Принцип цифровой связи.

Системы цифровой связи становятся всё более привлекательными вследствие постоянно растущего спроса, а также из-за того, что цифровая передача предлагает широкие возможности обработки информации, не доступные при использовании аналоговых способов передачи. Отличительной особенностью систем цифровой связи является то, что они посылают сигнал, состоящий из конечного набора элементарных сигналов. Задачей приёмника является не точное воспроизведение переданного сигнала, а определение, какой именно сигнал из конечного набора был передан. В системах же аналоговой связи сигнал состоит из бесконечного множества элементарных сигналов. Основным преимуществом цифровой связи является лёгкость восстановления цифровых сигналов по сравнению с аналоговыми.

При цифровой связи вся передаваемая информация представляется в двоичной системе счисления, где используется всего два символа – ноль и единица. Следовательно, цифровой канал даёт значимый сигнал при работе в одном из двух состояний – включенном и выключенном. Двоичная информация в электронном виде выражается в виде прямоугольного импульса. При распространении сигнала по каналу связи происходит изменение, как формы, так и амплитуды импульса. На форму сигнала влияют два основных фактора: во-первых, неидеальность амплитудно-частотной характеристики канала связи и линии передачи и во-вторых, нежелательные электрические шумы или другое воздействие со стороны источников помех. Чем протяжённее канал связи, тем существеннее влияние этих факторов и сильнее искажается импульс (рис.54).

Рис. 54. Искажение и восстановление импульса. 1 – исходный импульсный сигнал, 2 – некоторое искажение сигнала, 3 – искажённый сигнал, 4 – сильно искажённый сигнал, 5 – восстановленный сигнал.

Наличие всего двух состояний облегчает восстановление сигнала и, следовательно, предотвращает накопление в процессе передачи шумов или других возмущений. Возмущение должно быть достаточно большим, чтобы перевести рабочую точку канала из одного состояния в другое. Восстановление сигнала осуществляется в регенеративных ретрансляторах, расположенных на определённом расстоянии друг от друга. Аналоговые сигналы, наоборот, не являются сигналами с двумя состояниями, они могут принимать бесконечное множество форм. В аналоговом канале даже небольшое возмущение может неузнаваемо исказить сигнал.

Цифровые каналы связи надёжнее и могут производиться по более низким ценам, чем аналоговые. Кроме того , цифровое программное обеспечение допускает более гибкую реализацию, чем аналоговые (например, использование микропроцессоров, цифровых коммутаторов и больших интегральных схем. При передаче и коммутации различные типы цифровых сигналов (данные, телеграф, телефон, телевидение) могут рассматриваться как идентичные: ведь бит – это всегда бит. Кроме того, для удобства коммутации и обработки, цифровые сообщения могут группироваться в автономные единицы, называемые пакетами.

К недостаткам цифровой связи можно отнести тот факт, что цифровые системы требуют более интенсивной обработки, чем аналоговые. Кроме того, для цифровых систем необходимо выделение значительной части ресурсов для синхронизации на различных уровнях. Еще одним недостатком цифровой связи является, то, что ухудшение качества носит пороговый характер. Если отношение сигнал/шум падает ниже некоторого порога, качество обслуживания может скачком измениться от очень хорошего до очень плохого. В аналоговых же системах ухудшение качества происходит плавно.

На рисунке 55 представлена упрощённая функциональная схема, которая иллюстрирует распространение сигнала и этапы его обработки в типичной системе цифровой связи.

Рис. 55. Упрощённая функциональная схема цифровой связи.

1 – форматирование, 2 – импульсная модуляция, 3 – полосовая модуляция, 4 – передатчик, 5 – приёмник, 6 – демодуляция и дискретизация, 7 – детектирование, 8 – форматирование.

Любая информация даваемая источником информации подвергается форматированию, в процессе чего исходная информация преобразовывается в биты, чем обеспечивается совместимость информации и функций обработки сигналов с системой цифровой связи. Информация приобретает форму потока битов. Биты группируются в цифровые сообщения или символы сообщений.

Импульсная модуляция – это процесс, посредством которого символы сообщений преобразуются в сигналы, совместимые с требованиями, налагаемыми каналом передачи данных. Каждый символ, который необходимо передать, вначале нужно преобразовать из двоичного представления (уровни напряжений представляются двоичными нулями и единицами) в видеосигнал, т. е. модулированный сигнал. Термин «видеосигнал» определяет сигнал, спектр которого начинается от постоянной составляющей и заканчивается значением в несколько мегагерц.

После импульсной модуляции каждый символ сообщения или канальный символ принимает форму полосового сигнала. Это преобразование называется полосовой модуляцией. Она необходима всегда, когда среда передачи не поддерживает распространение сигналов, имеющих форму импульса. Термин «полосовой» используется для отражения того, что видеосигнал сдвинут несущей волной на частоту, которая гораздо больше частоты спектральных составляющих самого видеосигнала.

Далее сигнал проходит канал связи, причём связь между входным и выходным сигналами канала полностью определяется импульсной характеристикой канала связи. Кроме того, в различных точках вдоль маршрута передачи дополнительные случайные шумы искажают сигнал, так что на входе приёмника сигнал отличается от переданного.

При обработке полученного сигнала в принимающем устройстве входной каскад приёмника или демодулятор обеспечивают понижение частоты каждого полосового сигнала. В качестве подготовки к детектированию демодулятор восстанавливает сигнал в виде оптимальной огибающей видеосигнала. Обычно с приёмником и демодулятором связано несколько фильтров. Фильтрование производится для удаления нежелательных высокочастотных составляющих и формирования импульса.

В результате детектирования выделяются символы сообщений, которые после форматирования передаются получателю информации и исходной форме. При передачи аналоговой информации по цифровым каналам связи в качестве узлов форматирования применяются аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.

Блоки модуляции и демодуляции/детектирования вместе называются модемом. Термин “модем” часто объединяет несколько этапов обработки сигналов.