороне низкочастотной реакции и добавления ее к принимаемому сигналу. После этого восстанавливается исходный цифровой поток. Как показано на рис. 4.8, восстановленный цифровой поток проходит через фильтр низких частот, на выходе которого формируется импульс, имеющий вид импульса последействия в канале. Сигнал обратной связи добавляется к принимаемому сигналу, чтобы удалить последействие (межсимвольную интерференцию). Согласно анализу в частотной области реакция цепи обратной связи является дополняющей к реакции канала [7]. Квантованная обратная связь используется в регенераторах системы Т4М фирмы Bell System [5]. 4.3.2. Биполярное преобразование кода Способы восстановления постоянной составляющей, упомянутые в предыдущем подразделе, упрощают обнаружение импульсов за счет создания в приемнике низкочастотной реакции на импульс. Имеется ряд кодов передачи, которые специально разработаны так, что не содержат энергии постоянного кода и в связи с этим нечувствительны к удалению постоянной составляющей. При биполярном преобразовании кода проблема плавания постоянной составляющей решается применением трех уровней кодирования двоичного цифрового сигнала, а именно: логический нуль передается нулевым напряжением, в то время как логическая единица передается попеременно положительным и отрицательным напряжениями. Таким образом, для устранения составляющих постоянного тока из спектра сигнала средний уровень напряжения поддерживается равным нулю. Поскольку в биполярном коде для передачи логических единиц используются им- Рис. 4.9. Биполярное преобразование кода -пульсы чередующейся полярности, его называют также кодом с чередованием полярности импульсов (ЧПИ) . Биполярное преобразование кода представляет собой основной вид преобразования к коду передачи, применяемый в линиях типа . Т1 на телефонной сети. Однако в линиях типа Т1 для передачи каждой логической единицы используются не импульсы с длительностью, равной тактовому интервалу, а импульсы с половинной длительностью. Такие импульсы (рис. 4.9) были выбраны для упрощения выделения хронирующего сигнала в регенераторах линии типа Т1 £8]. Энергетический спектр биполярного кода, полученный из [9], описывается выражением 5(a.)iiiG(co)X 1 - cos <аТ -, (4.3) 1 - 2 (2р - 1) cos (оГ + (2р - 1) где р - вероятность появления единиц, а G (ш) - спектр одиночного импульса: G(io) = (T/2)sin(ioT/4)/((оТ/4) (для импульсов с длительностью, равной 50% длительности тактового интервала). Выражение (4.3) представлено на рис. 4.10 в виде графиков для различных значений р. Для чисто случайного цифрового сигнала р= 1/2. Вспомним, однако, что при кодировании в ИКМ-канало-образующем блоке при р, = 255 для получения значительного хронирующего сигнала формируется больше единиц, чем нулей. Следовательно, вероятность р в линиях типа Т1 при передаче речи обычно несколько Jбoльшe, чем 0,5, и зависит от амплитуды речевого сигнала. Для сигналов низкого уровня, которые остаются в пределах первого сегмента кодирования, значение р получается равным примерно 0,65. В то же время для синусоиды с амплитудой, охватывающей весь рабочий диапазон кодера, значение р чуть меньше 0,5, поскольку большинство дискретов приходится на участки вблизи максимальной амплитуды. Так как в биполярном коде для передачи единиц используются чередующиеся полярности, последовательность единиц имеет значи- В отечественной литературе для обозначения этого кода используются термины: биполярный (не запрещен ГОСТ 22670-77), код ЧПИ (рекомендован ГСЮТ 22670-77) и иностранное обозначение код АМ1 . Здесь решено оставить термин биполярное преобразование , поскольку речь идет преимущественно об американской аппаратуре и системах, где используется только этот термин, а также из-за ]оолее широкого распространения этого термина среди специалистов и наличия образованных из него слов (например, нарушение биполярности ).- Прим. перев.  Рис 4.10. Энергетический спектр при биполярном преобразовании кода тельные хронирующие составляющие . Однако последовательность нулей не несет хронирующей информации и поэтому ее появление необходимо на передаче предотвратить. Нормы на регенераторы линии типа Т1 требуют, чтобы регенераторы сохраняли хронирование до тех пор, пока не появится последовательность, содержащая больше, чем 15 нулей подряд. Последовательность из 14 нулей является самой длинной, которая может образоваться, если в течение любого восьмибитового канального интервала появляется хотя бы одна единица. Избыточность кодового пространства. По существу, биполярное преобразование кода базируется на пространстве троичного кода, но с использованием только двух уровней в течение каждого конкретного тактового интервала. Следовательно, биполярное преобразование кода устраняет плавание постоянной составляющей за счет неэффективного и избыточного использования кодового пространства. Избыточность в сигнале дает также и другие преимущества. Наиболее важное из них состоит в возможности контролировать качество линии, не имея. информации о характере передаваемых сигналов. Поскольку полярности импульсов в линии должны чередоваться, обнаружение двух последовательных импульсов одной полярности означает появление ошибки. Это проявление ошибки известно как нарушение биполярности. При каждой одиночной ошибке обязательно происходит нарушение биполярности. Следовательно, биполярный код по своему существу представляет форму кодирования с проверкой на четность. Оконечные устройства линий типа Т1 рассчитаны на контроль частости появления нарушений биполярности и, если эта частость превышает некий порог, на включение аварийной сигнализации. В системах передачи типа Т нарушения биполярности используются просто для обнаружения ошибок в канале. Если добавить более сложное устройство обнаружения, то та же самая избыточность может быть использована для коррекции ошибок в дополнение к их обнаружению. Если обнаружено нарушение биполярности, то ошибка произошла в одном из битов в интервале между импульсами. Это справедливо для импульсов одной полярности, если только их длительность не равна длительности тактового интервала. Более того, в регенераторах перед выделением хронирующего колебания производится двухпояупериодное выпрямление сиг-нала, т. е. получение импульсов одной полярности вместо биполярного сигнала. Биполярный же сигнал в чистом виде вообще не содержит хронирующей компоненты.- Прим. перев. указывающими на это нарушение (включая и эти импульсы). Либо какой-то импульс должен был быть нулем, либо какой-то из принятых нулей должен был быть импульсом противоположной полярности. Если более внимательно оценить текущие значения отсчетов импульсов, то можно принять решение о том, где с наибольшей вероятностью произошла ошибка. Бит со значением отсчета, наиболее близким к порогу решения, скорее всего и содержит ошибку. Этот способ принадлежит к общему классу алгоритмов решения для сигналов с избыточностью, называемых алгоритмами максимального правдоподобия, или декодированием по Витерби [11]. Отметим, что этот метод исправления ошибок требует запоминания амплитуд импульсов. Если же запоминаются величины только после операции решения, исправить ошибки нельзя (можно только их обнаружить). В настоящее время стоимость реализации этих алгоритмов исправления ошибок препятствует их использованию в широких масштабах. Дополнительным приложением неиспользуем9го при биполярном преобразовании кодового пространства является преднамеренное введение нарушений биполярности для обозначения специальных ситуаций (таких, как введение метки циклового синхросигнала при временном группообразовании), аварийных состояний или использование специальных кодовых комбинаций для увеличения содержания хронирующей составляющей в сигналах линии. Поскольку нарушения биполярности обычно не создаются в источнике сигнала, эти особые ситуации можно легко распознать. Конечно, если нарушения биполярности происходят по причинам, отличным от ошибок в канале, возможность контроля качества линии усложняется. 4.3.3. Замена N двоичных нулей Основным ограничением при биполярном преобразовании является его зависимость от минимальной плотности единиц в цифровом сигнале источника, необходимой для поддержания хронирования в регенераторах. Даже если на передаче предотвратить появление последовательности из более чем 14 нулей, то низкая плотность импульсов в линии увеличивает фазовые дрожания, что приводит в результате к увеличению коэффициента ошибок. Биполярный код усовершенствуется путем замещения всех последовательностей из N двоичных нулей [12] специальной кодовой комбинацией длиной в N тактовых интервалов, содержащей несколько импульсов, которые образуют нарушения биполярности. В результате этого плотность импульсов увеличивается, в то время как получение исходного цифрового сигнала производится путем распознавания комбинаций с нарушением биполярности и замены их в приемном оконечном устройстве на нулей. Этот класс кодов обозначается сокращением BNZS, где N указывает на число заменяемых последовательных двоичных нулей (для конкретного кода N заменяется на конкретную цифру).- Прим. перев. 7* 195 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [32] 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 |