книги / Основы построения цифровых систем передачи

ГЛАВА

5.

Качество передачи сигналов по цифровым системам связи

5.1. ИСКАЖЕНИЯ СИГНАЛОВ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ

ПЕРЕДАЧИ '

Искажения сигналов в цифровых системах пере­ дачи и соотношения между величинами искажений, воз­ никающих в отдельных частях цифровых систем, суще­ ственно отличаются от характера искажений и их рас­ пределения в аналоговых системах передачи. Анализ структурных схем цифровых систем передачи (см. рис. 1.3 и 1.5) позволяет выделить три основные груп­ пы устройств: устройства передачи аналоговых сигна­ лов, устройства передачи сигналов в цифровой форме и аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразова­ тели.

Устройства первой группы используются на входе и выходе каналообразующего оборудования (устройства согласования УС на рис. 1.3). В передающей части ап­ паратуры эти устройства служат для согласования диа­ пазона частот и уровня аналоговых сигналов, поступаю­ щих на вход цифровой системы передачи, с параметра­ ми аналого-цифрового преобразователя. На выходе при­ емной части аппаратуры эти устройства обеспечивают требуемую величину остаточного затухания и при необ­ ходимости осуществляют перенос спектра декодирован­ ною сигнала.

Эта группа устройств содержит входной и выходной фильтры нижних частот, преобразователи частоты иа входе и выходе‘системы (при передаче групповых теле­ фонных сигналов с частотным делением), согласующие усилители в передающем и приемном оборудовании. Требования к УС аналогичны требованиям к подобным устройствам в аналоговых системах передачи, в кото­ рых, в частности, нормируются следующие значения псофометрической мощности шумов: для многоканаль-

132

ного усилителя 15—20 пВт, для пары преобразователей частоты 160 — 240 мВт [66]. Эти искажения достаточно малы и не являются определяющими в цифровых си­ стемах передачи.

Устройства второй группы составляют основную часть аппаратурного комплекса промежуточного и око­ нечного оборудования цифровой системы передачи. В промежуточном оборудовании имеют место ошибки при регенерации символов и временные флуктуации пе­ редаваемой импульсной последовательности. В оконеч­ ном оборудовании устройства передачи сигналов в циф­ ровой форме осуществляют операции с импульсами, па­ раметры которых детерминированы, поэтому такие уст­ ройства практически не вносят ошибок в передаваемые импульсные последовательности. В то же время времен­ ные флуктуации возникают в оконечном оборудовании при асинхронном сопряжении цифровых потоков.

Ошибки регенерации происходят в тех случаях, ког­ да значение помех, действующих на входе решающего устройства, превышает значение порога .регенерации. Помехи, действующие в линейном тракте, могут быть либо ограниченными определенной величиной (помехи из-за взаимных влияний между различными системами, работающими совместно по одному симметричному ка­ белю при малом числе влияющих систем, а также меж­ символьные помехи), либо не иметь определенного мак­ симального значения (термические шумы).

В первом случае, если на входе решающего устрой­ ства регенератора обеспечивается величина отношения

сигнал/помеха может быть обеспечено соответствующим выбором длины участка регенерации. Следует отметить, что при фиксированном максимальном значении помехи снижение помехозащищенности ниже порога вызывает резкое снижение достоверности передачи.

Если помехи не имеют определенного максимального значения, то всегда будет существовать конечная вели­ чина вероятности ошибки регенерации. Так, при нор-

о Указанная величина является теоретическим порогом поме­ хоустойчивости. Учитывая различные дестабилизирующие факторы (смещение порога регенерации, флуктуации момента стробирования и пр.), па практике .необходимо обеспечивать соответствующий за­ пас по помехоустойчивости, увеличивая отношение сигнал/помсха на в—12 дБ.

133

мальном законе распределения мгновенных значений по­ мех вероятность ошибки определяется выражением

где £/с/2 — порог регенерации; ал — среднеквадратиче­ ское значение помехи; F(x) — интеграл вероятности от. х\ А — коэффициент пропорциональности.

На рис. 5.1 приведены графики, показывающие за­ висимость рощ от длины участка регенерации, рассчи-

Рис. 5.1. Зависимость вероятности ошибки сигнала п линейном тракте цифровой системы и псофометрнческоп мощности шумов в телефонном канале системы ИКМ-ЧД из-за ошибок регенерации от относительной длины участка регенерации

тайные в соответствии с выражением (5.1). При этом затухание кабеля для участка номинальной длины при­ нималось равным 80, 75 и 70 дБ для систем с такто­ выми частотами соответственно 30, 100 и 400 МГц. Как

134

видно из рисунка, изменение длины участка на один процент вызывает изменение вероятности ошибки на порядок. Поэтому даже на длинной магистрали соот­ ветствующим выбором длины участка можно обеспечить высокую верность передачи.

Ошибки регенерации приводят к искажениям сигна­ ла на выходе цифровой системы. При передаче телефон­ ных сигналов по системам ВД-ИКМ ошибки регенера­ ции наиболее заметны в тех случаях, когда искажаются символы одного-двух старших разрядов кодовой груп­ пы, что воспринимается как щелчки в телефонном ка­ нале. В системах с дельта-модуляцией искажения из-за ошибок регенерации заметны значительно меньше.

При передаче телефонных сигналов по системам ЧД-ИКМ ошибка передачи любого дискретного отсче­ та группового сигнала приводит к искажениям сигнала каждого канала. Такие искажения воспринимаются не

ввиде отдельных щелчков (как в системах ВД-ИКМ),

акак увеличение уровня шума в телефонном канале.

При передаче сигналов телевидения по системам с ИКМ искажения кодовых символов двух-трех старших разрядов приводят к появлению мерцающих светлых или темных точек на изображении.

Временные флуктуации передаваемого цифрового сигнала, возникающие при использовании регенераторов с самохронированием, а также при асинхронном сопря­ жении цифровых потоков, вызывают флуктуации уп­ равляющих последовательностей в приемном оборудо­ вании цифровой системы и в конечном итоге — времен­ ные флуктуации дискретных отсчетов передаваемого сигнала на выходе цифро-аналогового преобразователя, что соответствует паразитной фазовой модуляции де­ кодированного сигнала {67, 68, 69, 70]. На основе ана­ лиза спектра последовательности амплитудномодулированиых импульсов, средняя частота следования которых равна частоте дискретизации /д, а временное положе­ ние /г-го импульса отклоняется от соответствующей так­ товой точки на величину Ы ' 0 = ^ —^Тл) (где %(t) — функция, определяющая временные флуктуации сигна­ ла на выходе ЦАГ1), можно определить энергетический спектр продуктов искажений из-за временных флуктуа­ ций [69]:

135

где

флуктуаций, соответствующей я-й гармонике частоты дискретизации. Здесь Gs (co) — энергетический спектр

ровых систем передачи, включает в себя аналого-циф­ ровые и цифро-аналоговые преобразователи. При пре­ образовании сигналов из аналоговой формы в дискрет­ ную и обратно происходят методические ошибки, опре­ деляемые квантованием амплитудного диапазона пере­ даваемого сигнала при цифровой модуляции, и инстру­ ментальные ошибки, определяемые отклонениями ха­ рактеристик преобразователя от идеальных.

Методические ошибки приводят к возникновению «собственных», шумов, состоящих из шумов квантования и шумов ограничения. Собственные шумы определяют минимальный уровень шумов, соответствующий зиачностп кода и частоте дискретизации, принятых в дайной цифровой системе передачи.

Инструментальные ошибки вызываются ограничен­ ным быстродействием, конечной точностью работы уз­ лов преобразователей, изменением параметров преобра­ зователя при колебаниях температуры, старении и пр. Высокая частота следования отсчетов преобразуемого сигнала и большая разрядность кода приводят к зна­ чительному уровню инструментальных ошибок.

Так, в системе ИКМ-30 преобразование одного от­ счета сигнала осуществляется за время, меньшее 4 мкс; это соответствует максимальной скорости работы циф­ ровых измерительных преобразователей [71, 72].

При передаче широкополосных сигналов требования к быстродействию преобразователей существенно воз­ растают. Лишь в последние годы разработаны быстро­ действующие аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, инструментальные погрешности кото­ рых удовлетворяют установленным нормам передачи сигналов по линии магистральной сети. Основным кри­ терием для оценки инструментальных ошибок преобра­ зования в* цифровых системах передачи является • мощ-

136

ность шумов преобразования [70]. Мощность этих шу­ мов равна

где е — среднеквадратическое значение приведенной ин­ струментальной погрешности преобразователя; В=2пЬ— амплитудный диапазон преобразователя; п — число раз­ рядов кода; 6 — шаг квантования.

Отношение мощности шумов из-за инструментальных погрешностей к мощности шумов квантования опреде­ ляется выражением

Так, в 24-канальной системе Т1 (при семиразрядном кодировании) мощность шумов из-за инструментальных погрешностей (Pun) равна мощности шумов квантова­ ния (Ptn) [73]. Требования МККТТ к первичной систе­ ме ИКМ второго поколения (восьмиразрядное кодиро­

Рис. 5.2. Зависимость Яин/Лм, от числа разрядов при различных значениях приве­ денной инструментальной погрешности пре­ образования

казаны зависимости (Pnu/Pm)=f(n) для различных зна­ чений приведенной инструментальной погрешности, а также экспериментальные'данные по точности преобра­ зования широкополосных сигналов в цифровых систе­ мах передачи [74, 75, 76, 77].

Обычно мощность шумов, вызванных инструменталь­ ными погрешностями преобразования, составляет 50— 70% общей мощности шумов в цифровой системе пе­ редачи.

137

5.2. ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВОЙ ПЕРЕДАЧИ ТЕЛЕФОННЫХ СИГНАЛОВ ПРИ ВРЕМЕННОМ РАЗДЕЛЕНИИ КАНАЛОВ

Параметры аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. В системах ИКМ с временным разде­ лением каналов динамический диапазон кодируемых сиг­ налов определяется динамическим диапазоном сигнала отдельного абонента и возможным разбросом средней мощности этого сигнала.

Распределение мгновенных значений телефонного сиг­ нала можно аппроксимировать экспоненциальной зави­ симостью вида (2.14). Тогда, если допустить, что огра­ ничение абонентского сигнала с высоким уровнем будет происходить с вероятностью не более 10-2 (что практи­ чески не ухудшает качества передачи [34]), то порог ограничения должен быть на 12 дБ выше уровня, соот­ ветствующего средней мощности таких сигналов.

Нижняя граница динамического диапазона опреде­ ляется минимальной величиной отношения сигнал/шум квантования. Хорошее качество речи соответствует от­ ношению сигнал/шум /?>20 дБ (78]. Учитывая накоп­ ление шумов при последовательном соединении несколь­ ких систем ИКМ (до десяти переприемов по низкой ча­ стоте), а также инструментальные ошибки АЦП и ДЛЯ, эту величину необходимо увеличить на 12—14 дБ. При

пряжение абонентского сигнала с низким уровнем гром­ кости) .

Распределение средних мощностей абонентских Сиг­ налов соответствует нормальному закону (79, 80] со среднеквадратическим отклонением 3,5—5,5 дБ. При среднеквадратическом отклонении 5,5 дБ мощности сиг­

обеспечивает постоянство отношения сигнал/шум в за­ данном динамическом диапазоне. Постоянное отношение

138

нулевого относительного уровня составляет от 2000 пВт (для каналов местных сетей при длине переприемного участка 50 км) до 10000 пВт (для каналов магистраль­ ной сети при длине переприемного участка 2500 км). Средняя мощность телефонного сигнала в точке нуле­ вого относительного уровня в отечественных системах многоканальной связи принимается равной 32,0 мкВт. Учитывая коэффициент активности д = 0,2—0,3, вели­ чина средней мощности активного телефонного канала должна составлять около 100 мкВт. При этом отноше­ ние средней мощности сигнала к псофометрической мощ­

систем магистральной сети необходимо, чтобы ^?^40дБ . Шумы наиболее заметны в режиме молчания, когда не происходит «маскировка» шумов передаваемым сиг­ налом. В системах ИКМ шум в режиме молчания вы­ зывается колебаниями выходного сигнала в пределах ±6о/2 (6о — шаг квантования при близких к нулю зна­ чениях Uпх). При этом псофометрическая мощность шу­

где £ПСоф= 0,75 — псофометрический коэффициент. Согласно рекомендациям МККТТ в нелинейных ко­

деках телефонных систем ВД-ИКМ используется 13-сег- меитная (для характеристики типа А) или 15-сегмент- ная (для характеристики типа ц) аппроксимация задан­ ного закона компрессии1). Величина шага квантования, наименьшая в центральном сегменте, последовательно удваивается с ростом Uax в каждом из последующих сегментов характеристики. При этом для 13-сетментнон аппроксимации 60 = 2~и U0TV, а для 15-сегментной — 6о=2- “ tferp.

и Для обоих типов характеристик при кусочно-линейной ап­ проксимации весь амплитудный диапазон разбивается на 16 участ­ ков по 16 уровнен квантования в каждом. Характеристика ком­

140