Тема 2. Алгоритмы и методы цифровой обработки сигналов (4 часа)
Введение.
Рассматриваются основные алгоритмы и методы цифровой обработки
сигналов, применяемых в оптических цифровых телекоммутационных
системах. Последовательно излагается материал по преобразованию
аналогового сигнала в сигнал с импульсно – кодовой модуляцией. Также
рассматривается вопрос о восстановлении аналогового сигнала на
приемном конце ОЦТС
Раздел 2.1. Алгоритмы и методы цифровой обработки сигналов
Преобразование сигналов в
ЦМТС (алгоритмы и методы). Аналоговый сигнал, поступающий на вход канала связи ЦСП посредством операций дискретизации по времени, квантования по уровню и кодирования преобразуется в цифровой сигнал.
1. Дискретизация по времени.
При дискретизации непрерывного сигнала по времени передается не весь сигнал, а его амплитудные значения, взятые через промежутки времени, называемые периодом дискретизации.
U
с(t)
t
U
аим(t)
t
G(f)
G(f)
fmin fmax f д-fmax fд f, кГц
Рисунок 2.1 Дискретизации непрерывного сигнала по времени и его спектр
Причем, период дискретизации выбран таким образом, что передаваемый дискретными отсчетами сигнал мог быть восстановлен практически без искажения.
Частотный спектр последовательности отсчетов U
аим
содержит:
1. Модулирующий сигнал.
2. Частоту дискретизации и ее гармоники.
3. Боковые полосы частот около частоты дискретизации и е гармоник.
Если спектр исходного сигнала ограничен частотой f
max
, то демодуляция АИМ сигнала возможна с помощью фильтра нижних частот, который выделяет только низкочастотную составляющую спектра. Этот фильтр должен иметь частоту среза f
ср
=f
max
18
Выделить исходный сигнал возможно лишь в том случае, если выполняется условие теоремы
Котельникова f
д.
=2
f
max
– это условие можно применить лишь для фильтров с идеальной характеристикой (рис. 2.2).
Для фильтров с реальной характеристикой и имеющих полосу расфильтровки:
f
д.
2
f
max
Обычно f
д.
=(2,3…2,4)
f
max
G(f)
f, кГц
G(f)
f, кГц
Рисунок 2.2 Восстановление непрерывного сигнала в тракте приема
Если дискретизации подвергается сигнал со спектром 0,3…3,4 кГц, то f
д
=8 кГц.
Полоса расфильтровки такого фильтра
f р
=1,2 кГц, что снижает требования к крутизне нарастания затухания ФНЧ. Следовательно, стандартная частота дискретизации сигналов тональной частоты ЦМТС f
д.
=2
f
max
, отсюда Т
д
=1/f
д
=125 мкс.
2. Аналого-цифровое преобразование.
Полученные в результате дискретизации по времени АИМ сигнал является аналоговым, так как амплитуды отсчетов изменяются аналогично изменению амплитуды исходного сигнала. Так образом, амплитуды импульсов АИМ сигнала соответствуют амплитуде сигнала в момент отсчета, причем значений амплитуд может быть бесконечное множество. Искажения и шумы, возникающие в линейном тракте прежде всего изменяют амплитуды импульсов. На приемной станции отличить полезный сигнал невозможно, так как все значения амплитуды являются разрешенными. Помехоустойчивость систем передачи, использующих АИМ очень низка.
Повышение помехозащищенности передачи информации возможно путем применения цифровых методов модуляции.
Аналого-цифровое преобразование может быть обеспечено импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) дифференциальной ИКМ (ДИКМ), дельта -модуляцией (ДМ).
ИКМ сигнал образуется из непрерывного в 3 этапа:
1. Дискретизация исходного сигнала по времени.
2. Квантование непрерывных отсчетов по уровню.
3. Кодирование квантованных отсчетов.
При квантовании по уровню диапазон возможных значений сигнала делится на отрезки, называемые шагами квантования. Внутри каждого шага выбирают разрешенные значения сигнала – уровни квантования (рис. 2.3)
19
U
с(t), Uаим(t), Uкв(t)
0 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10
t
)
(t
кв
t
2
2
Рисунок 2.3 Дискретизация исходного сигнала по времени и квантование непрерывных отсчетов по уровню
Амплитуда каждого отсчета U
аим
(t) округляется до значения ближайшего уровня квантования и отсчету присваивается значение величины разрешенного уровня U
кв
(t)/
Амплитуды квантованных импульсов отличаются от амплитуды отчетов, что приводит к искажению сигнала, а на приемном конце возникают помехи, которые называют шумом
квантования.
Ошибка квантования может быть определена как
)
(
)
(
)
(
t
U
t
U
t
кв
аим
кв
Максимальная ошибка квантования
2
/
max
кв
. Чем меньше шаг квантования, тем меньше ошибка квантования. Мощность шума квантования
12 2
шкв
Р
Выводы.
1. Аналоговый сигнал, поступающий на вход канала связи ЦМТС
посредством операций дискретизации по времени, квантования по
уровню и кодирования преобразуется в цифровой сигнал.
2. При квантовании по уровню диапазон возможных значений сигнала
делится на отрезки, называемые шагами квантования. Внутри
каждого шага выбирают разрешенные значения сигнала – уровни
квантования.
3. Амплитуды квантованных импульсов отличаются от амплитуды
отчетов, что приводит к искажению сигнала, а на приемном конце
возникают помехи, которые называют шумом квантования.
Контрольные вопросы.
1. Перечислите этапы преобразования аналогового сигнала в цифровой с
ИКМ.
2. Что такое шумы квантования?
3. От чего зависит число уровней квантования?
4. Как выбирается частота дискретизации?
5. Как восстанавливается непрерывный (аналоговый) сигнал в тракте
приема?
20
Лекция 3
Раздел 2.1. Алгоритмы и методы цифровой обработки сигналов
(продолжение)
Неравномерное квантование (рис. 3.1). Качество передачи информации оценивают показатели помехозащищенности
шкв
с
зшкв
Р
Р
А
Из формулы следует, что если шум квантования величина постоянная, то с уменьшением уровня сигнала уменьшается помехозащищенность от шумов квантования.
С учетом, того что сигналы с меньшей интенсивностью появляются чаще, необходимо, чтобы шаг квантования слабых сигналов был меньше, т.е. квантование должно быть неравномерным.
U
вых
U вх
Ui Ui+1
i
Uогр
Uогр
Рисунок 3.1 Неравномерное квантование
Выполнить квантующее устройство с неравномерной шкалой квантования довольно сложно.
Амплитудную характеристику квантующего устройства при этом строят по логарифмическому закону (А-87,6). Применение неравномерного квантования позволяет повысить помехозащищенность слабых сигналов на 26…33 дБ.
В стандартных ЦМТС применяют цифровую компрессию.
1. Кодирование.
Полученный в результате дискретизации по времени и амплитуде сигнал представляет собой групповой сигнал U
кв
(t).
Так как каждому уровню квантования присвоен свой номер, то его величину из десятичной системы счисления преобразуют в двоичную. Вместо самих отсчетов в линейный тракт передаются кодовые группы импульсов номеру уровня квантования, т.е. цифровой сигнал.
С этой целью в ЦСП используют АЦП – кодеры и ЦАП –декодеры.
Телефонные сигналы, сигналы звукового вещания являются двуполярными, при их дискретизации получают последовательность разнополярных импульсов.
Для кодирования разнополярных импульсов используют натуральный и симметричный коды.
Натуральный код.
21
Максимальное по абсолютной величине значение сигнала может быть как положительной, так и отрицательной полярности. Значению максимально возможной амплитуды отсчетов с отрицательным знаком присваивается значение 0 уровня, возрастающие номера уровней присваиваются следующим через шаг квантования значениям квантованных отсчетов (рис.3.2).
-U
огр
0 1
2 3
4 5
6 7
8 9
+U
огр
10
t
8 9
9 8
2 2
2
Рисунок 3.2. Характеристика натурального кодирования
Число уровней квантования может быть определено
1 2
огрнатULЧисло импульсов в кодовой группе
натLЦm2
log
- ближайшее целое число в большую сторону.
Вид
кодовой группы для любого отсчета, достигшего разрешенного уровня квантования (N) определяют из выражения:
immiiaN
2 1
, где
аi – кодовая группа (1 или 0) i-го разряда.
Симметричный код Отсчет шагов квантования начинается от нулевого значения сигнала в сторону положительных и отрицательных значений его амплитуд.
Число уровней квантования (рис. 3.3):
огрнатUL
22
-U
огр
-5
-4
-3
-2
-1 0
1 2
3 4
+U
огр
5
t
3 4
4 3
-3
-3
-3
Рисунок 3.3. Характеристика симметричного кодирования
Для кодирования разнополярных импульсов старший разряд кодовой группы – знаковый (1- положительной полярности отсчетов, 0 –для отрицательной). Остальные разряды кодовой группы определяют номер уровня квантования, которого достиг сигнал в положительной или отрицательной области.
1
log
2
нат
L
Ц
m
,
i
m
m
i
i
a
a
N
2 2
1
Выводы.
1. Аналоговый сигнал преобразуется в сигнал с ИКМ в 3 этапа:
Дискретизация исходного сигнала по времени.
Квантование непрерывных отсчетов по уровню.
Кодирование квантованных отсчетов.
2. Дискретизация аналогового сигнала осуществляется по теореме Котельникова
.
3. В качестве станционных кодов можно использовать симметричный и
натуральный коды. В основном в ОЦТС применяется симметричный код.
4. При квантовании по уровню диапазон возможных значений сигнала делится на
отрезки, называемые шагами квантования.
5. Внутри каждого шага выбирают разрешенные значения сигнала – уровни
квантования.
6. При преобразовании сигнала АИМ – 11в ИКМ сигнал используется нелинейная
шкала квантования.
Контрольные вопросы.
1. Сколько этапов используется при преобразовании аналогового сигнала в
цифровой?
2. Сформулируйте теорему Котельникова.
3. Почему АИМ- 1 преобразуется в АИМ -11?
4. Поясните принцип кодирования симметричным и натуральным кодами?
5. Что такое шум квантования?
6. Почему используется нелинейная шкала квантования?
23
Лекция 4
Тема 3. Структура цифровыхмногоканальных
телекоммуникационных систем (4 часа)
Введение.
В лекции рассматривается принцип построения
ЦМТС. Любую систему
передачи можно представить в виде трех основных частей:
- каналообразующего оборудования (КОО);
-оборудования сопряжения (ОС);
-оборудования линейного тракта (ОЛТ).
Каждая часть оборудования выполняет строго свои функции в тракте передачи и
приема. В настоящей и последующих лекциях рассматриваются последовательно
принципы построения каждой части ЦМТС.
Раздел 3.1 Обобщенная схема цифровых многоканальных
телекоммуникационных систем (ЦМТС)
Обобщенная схема оптической цифровой телекоммуникационной системы (ОЦТС) показана на рис.4.1
КОО
ОС
ОПер
ОР
КОО
ОС
ОПр
1 2
N
1 2
N
ОВ
ОВ
А
Б
Промежуточная станция
ОЛТ
Рисунок 4.1. Принцип организации волоконно-оптической связи
На передающей станции А (рис. 4.1 ) первичные сигналы в электрической форме поступают на каналообразующего оборудования (КОО), с выхода которой групповой сигнал подается в оборудование сопряжения (ОС). В ОС электрический сигнал преобразуется в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту.
Оптический передатчик (ОПер) преобразует электрический сигнал с помощью модуляции оптической несущей в оптический сигнал. при распространении последнего по оптическому волокну (ОВ) происходят его ослабление и искажение. Для увеличения дальности связи через определенное расстояние, называемое участком ретрансляции, устанавливаются промежуточные обслуживаемые и необслуживаемые станции (оптические ретрансляторы –
ОР), где осуществляются коррекция искажений и компенсация затухания.
Аппаратура КОО содержит индивидуальное и групповое оборудование.
Индивидуальное оборудование служит для дискретизации передаваемых аналоговых сигналов на передаче и выделения спектра этих сигналов из спектра их отсчетных значений на приемном конце.
24
Групповое оборудование предназначено для кодирования группового сигнала, передачи сигналов в цифровом виде и декодировании группового цифрового потока в тракте приема (рис.4.2).
На промежуточных станциях главным образом по техническим причинам целесообразно производить обработку (усиление, коррекцию, регенерацию и т.д.) электрического сигнала. Поэтому промежуточные станции ВОСП строятся с преобразованием на входе оптического сигнала в электрический сигнал и обратным преобразованием на выходе. В настоящее время возможно построение чисто оптических ретрансляторов на основе оптических квантовых усилителей и регенераторов. На приемной оконечной станции Б осуществляется обратное преобразование оптического сигнала в электрический.
Для модуляции оптической несущей информационным сигналом можно использовать частотную модуляцию, фазовую, амплитудную, модуляцию по интенсивности
(МИ), поляризационную модуляцию (ПМ) и др. В подавляющем большинстве случаев применяется модуляция по интенсивности оптического излучения. При фиксированных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде:
E(t)=E
м
cos(ω
0
t+φ
0
), где E
м
– амплитуда поля; ω
0
и φ
0
– соответственно частота и фаза оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности равно:
P
мг
= E
2
(t)=E
м
2
cos
2
(ω
0
t+φ
0
), а усреднение по периоду T
0
=2π/ω
0
дает величину P=0,5E
м
2
, которая называется средней интенсивностью или мощностью. При МИ именно величина Р изменяется в соответствии с модулирующим сигналом с(t). Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время дискретно. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов
(фотонов) с энергией hf
0
, где h—постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения Р можно характеризовать интенсивностью (количеством в единицу времени) потока фотонов J=Р/hf
0
. Следовательно, при модуляции интенсивности J(t) с(t).
Применение МИ объясняется тем, что этот вид модуляции в широком диапазоне частот выполняется для используемых в оптических передатчиках полупроводниковых источников излучения (светодиодов, лазерных диодов) простыми техническими средствами.
Для управления интенсивностью излучения полупроводникового источника достаточно изменять ток инжекции (накачки) в соответствии с модулирующим сигналом. Это легко обеспечивается электронной схемой возбуждения в виде усилителя тока. Модуляция по интенсивности оптического излучения приводит и к простым решениям обратного преобразования оптического сигнала в электрический сигнал. Действительно, фотодетектор, входящий в состав фотоприемника, является квадратичным прибором, выходной, ток которого пропорционален квадрату амплитуды оптического поля, т. е. мощности падающего на фоточувствительную поверхность оптического сигнала.
Рассмотренный принцип приема оптического сигнала относится к методу прямого фотодетектирования (некогерентный, энергетический прием). Другим методом приема является метод фотосмещения (когерентный, гетеродинный и гомодинный прием),
Выводы.
1. Любую систему передачи можно представить в виде трех основных
частей:
- каналообразующего оборудования (КОО);
-оборудования сопряжения (ОС);
-оборудования линейного тракта (ОЛТ).
25
2. Каждая часть оборудования выполняет строго свои функции в
тракте передачи и приема.
3. В подавляющем большинстве случаев применяется модуляция по
интенсивности оптического излучения.
Контрольные вопросы.
1. Назначение КОО?
2. Назначение ОС?
3. Назначение ОЛТ?
4. Что такое модуляция по интенсивности оптического излучения?
26
Лекция 5 Раздел 3.1 Обобщенная схема цифровых многоканальных телекоммуникационной системы (ЦМТС) (продолжение) Гетеродинный прием реализуется значительно сложнее метода прямого детектирования и требует совмещения волнового фронта поля гетеродинного излучения с волновым фронтом поля сигнала. В результате фотодетектирования суммарного поля выделяется сигнал промежуточной (разностной) частоты, амплитуда, частота и фаза которого соответствуют указанным параметрам принимаемого оптического сигнала.
Гомодинный прием отличается от гетеродинного тем, что частоты излучений гетеродина и передатчика совпадают. Он дает дополнительное улучшение отношения сигнал-шум до 3 дБ, но его практическая реализация еще более затруднена в связи с не- обходимостью фазовой автоподстройки частоты лазерного гетеродина.
В настоящее время в качестве оконечной аппаратуры ЦМТС используются цифровые системы передачи, т. е. ЦМТС строятся как цифровые. Это объясняется существенными преимуществами цифровых СП по сравнению с аналоговыми: высокой помехоустойчивостью; малой зависимостью качества передачи от длины линейного тракта; высокими технико-экономическими показателями и др. Аналоговые СП не применяются на волоконно-оптических трактах из-за сравнительно высокой нелинейности источников оптического излучения и технической сложности обеспечения требуемой помехозащищенности. Тем не менее, исследования в области аналоговых ЦМТС показывают их перспективность в ряде областей (оптическое
кабельное телевидение, телеметрия, системы оперативной и служебной связи).
В настоящее время ЦМТС строятся как
двухволоконные однополосные однокабельные. При таком построении передача и прием оптических сигналов ведутся по двум волокнам и осуществляются на одной длине волны
λ. Каждое 0В является эквивалентом двухпроводной физической цепи. Так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля практически отсутствуют тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю, т. е. ЦМТС являются однокабельными.
Принцип построения двухволоконной однокабельной однополоснойЦМТС показан на рис. 5.1, где приняты обозначения: КОО - каналообразующее оборудование; ОС - оборудование сопряжения; ОПер - оптический передатчик; ОВ - оптическое волокно; Опр - оптический приемник. Достоинством такой ВОСП является использование однотипного оборудования трактов передачи и приема оконечных и промежуточных станций, а недостатком весьма низкий коэффициент использования пропускной способности ОВ.
КОО
КОО
ОС
ОС
ОС
ОПр
ОС
ОПер
ОПр
ОПер
1 2
N
2 1
N
ОВ
ОВ
Рис. 5.1 Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной ЦМТС
С учетом того, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости ЦМТС, а цены на оптический кабель в настоящее время остаются достаточно высокими, возникает задача повышения эффективности использования про- пускной способности 0В за счет одновременной передачи по нему большего объема информации. Этого можно добиться, например, передачей информации во встречных направлениях по одному 0В (
однополосные одноволоконные однокабельные ЦМТС) при использовании на оконечных станциях оптических развязывающих устройств (ОРУ)
27
(рис.1.3). Особенностью данной схемы является использование 0В для передачи сигналов в двух направлениях на одной длине волны.
КОО
КОО
ОС
ОС
ОС
ОПр
ОС
ОПер
ОПр
ОПер
1 2
N
2 1
N
ОВ
ОРУ
ОРУ
Рис. 5.2. Принцип построения одноволоконной однополосной однокабельной ЦМТС
Принципиальной особенностью двусторонних (дуплексных) систем является наличие переходных помех между информационными потоками, распространяющихся во встречных направлениях. Переходные помехи возникают за счет обратного рэлеевского рас- сеяния в 0В, ответвителях, из-за отражения света от сварных стыков и разъемных соединений на концах линии, что ограничивает длину участка ретрансляции.
Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ЦМТС,
при которой передача в одном направлении ведется на длине волны оптического излучения
1
в одном окне прозрачности, а прием осуществляется в другом окне прозрачности на длине волны
2,
показан на рис. 5.3 Разделение направлений передачи и приема осуществляется с помощью направляющих оптических фильтров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения.
КОО
КОО
ОС
ОС
ОС
ОПр
ОС
ОПер
ОПр
ОПер
1 2
N
2 1
N
ОВ
1
ОФ
2
ОФ
2
ОФ
1
ОФ
1
2
Рис. 5.3. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ЦМТС
Так же системы строятся как двухволоконные многополосные однокабельные. На передающей станции электрические сигналы от N .систем передачи поступают на передатчики, излучающие оптические несущие с длинами волн λ
1
, λ
2
, λ
3………
λ
n
. С помощью мультиплексоров (МП) и демультиплексоров (ДМ) осуществляется их ввод в одно волокно на передаче и разделение на приеме. Таким образом, по одному 0В организуется N спектрально разделенных оптических каналов, что значительно увеличивает коэффициент использования пропускной способности волокна.
Выводы.
1. Любую систему передачи можно представить в виде трех
составляющих: каналообразующее оборудование (КОО), оборудование
сопряжения (ОС) и оборудования линейного тракта.
2. Каждая составляющая системы передачи выполнят свою функцию.
3. Каналообразующее оборудование формирует стандартные цифровые
потоки Е1, Е2, Е3, Е4 и Е5.
4. Оборудование сопряжения преобразует электрический сигнал в
оптический на передаче и осуществляет обратное преобразование на приеме.
28
5. Оборудование линейного тракта осуществляет передачу оптического
сигнала по линейному тракту. В ОЛТ входят оптические передатчики, ВОК,
ретрансляторы и оптические приемники.
Контрольные вопросы.
1. Назовите составляющие оптической цифровой системы передачи.
2. Поясните принцип построения одноволоконной однополосной
однокабельной ЦМТС.
3. Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной
ЦМТС.
4. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной
ЦМТС.
5. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной
ЦМТС
Скачать 3.38 Mb.