AdInf3 (Лекции по информатике), страница 3

Уплотнение информационных потоков

На практике часто требуется осуществить одновременную передачу информации от многих источников по одному каналу ко многим

получателям, т. е. осуществить многоканальную передачу. Следует сказать, что современные системы передачи информации практически всегда

многоканальные.

Способ объединения отдельных сообщений в один групповой сигнал с последующим разделением сообщений на индивидуальные называется уплотнением или мультиплексированием. К классическим методам уплотнения относятся частотное, вг^ементое и кодовое.

Современная техника связи позволяет организовывать широкополосные каналы, поэтому целесообразно использовать методы, позволяющие передавать наибольшее число телеграфных, телефонных, телевизионных и других сообщений на одной несущей или в отведенном интервале частот.

Сущность методов мультиплексирования состоит в том, что сообщения от нескольких источников определенным образом комбинируются в

групповой сигнал и принимаются с помощью одного приемопередатчика. Поскольку современная система связи обычно
является многоканальной, необходимой частью любой системы
Рис. 9 Цифровая система связи. передачи информации служит мультиплексор (рис.9).

Наиболее известным является способ частотного

мультиплексирования, когда в полосе пропускания канала размещается множество каналов, разделенных с помощью фильтрации по частоте. Каждый частотный канал представлен своим спектром. Его временная структура может быть различной - это может быть последовательность импульсов или телефонное сообщение. Соответствующая настройка разделительных фильтров приемника позволяет разделить принимаемый групповой сигнал на отдельные.

При временном мультиплексировании в условном временном интервале размещают последовательно отрезки сообщений, например кодовые последовательности каждого частного канала. Если при частотном мультиплексировании сообщения от разных абонентов передаются одновременно по общему каналу, при временном мультиплексировании передача осуществляется строго по очереди, т. е. полоса пропускания канала предоставляется полностью на определенный интервал времени каждому абоненту. На практике обычно группы каналов объединяются в супергруппы и при каждом иерархическом объединении может применяться разный способ модуляции несущей.

Аналоговый сигнал, например в телефонном канале, преобразуется в цифровой с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) и передается в каналах с временным мультиплексированием. Передача организуется так: выборки каждого непрерывного сигнала сдвигаются на интервал,

достаточный для передачи соответствующей кодовой комбинации. При передаче п непрерывных сигналов в стандартном интервале времени размещают п кодовых комбинаций, по одной на каждую выборку каждого сигнала. При этом полоса частот группового сигнала увеличивается примерно в п раз. Так, 24-канальная система для передачи речи работает со скоростью 1544 кбит/с (скорость одного канала 64 кбит/с).

Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии разработал стандарты образования многоканальных сообщений при временном мультиплексировании. Прежде всего предложен 8-разрядный равномерный код для указания значений уровней квантования сигнала и закон квантования, названный "А = 87,6". На рис. 9 использован линейный закон квантования, когда интервалы квантования одинаковы. Закон квантования А = 87,6 является нелинейным, он лучше учитывает природу восприятия человеком речевых сигналов. Частота дискретизации телефонного сообщения принята равной 8 кГц. При этом скорость передачи одного телефонного сообщения оказывается равной 64 кбит/с.

Так как принципиальной основой многоканальной цифровой системы передачи информации является временная шкала, определяющая расстановку информационных и служебных сигналов, соединение цифровых систем различной емкости в единую сеть возможно лишь при условии кратного соответствия временных шкал различных систем и стандартизации групповых сигналов и способов синхронизации. С этой целью разрабатывается иерархия (соподчиненность) цифровых систем.

Под уровнем цифровой системы понимается число каналов или скорость передачи. Иерархия предусматривает возможность образования цифровыми системами низшего порядка системы более высокого порядка. На одном уровне объединяется фиксированное число цифровых сигналов системы более низкого уровня для образования суммарного цифрового сигнала более высокого уровня.

Например, первый уровень соответствует многоканальной передаче 30 телефонных сообщений в цифровой форме. Для этого необходима суммарная скорость передачи 2048 кбит/с. Второй уровень образован из четырех систем первого уровня с учетом необходимой служебной информации. Он имеет суммарную скорость 8448 кбит/с. Система второго уровня способна передавать 120 телефонных каналов или один видеотелефонный. Третий и четвертый уровни по рекомендации МККТТ соответствуют скоростям 34,368 и 139,264 Мбит/с.

Некоторые фирмы или страны работают по своим стандартам. Иерархия скоростей цифровых систем является важной эксплуатационной характеристикой. Она предусматривает адаптивность систем к любым цифровым каналам (от обычных телефонных до волоконно-оптических) и всем информационым сигналам (от речевых до сигналов цветного телевидения).

Существует много причин, вызывающих необходимость

стандартизации скоростей передачи цифровой информации. К ним относятся требования потребителей каналов к универсальности передающей аппаратуры по отношению к различным источникам информации, необходимости планирования развития сетей передачи данных с учетом старой и новой аппаратуры при гармоническом сочетании систем, надежности и гибкости сети передачи данных. Благодаря соблюдению стандартов иерархии можно осуществлять передачу цифровой информации по комбинированным системам с использованием кабельных, радио, спутниковых, волоконно-оптических и других каналов.

Здесь, пожалуй, уместно кратко остановиться на кодировании телевизионных изображений. Трудности представления телевизионных изображений в цифровой форме очевидны. Пусть на каждый элемент

приходится один отсчет сигнала, который необходимо Q''Vc преобразовать в соответствующую кодовую комбинацию, номер которой определяется номером уровня квантования.

Число уровней квантования отсчетов, исходя из практики, принимается равным 256, следовательно, для передачи телевизионного сигнала необходимы кодовые комбинации с числом элементов п = Iog₂256

= 8.

Теперь нетрудно приближенно оценить необходимую скорость передачи или ширину спектра цифровых телевизионных сигналов. Из теоремы о выборках известно, что их. частота должна быть равна удвоенной верхней частоте непрерывного сигнала. Это означает, что для телевизионного сигнала со стандартной полосой 6 МГц частота выборок составит 12 МГц, и если в интервале между выборками нужно передавать 8-элементные кодовые комбинации, то в секунду необходимо передавать 12-8 = 96 млн импульсов, т. е. работать со скоростью 96 Мбит/с. Следовательно, ширина спектра цифрового телевизионного сигнала равна примерно 100 МГц.

Таким образом, устройства преобразования телевизионных сигналов должны оперировать с импульсами длительностью меньше 0,01 мкс. Несколько лет назад подобная техника только начинала разрабатываться.

Из таблицы иерархии уровней цифровых систем следует, что поток импульсов со скоростью около 100 Мбит/с можно передавать только по системам передачи 4-го уровня. Поэтому задача снижения скорости передачи цифрового телевидения, т. е. сужение полосы передаваемого сигнала, является важнейшей.

Один из способов снижения скорости передачи телевизионныхj

изображений основывается на кодировании изображений с предсказанием.
К этому есть серьезные основания. Дело в том, что статистические
наблюдения телевизионных изображений показывают, что вероятность
появления изменений элементов изображения от кадра к кадру в среднем
незначительна. Так, при наблюдении весьма динамичной картины

играющих детей 30 %-ное изменение элементов происходит с вероятностью

0,1, при наблюдении двух разговаривающих людей 10 %-ное изменение элементов происходит с вероятностью примерно 0,01, а 40 %-ная смена элементов - с вероятностью 0,001. К этому следует добавить, что человеческий глаз имеет весьма низкую чувствительность к резким изменениям цветов, но довольно хорошо реагирует на сигналы яркости. Все это служит доводом в пользу метода, при котором кодируются и передаются только изменения в телевизионном изображении от кадра к кадру, что и составляет существо £i!<£^epj^uj^алычой^ (ДИКМ).

Изменения в передаваемом сигнале определяются в результате сравнения выборки сигнала в данный момент с ее предсказанным значением. Операция предсказания выполняется на основе оценки статистических свойств передаваемого сигнала и значений выборок в предыдущие моменты. Из приведенных в табл. 3 данных о цифровых телевизионных системах видно, что способ ДИКМ приводит к значительному снижению скорости цифрового потока при практически неизменном качестве.

Расскажем еще об одном способе уплотнения сигналов - кодовом. Этот вид уплотнения основывается на умении различать в приемнике сигналы по форме. Разделить несколько аналоговых сигналов технически чрезвычайно трудно, даже если эти сигналы были бы заранее известны. Представим себе, например, одновременный разговор нескольких человек по одному телефонному каналу. Даже человеку, с его исключительно чувствительным слуховым аппаратом, различающим тембр голоса, трудно или вообще невозможно разобрать отдельные голоса.

В цифровой же кодированной форме разделение сигналов с помощью специальных так называемых "согласованных" фильтров является делом

техники.

Одна из особенностей метода кодового уплотнения сигналов состоит в том, что сигналы должны быть сложными, т. е. состоять из большого числа 0 и 1, а это означает, что при передаче информации в реальном масштабе времени сигналы должны быть короткими, а следовательно, широкополосными. Поэтому метод получил в американской литературе название Spread Spectrum Communication, т. е. связь при расширении спектр_а сигналов. В результате того, что сигналы занимают широкий спектр частот, передача информации получается скрытной и трудно обнаруживаемой в обычно принятой ширине полосы частот. Это одно из главных достоинств этого метода.

Поясним принцип кодового уплотнения сигналов. Допустим, что кодовые посылки 0 и 1 сигнала заменены специальными сигналами, представляющими собой определенным образом составленные последовательности мпульсов. Допустим также, что такие сигналы мы умеем генерировать, принимать и различать. Тогда, если вместо одного "информационного" импульса за это же время передать, скажем, 1000 импульсов специального сигнала, ширина спектра также увеличится в 1000

раз. Поэтому сигнал занимает широкий спектр частот. Здесь, очевидно, потребуется применение быстродействующих интегральных схем.

Теперь несколько слов о применяемых специальных сигналах, которые необходимо генерировать и различать в приемнике. Они представляют наибольший интерес. Ключевым моментом для разработки сложных сигналов служит вид автокорреляционной функции самого сигнала. Не утомляя читателя сложными понятиями из теории передачи сигналов, скажем, что чем больше сигнал по форме напоминает электрический шум, тем равномернее его спектр и тем острее в виде короткого импульса его автокорреляционая функция, форму которой повторяет сигнал на выходе согласованного фильтра приемника.

В свое время были найдены некоторые регулярные сигналы, напоминающие по своим характеристикам электрический шум. К таким сигналам относятся импульсные последовательности максимальной длины или М-последовательности. Они представляют собой такой последовательный набор 0 и 1, при котором их число оказывается почти равным, а период повторения какихлибо сочетаний отсутствует. Получается "псевдослучайная" последовательность 0 и 1, хотя структура данного сигнала строго определена.

Импульсная последовательность генерируется n-разрядным регистром сдвига с обратной связью, длина последовательности, или наибольший

период, равна 2^П - 1. Для каждого значения п существуют линейные последовательности максимальной длины. Например, М-последовательность периода п = 15 имеет вид 000100110101111. Существуют последовательности с очень большим периодом, например, 1023 или же 8191. Генерировать такие сигналы сейчас не так трудно.

Таким образом, можно организовать многоканальную передачу, выделив каждому источнику сообщений минимум два сигнала из множества данной группы. Передача информации происходит в общей полосе частот, каждый приемник обнаруживает свой сигнал, на который настроен его

согласованный фильтр.

Системы с кодовым разделением особенно популярны в космической связи, в военной связи, где требуется соблюдать скрытность передачи.

Проводная связь

Кабель как инженерное сооружение имеет любопытную историю. Очень кратко она заключается в следующем.

В 1876 г. Александр Белл получил патент на .изобретение "Телеграф, при помощи которого можно передавать человеческую речь". Телефон был

встречен во всем мире с_большим энтузиазмом и через несколько лет многие