книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей
..pdfF, Гц
(П
Рис. 2.43. Спектр мощности речевого сигнала
Экспериментально установлено, что для передачи речи доста точна полоса частот канала связи 300—3400 Гц. Для мобильной связи необходимая полоса частот канала связи установлена равной 300-3000 Гц.
Разборчивость речи определяется расчетным путем или экс периментально бригадой слушателей при прочтении диктором фо нетически сбалансированной таблицы слов. Разборчивость речи характеризуется разборчивостью звуков D или слов W. Сущест вующие классы качества речи приведены в табл. 2.1 [12].
Принято считать, что минимальное качество связи соответ ствует разборчивости звуков D = 70%. При белом шуме зависи мость разборчивости звуков от отношения мощностей сигнал-шум
Класс
качества
I
II
III
IV
V
|
|
Т а б л и ц а 2.1 |
|
Нормы разборчивости, |
|
Характеристика класса качества |
|
% |
|
|
|
|
звуков D |
слов W |
Понимание передаваемой речи без |
91 и более |
98 и более |
малейшего напряжения внимания |
|
|
Понимание передаваемой речи |
85-90 |
94-97 |
без затруднений |
|
|
Понимание передаваемой речи с на |
78-84 |
89-93 |
пряжением внимания без переспро |
|
|
сов и повторений |
|
|
Понимание передаваемой речи с бо |
61-77 |
70-88 |
льшим напряжением внимания, пере |
|
|
спросами и повторениями |
|
|
Полная неразборчивость связного те |
60 и менее |
69 и менее |
кста, срыв связи |
|
|
в |
полосе |
телефонного сигна |
|
|
ла |
300-3400 Гц показана на |
|
||
рис. 2.44. |
Из рисунка |
следует, |
|
|
что для обеспечения разборчи |
|
|||
вости звуков D = 70% |
необхо |
|
||
димо отношение мощностей си |
|
|||
гнал-шум |
Рс /Р ш= -7 дБ = 0,2, |
|
||
что говорит об очень высокой |
|
|||
помехоустойчивости |
телефон |
Рис. 2.44. Зависимость разборчивости |
||
ного сигнала. |
|
|||
|
речи от отношения мощностей сигнал- |
|||
|
В цифровых каналах и се |
|||
|
шум |
|||
тях связи при малой вероятнос ти ошибок на бит основным источником искажений телефонного
сигнала является речепреобразующее аналого-цифровое устройст во на передаче и речепреобразующее цифро-аналоговое устройст во на приеме. Поэтому часто исследуют разборчивость речи толь ко речепреобразующих устройств. В коммерческих сетях связи оценивают не только разборчивость речи, но и натуральность зву чания, узнаваемость голоса и др. Эти характеристики определяют ся методами экспертных оценок.
При построении телекоммуникационных сетей применяется следующий подход. На основе требований к качеству телефонных сигналов и других аналоговых и цифровых сигналов формулиру ются требования к качественным характеристикам интегральных каналов и сетей связи, выполнение которых автоматически обес печивает выполнение требований к качеству передаваемых сооб щений.
2.5.Гипотетическая эталонная линия связи тональной частоты и требования
кее качественным характеристикам
Для расчета произвольных сетей связи принято формулиро вать требования к некоторой гипотетической эталонной линии связи длиной 2500 км. На вход этой гипотетической эталонной линии связи тональной частоты поступают аналоговые и цифро вые сигналы в полосе частот 300-3400 Гц.
При спутниковой связи принимается, что среднее расстояние между двумя стационарными станциями спутниковой связи равно 5000 км. Тогда к гипотетической эталонной спутниковой линии связи предъявляются такие же требования, как к двум последова тельно включенным гипотетическим эталонным наземным линиям связи длиной 2500 км каждая.
У ровни передачи. Уровень передачи по мощности определя ется как Р = 10 lg (РЛУР0) дБ, где Рх - мощность сигнала в рассмат
риваемой точке линии связи; Р0 - мощность сигнала на входе ли нии связи. Если Р0 = 1 мВт, то уровни сигнала в линии связи назы ваются абсолютными, а точка линии связи с Р0 = 1 мВт называется точкой нулевого относительного уровня, равного 0 дБмО.
Поскольку в кабельных линиях связи существуют переходы от четырехпроводных линий к двухпроводным с использованием дифференциальных систем, то не полностью сбалансированная дифференциальная система вызывает появление эхо-сигнала, что может привести к самовозбуждению в канале связи. Для устойчи вости канала связи сигнал на его выходе должен быть меньше, чем на его входе. Поэтому линия связи должна иметь некоторое ослаб ление, называемое остаточным затуханием. Для канала ТЧ оста точное затухание на частоте 800 Гц установлено равным 7 дБ.
А м плитудно-частотная характери сти ка. Границы допусти мых искажений амплитудно-частотной характеристики гипотети ческой эталонной линии связи длиной 2500 км в полосе частот 300-3400 Гц задаются шаблоном, изображенным на рис. 2.45. Ис кажения амплитудно-частотной характеристики не должны выхо дить за границы, отмеченные заштрихованными участками.
Поскольку для гипотетической эталонной спутниковой линии связи амплитудно-частотная характеристика является произведе нием двух амплитудно-частотных характеристик гипотетических эталонных наземных линий связи, то, принимая, что амплитудночастотные характеристики передающего и приемного трактов на земной станции спутниковой связи идентичны, а ретранслятор космического аппарата не вносит амплитудно-частотных искаже ний в тракты ТЧ, получаем, что амплитудно-частотные характери стики передающего или приемного тракта ТЧ стационарной на земной станции спутниковой связи должны лежать внутри шабло нов амплитудно-частотной характеристики гипотетической эта
лонной наземной линии связи (см. рис. 2.45).
422
4 /////Л
t
77, ^7>77777777777777777>V7777?,V777
0,3 |
0,6 |
2,4 |
3,0 3,4 |
0,4 0.8 |
Частота, кГц |
||
Рис. 2.45. Шаблон допустимых иска
жений амплитудно-частотной характе ристики гипотетической эталонной ли нии связи тональной частоты
Н еравном ерность группо вого врем ени зап азды ван и я . Групповое время запаздывания есть производная фазочастот ной характеристики канала свя зи. Допустимая неравномер ность группового времени за паздывания гипотетической эта лонной линии связи ТЧ задается шаблоном, представленным на рис. 2.46.
Рис. 2.46. Шаблон допустимых искажений группового
времени запаздывания гипотетической эталонной линии связи тональной частоты
В рем я распространения си гн ала. Для телефонного сигнала время распространения сигнала по каналу связи не должно пре вышать 400 мс. При этом на космический канал связи отводится 300 мс, что исключает использование двухскачковых линий связи с использованием геостационарных космических аппаратов, нахо дящихся на высоте 36000 км относительно поверхности Земли.
О тнош ение сигнал-ш ум . Требуемое отношение сигнал-шум или допустимая мощность шума в канале связи является одним из самых важных показателей канала связи. Для наземных каналов связи и спутниковых каналов связи со стационарными станциями установлены одни и те же нормы допустимых мощностей шума в точке нулевого относительного уровня в телефонном канале гипо тетической эталонной наземной или спутниковой линии связи ТЧ, а именно:
• 10000 пВт псофометрически взвешенной средней за |
1 |
мин |
мощности в течение не менее 80% времени любого месяца; |
|
|
• 50000 пВт псофометрически взвешенной средней за |
1 |
мин |
мощности в течение не более 0,3% времени любого месяца; |
|
|
• 106 пВт невзвешенной, усредненной за 5 мс мощности в те чение не более 0,01% времени любого года.
Измерение псофометрической мощности шума проводится частотно-искажающим фильтром, который является эквивалентом человеческого уха по восприимчивости разных частот спектра. Псофометрический фильтр уменьшает мощность равномерного шума в полосе 300-3400 Гц на 2,5 дБ.
Прерывания в линии связи определяются как случаи, когда мощность невзвешенного шума превышает 106 пВт. Прерывания
подразделяются на кратковременные (длительность прерывания менее 10 с) и долговременные (более 10 с). Кратковременные пре рывания допускаются не более чем в 0,01% времени любого года.
Неискаженный телефонный сигнал имеет пик-фактор (отно шение пиковой мощности сигнала к средней мощности) порядка 15 дБ. Считая, что пиковое значение телефонного сигнала в точке нулевого относительного уровня равно ОдБмО, получаем, что средняя мощность телефонного сигнала в точке нулевого относи тельного уровня есть -15 дБмО. Псофометрическая мощность шу ма в точке нулевого относительного уровня не должна превышать 10000 пВт в течение 80% времени любого месяца. Соответственно невзвешенная мощность шума в точке нулевого относительного уровня не должна превышать 17 800 пВт или -47,5 дБмО. Отсюда следует, что отношение сигнал-шум может быть не менее (—15)— -(-47,5) = 32,5 дБ в течение не менее 80% любого месяца.
Из-за особенностей речи различных абонентов, разброса зату хания абонентских линий и других причин средний уровень теле фонного сигнала может меняться от -15 до -4 5 дБмО. Однако и в этом случае отношение сигнал-шум остается достаточным (2,5 дБ при среднем уровне телефонного сигнала -4 5 дБмО), поскольку допустимое отношение сигнал-шум составляет - 7 дБ.
К ом пандер. Для получения максимального отношения сиг нал-шум для телефонного сигнала необходимо на входе канала связи поддерживать среднюю мощность телефонного сигнала на уровне -15 дБмО, несмотря на возможные его колебания в преде лах от -4 5 до -15 дБмО. Это можно сделать различными способа ми, например используя автоматическую регулировку усиления усилителя, включаемого на выход микрофона или вход линии свя зи. Однако международные рекомендации (стандарты) для умень шения разброса средних уровней телефонного сигнала предусмат ривают использование нелинейных устройств - компандеров, бе зынерционных для многоканального телефонного сигнала с временным разделением каналов и инерционного (слогового) для одиночного телефонного сигнала.
На входе канала связи устанавливается компрессор, который сжимает (уменьшает) динамический диапазон входных телефон ных сигналов, увеличивая коэффициент передачи для более сла бых сигналов. На приемном конце канала связи устанавливается экспандер с характеристикой, обратной компрессору, который восстанавливает исходный динамический диапазон телефонного сигнала.
Характеристики слогового компрессора и экспандера, соот ветствующие международным рекомендациям, представлены в табл. 2.2.
|
|
|
Компрессор |
|
|
|
|
Входной |
0 |
-5 |
-10 |
-15 |
-25 |
-35 |
-45 |
сигнал, |
|
|
|
|
|
|
|
дБмО |
|
|
|
|
|
|
|
Выходной |
0±0,5 |
-2,5±0,5 |
-5±0,5 |
-7,5±0,5 |
-12,5±0,5 |
-17,5±0,5 |
-22,5±0,7 |
сигнал, |
|
|
|
|
|
|
|
дБмО |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Экспандер |
|
|
|
|
Входной |
0 |
-2,5 |
-5 |
-7,5 |
-12,5 |
-17,5 |
-22,5 |
сигнал, |
|
|
|
|
|
|
|
дБмО |
|
|
|
|
|
|
|
Выходной |
0±1,5 |
-5±1,5 |
-10±1,5 |
—15±1,5 |
-25±1,5 |
-35+1,5 |
-45±2 |
сигнал, |
|
|
|
|
|
|
|
дБмО |
|
|
|
|
|
|
|
Согласно табл. 2.2, для наиболее слабого сигнала осуществля ется его увеличение на 22,5 дБ, и, следовательно, для этого сигна ла улучшается отношение сигнал-шум на выходе линии связи на 22,5 дБ.
2.6. Гипотетическая эталонная цифровая линия связи
В цифровых каналах связи (кабельных, радио, спутниковых и др.) в качестве критерия качества цифрового канала связи исполь зуют два следующих показателя:
1) допустимое количество ошибочных бит в заданном измери тельном интервале времени при кратковременных прерываниях сигнала;
2) надежность канала связи, задаваемая допустимым процен том времени за год (или наихудший месяц) возникновения долго временных прерываний в канале связи.
Отношение числа принятых ошибочных бит к общему числу переданных бит в заданном временном интервале называется час тотой появления ошибочных бит BER (bit error rate). При стремле нии интервала измерения к бесконечности величина BER в ста ционарном канале связи стремится к вероятности ошибки на бит.
Для гипотетической эталонной цифровой линии связи длиной 2500 км или гипотетической спутниковой цифровой линии связи со стационарными наземными станциями допустимая частота по явления ошибок BER в канале связи со скоростью 64 кбит/с равна:
•одна ошибка на 106 бит в усредняющем интервале 10 мин в течение не менее 80% времени любого месяца;
•одна ошибка на 104 бит в усредняющем интервале 1 мин в течение не более 0,3% времени любого месяца;
•одна ошибка на 103 бит в усредняющем интервале 1 с в те чение не более 0,01% времени любого года.
Анализ показывает, что задаваемые МСЭ BER = 10~б, 10~4 и 10~3 весьма близки к соответствующим вероятностям ошибки на бит.
Прерыванием канала связи считается случай, когда BER превышает величину 10-3
Процент времени для наихудшего месяца Рм и процент време ни для любого года Рг, согласно экспериментальной статистике, для радиоканалов связаны соотношениями [18]
РЫ= 2,94Р°/7; Рг = 0,29Рм15
К каналам связи, входящим в ISDN и составляющим часть ISDN, предъявляются требования по допустимым искажениям 1-минутных и 1-секундных интервалов времени. Эти требования оказываются более жесткими. Например, для спутниковой гипоте тической эталонной линии связи со скоростью 64 кбит/с:
• частота появления ошибок должна быть менее 1СГ7 в течение 90% любого месяца;
• |
BER = 10”6 допустима в течение не более 2% любого месяца; |
• |
BER = 10_3 допустима в течение не более 0,03% любого ме |
сяца (что эквивалентно для 0,01% любого года).
Измерительные интервалы должны быть достаточно больши ми, чтобы BER была близка к вероятности ошибки на бит.
Надежность каналов связи. В требования к надежности ка налов связи включаются только требования к проценту времени возникновения долговременных прерываний, т.е. прерываний ка нала связи на время 10 с и более.
Надежность или готовность канала связи определяется выра жением
А = |
юо%, |
|
То |
где Т0—требуемое время работы канала связи; Тп—суммарное вре мя перерывов связи.
Рассматриваются все возможные причины перерывов связи:
• ослабление сигнала при сильных его замираниях, ослабле ние сигнала в дожде, "ослепление" наземной станции спутниковой связи шумами Солнца, затенение трасс распространения радио сигнала препятствиями и др., приводящие к появлению BER > Ю"3
втечение более 10 с;
•отказы аппаратуры канала связи;
•броски напряжения питания;
•нарушение синхронизации аппаратуры канала связи;
•ошибочные действия обслуживающего персонала.
В качестве примера приведены требования М СЭ к надежно сти (в %) спутниковых каналов связи за год:
Стационарный терминал-КА-стационарный терминал в диапазонах |
|
частот: |
|
ниже 10 ГГц.............................................................................................. |
99,99 |
выше 10 ГГц............................................................................................. |
99,9 |
Мобильная спутниковая связь с направленными антеннами мобиль |
|
ного терминала: |
|
большие углы места мобильного терминала (80% времени)... |
99,9 |
малые углы места мобильного терминала..................................... |
99,0 |
Связь с мобильными терминалами с ненаправленной или слабона |
|
правленной антенной........................................................................................... |
95-98 |
2.7.Преобразование аналоговых сообщений
вцифровые
Рассмотрим передачу одиночного аналогового сообщения по цифровому каналу связи. Преобразование аналогового сообщения в цифровое производится в два этапа. Первый этап —дискретиза ция аналогового сообщения по времени и представление его в виде последовательности выборок или отсчетов (рис. 2.47). Амплитуда выборки (короткого импульса) равна значению аналогового сигна ла в момент взятия выборки сигнала. Второй этап —представление амплитуды выборки в цифровой форме. Этот процесс называется квантованием выборки по амплитуде.
Напряжение выборок сигнала
|
|
0 |
|
|
|
|
У |
|
|
|
ч . |
|
||
|
|
>ч |
|
|
|
|
"ч |
•ч
‘ N
•ч _
^Т * 1опр
Рис. 2.47. Выборки аналогового сигнала
2 .7 .1 Дискретизация аналоговых сигналов по времени
Дискретизация аналоговых сигналов по времени базируется на теореме Котельникова, которая гласит, что сигнал со спектром от нуля до некоторой граничной частоты F MaKC полностью описы вается своими мгновенными значениями (выборками), взятыми через интервал времени Гопр - 1/2F MaKC. Это означает, что можно не передавать весь непрерывный сигнал, а достаточно передать толь ко его значения в точках взятия отсчетов. При приеме сигнал мо жет быть восстановлен по его выборкам без ошибок не только в точках отсчета, но и во всех остальных точках между выборками.
Вы ход
Рис. 2.48. Схема получения выборок аналогового сигнала
Рассмотрим схему получения выборок сигнала, изображен ную на рис. 2.48. На один вход перемножителя поступает аналого вый сигнал Uc(t), а на другой вход - периодическая последова тельность коротких импульсов с амплитудой, равной единице, и частотой повторения (опроса) Fonp = 1/Топр. На выходе перемножи теля получаем выборки сигнала, следующие с частотой Fonp. Сиг нал на выходе перемножителя называется сигналом с амплитудно импульсной модуляцией (АИМ).
Для получения спектра сигнала АИМ необходимо в соответ ствии со схемой рис. 2.48 перемножить спектр сигнала UC(F) и спектр периодической последовательности коротких импульсов. На рис. 2.49, а показаны спектр сигнала UC(F), спектр периодиче ской последовательности коротких импульсов и спектр сигнала АИМ.
Если спектр сигнала t/c(F ) неограничен, то спектральные по лосы сигнала АИМ перекрываются (заштрихованная площадь на рис. 2.49, а) и выделение спектра сигнала UC(F) из спектра сигнала АИМ без искажений невозможно. Величина погрешности выделе ния спектра f/c(F ) определяется степенью перекрытия спектраль ных полос сигнала с АИМ.
Перекрытие спектральных полос спектра АИМ может отсут ствовать только для сигналов с ограниченным спектром и при ус ловии F MaKc^^onp/2, что и составляет содержание теоремы Котель никова.
Спектр сигнала с АИМ для ограниченного спектра UC(F) по казан на рис. 2.49, б. В этом случае с помощью идеального фильт ра нижних частот с прямоугольной амплитудно-частотной харак теристикой с полосой пропускания от нуля до частоты F MaKC воз можно безошибочное выделение спектра UC(F) и, следовательно, безошибочное восстановление сигнала Uc(t) по его выборкам. Из рис. 2.49, б следует, что минимальное значение частоты опроса Fortp определяется из условия F MaKC= F onp/2 и максимальное расстояние
Спектр |
; |
|
|
|
|
|
периодической |
|
|
|
|
|
|
последователь |
|
|
|
|
|
|
ности импульсов |
|
|
|
|
|
F |
|
,0 |
Fопр |
2 Fопр |
з F |
опр |
|
|
|
|||||
Спектр i |
|
|
|
|
F |
|
|
|
|
|
|
||
АИМ |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
Fопр |
2 F |
з F |
F |
|
|
|
|||||
|
опр |
Jt опр |
|
|||
F
F
2
Puc. 2.49. Спектры сигналов с АИМ
между соседними выборками для безошибочного восстановления сигнала Т= l/F onp = 1/2F MaKC.
При подаче на вход идеального фильтра нижних частот ко ротких выборок сигнала £/с(/,) в моменты времени U 0» ^опр» 27J,np на его выходе появятся импульсы вида (sin х)/х, так что результи рующий сигнал на выходе идеального фильтра нижних частот без учета задержки в фильтре может быть записан в виде
sin [K (/-/,-)/ronp]
* ( ' - ' / ) / ГопР
где tj = О, ^опр* 2Г0Пр (в общем случае для положительных и отрицательных значений /,).
Представление Uc(t) в виде суммы откликов идеального фи льтра нижних частот при по ступлении на его вход коротких выборок сигнала графически показано на рис. 2.50. В момент времени /,• значение суммы
Рис. 2.50. Восстановление сигнала Uc(l)
по его дискретным выборкам с помо щью идеального фильтра нижних частот