Duomenų skaitmeninio perdavimo technologijų pagrindai

Ryšio kanalo ypatumai. Balso ar duomenų perdavimui, kurie bendruoju atveju traktuojami kaip signalas, reikalingas ryšio kanalas, sujungiantis siųstuvą su imtuvu. Po to kyla klausimas, ar perduotas signalas gali būti priimtas neiškraipytas. Realiai aišku, kad ne. Tuomet svarbu žinoti, kiek jis yra iškraipomas. Leistinas iškraipymų dydis arba santykis S/N (signalas/triukšmas) pagal Šenono/Hartli formulę be juostos pločio nusako ryšio kanalo talpą arba leistiną perdavimo spartą. Perduodamo analoginio signalo yra iškraipoma amplitudė, fazė, dažnis. Tai susieta su kanalui leistinu dinaminiu diapazonu ar jo pralaidumo juosta.

Perduodant signalą dideliais atstumais geriau naudoti aukšto dažnio nešlį, kurio parametrai gali būti moduliuojami perduodamu signalu. Tam tikslui gali būti naudojamos dvi moduliacijos: amplitudinė (AM) ir dažninė (DM). Moduliacijos metu simetriškai nešliui atsiranda šalutiniai dažniai , čia – pagrindinė dažnių juosta, kurią užima signalas. AM atveju , o DM – priklauso nuo moduliacijos indekso ir, sakykime, gali būti priimtas lygus . Tuomet moduliuoto signalo užimamas juostos plotis bei reikalaujamas kanalo dažnių juostos plotis turės būti lygus: AM atveju – , o DM – . DM yra žymiai atsparesnė trukdžiams ir duoda mažesnius perduodamo signalo iškraipymus, bet reikalauja žymiai didesnio juostos pločio. Nežiūrint to, kai kada yra naudojama DM, pavyzdžiui, UTB.

Pirmosios ryšio sistemos buvo orientuotos tiktai kalbos signalų perdavimui. Ekonomiškumo sumetimais jos buvo gaminamos daugiakanalės, naudojant įvairius kanalų sutankinimo metodus. Iš aukščiau pateikto pavyzdžio galima nuspręsti, kad pradžioje pirmenybė buvo atiduota AM. Be to pagrindinis juostos plotis buvo optimizuotas pagal artikuliacijos indeksą, kuris buvo priimtas lygus 0,7. Šiuo atveju juostos plotis gavosi lygus 3100 Hz. Šis juostos plotis driekiasi nuo 300 iki 3400 Hz.

Įvertinant realių filtrų, kurie naudojami ryšių sistemose, dažnines charakteristikas buvo pasiūlytas juostos plotis lygus 4 kHz, kuris priimtas kaip standartinis telefoninio kanalo juostos plotis. Atstumas tarp gretimų kanalų lygus 900 Hz.

2.2. Impulsinė kodinė moduliacija

Be analoginių moduliacijos būdų gali būti naudojami impulsiniai, pavyzdžiui, amplitudinė impulsinė moduliacija (AIM). Impulsiniai moduliacijos metodai naudoja perduodamo signalo diskretizaciją, t.y. imamos analoginio signalo periodinės atskaitos, kurių pasikartojimo dažnis lygus diskretizacijos dažniui . parenkamas toks, kad paskui būtų galimas analoginio signalo atgaminimas žemo dažnio filtro pagalba. Apribotam telefoniniam signalui, kurio ribinis dažnis lygus , pritaikius Kotelnikovo-Naikvisto teoremą, gaunamas lygus , t.y. analoginio signalo atskaitos 8 kHz dažniu arba diskretizacijos periodas bus lygus .

Toliau analoginio signalo atskaitos yra kvantuojamos priskiriant kiekvienai atskaitai tam tikrą skaitinę reikšmę. Diskretizacija ir kvantavimas naudojami impulsinės kodinės moduliacijos atveju. Tai kelias, kuriuo einant analoginis signalas paverčiamas skaitmeniniu.

Skaitinė kiekvienos analoginio signalo atskaitos reikšmė dažniausiai pateikiama 8(7) bitų dvejetainiu kodu. Tuomet koduojant 8 bitų kodu galima perduoti 28(256) analoginio signalo skirtingų atskaitų, o koduojant 7 ženklų – 27(128) atskaitų. Tai atitiktų 42 arba 48 dB atitinkamai kalbos signalo dinaminį diapazoną. Kadangi atskaitos perduodamos nuosekliai, tai gauname skaitmeninį srautą, kurio sparta lygi 56 kbitai/s (8 kHz * 7 bitų) arba 64 kbitai/s (8 kHz * 8 bitų).

Analoginio signalo keitimą skaitmeninių vaizduoja 2.1 pav. supaprastinta schema. IKM

2.1. pav. Skaitmeninio signalo formavimo pavyzdys

panauda leidžia:
1. Išvengti perduodamo signalo slopinimo įtakos.
2. Eliminuoti pašalinių triukšmų įtaką.
3. Pagerinti perduodamo kalbos signalo kokybę ir padidinti dinaminį diapazoną.
4. Duomenų perdavimo sistemoms leidžia sudaryti 56 arba 64 kbitų/s perdavimo kanalą.

2. 3. Duomenų srautų multipleksavimo metodai

Pirmosios ryšio sistemos kiekvienam kanalui naudojo atskiras perdavimo linijas. Tai labai neekonomiškas ir neperspektyvus būdas. Todėl nuo pat telefoninio ryšio pradžios buvo galvojama apie kanalų sutankinimą arba multipleksavimą. Multipleksavimas – tai kelių kanalų apjungimas į vieną bendrą didesnės talpos kanalą. Apjungiant telefoninius kanalus svarbu išvengti jų tarpusavio įtakos. Multipleksavimui naudojami trys metodai:
– multipleksavimas su dažniniu kanalų atskyrimu (dažninis multipleksavimas / sutankinimas);
– multipleksavimas su laikiniu kanalų atskyrimu (laikinis multipleksavimas / sutankinimas);
– multipleksavimas su banginiu kanalų atskyrimu (multipleksavimas pagal bangos ilgį/sutankinimas).
2.3.1. Dažninis sutankinimas

Esant dažniniam kanalų sutankinimui grupinio kanalo juostos plotis dalijamas į tam tikrą skaičių juostos pločių n, kurie atitinka standartinio telefono kanalo pagrindinei 4 kHz juostai. Pavyzdžiui, 2.2 pav. parodyta keturių kanalų po 4 kHz grupė, kuri AM pagalba perstumta 60 kHz.

2.2. pav. Kanalų grupė, gauta dažninio sutankinimo būdu

Kiekvieno kanalo signalas praleidžiamas pro juostinį filtrą. Todėl kiekvieno kanalo juostos plotis lygus 3,1 kHz ir jis formuojamas juostiniais filtrais, kurių kiekvieno perstumtas 4 kHz. Pavyzdžiui, pirmojo kanalo ir , o antrojo – ir . Jeigu kanalinis signalas yra labai stiprus, tai 900Hz tarpkanalinės apsaugos juostos pločio nepakanka, kad būtų išvengta kanalų tarpusavio įtakos.

Kanalinių grupių formavimui yra naudojama pagrindinio ir papildomo nešlio amplitudinė moduliacija nuslopinant vieną šalutinę juostą (žemesnių dažnių arba aukštesnių) ir nešlį. Kanalų grupių formavimas gali būti įvairus. ITU-T standartas [1] rekomenduoja tokią grupių formavimo sistemą:
– pagrindinė kanalinė grupė (vadinama pirmine grupe) – 12 standartinių telefono kanalų;
– pagrindinė supergrupė (vadinama antrine ) – 5 pirminės grupės (t.y. 60 kanalų);
– mastergrupė (vadinama tretine) – 5 supergrupės (t.y. 300 kanalų) arba 10 supergrupių (t.y. 600 kanalų), arba 16 supergrupių (t.y. 960 kanalų).

Gali būti formuojamos multimastergrupės (ketvirtinės) panaudojant įvairių mastergrupių arba supergrupių skaičių. Pagrindinės kanalinės grupės formavimo principas parodytas 2.3 pav.
Kaip matyti iš paveikslėlio, naudojama dvilaipsnė schema. Pirmajame etape formuojama trijų kanalų grupė, kuri gaunama moduliuojant papildomo nešlio 12, 16 ir 20 kHz dažnius, o antrajame etape formuojama 12 kanalų grupė moduliuojant 84, 96, 108 ir 120 kHz dažnius. Galiausiai gaunama kanalinė 48 kHz juostos pločio grupė (60108 kHz). Ji naudojama moduliuoti 420, 468, 512, 564 ir 612 kHz dažnius formuojant 210 kHz juostos pločio supergrupes (312522 kHz) ir t.t.

2.3. pav. Pagrindinės kanalinės grupės formavimas

2.3.2. Laikinis multipleksavimas

Dažninis sutankinimas yra sudėtingas procesas ir komplikuotas derinimas. Naudojant IKM paprasčiau realizuoti laikinį kanalų multipleksavimą. Perdavimo pusėje komutatoriaus pagalba kiekvienas įėjimo kanalas nuosekliai prijungiamas tam tikram laiko intervalui (vadinamu “time-slot” arba “komutacijos intervalu”), kuris reikalingas kanalo analoginio signalo atskaitos pasiuntimui. Taip suformuotas įvairių kanalų atskaitų srautas nukreipiamas į ryšio kanalą. Priėmimo pusėje demultiplekseris išskirsto jas po atskirus kanalus. Svarbu, kad siuntimo ir priėmimo pusės komutatoriai dirbtų sinchroniškai. Laikinio multipliksavimo schema pavaizduota 2.4 pav.

Telefono tinkluose komutatorius prie kanalo turi prisijungti su periodu lygiu diskretizacijos periodui . Tuomet n kanalų atveju kanalo komutacijos intervalas , čia – multiplekserio įėjimo kanalų skaičius. Jei multipleksuojami 24 kanalai, tai . Jeigu , tai .

Komutatorių sinchronizacijai turi būti naudojamas tam tikras sinchroimpulsas arba jo analogas (pavyzdžiui, tam tikra specialiai išskirta seka, sakykime, 111…11). Kai toks impulsas perduodamas specialiu kanalu, tai multipleksavimo schema dirba tiksliai. Jei naudojama vidaus kanalinė sinchronizacija, tuomet sinchronizacija atliekama pagal įstatytą, taip vadinamą,

2.4. pav. Apibendrinta laikinio multipleksavimo schema

išlyginamąjį bitą arba bitų grupę po tam tikro skaičiaus m atskaitų. Sinchronizacija dar gali būti organizuojama pasikartojančios sudėtingos struktūros dėka, sudarytos iš m atskaitų ir nustatyto ilgio k laukų arba išlyginamųjų bitų. Ši struktūra gali būti įvairi, tačiau visuomet fiksuota konkrečiai IKM kodavimo schemai ir vadinama perdavimo kadru arba ciklu (frame). Ciklai gali būti apjungiami ir sudaro, taip vadinamą, superciklą (multiframe). Ciklo pasikartojimo periodas – tai laikas, kuris reikalingas vienam pilnam komutacijos ciklui, įskaitant ir išlyginamosios bitų grupės įterpimui.

2.3.3. Duomenų srautų laikinis multipleksavimas

Kada skaitmeninio perdavimo sistemos naudojamos duomenų perdavimui, tai jų įėjime nėra kalbos signalo, kuriuos reiktų diskretizuoti bei kvantuoti. Tuomet multiplekserio įėjime jau yra suformuotas dvejetainių duomenų srautas. Tuomet multipleksavimo schema iš anksto gali būti konkretizuota. Tuo atveju multiplekserio įėjime bus n dvejetainių sekų. Multiplekseris komutatorius nuosekliai ims iš kiekvieno kanalo bitų sekas, sudarydamas iš jų išeinančią seką. Šis procesas vadinamas interlivingu (interleaving) arba pasikartojimu. Galimi šie interlivingo tipai:
– bitų interlivingas arba bitų pasikartojimas, kai komutatoriaus išėjime atsiranda po vieną kiekvieno įėjimo kanalo bitą;
– baitų interlivingas arba baitų pasikartojimas, kai išėjime atsiranda po vieną kiekvieno kanalo baitą;
– simbolių interlivingas arba simbolių pasikartojimas, kai išėjime atsiranda po vieną simbolį (arba 7 bitų ilgio laukas, arba 8 bitų ilgio laukas – baitas) iš kiekvieno kanalo;
– blokų interlivingas arba blokų pasikartojimas, kai išėjime atsiranda po vieną kiekvieno kanalo bloką (jo ilgis gali būti keli baitai).

Keturių dvejetainių srautų, kurių sparta 64 kbitai/s, multipleksavimo pavyzdys parodytas 2.5 paveikslėlyje.

2.5. pav. Duomenų srauto multipleksavimas bitų interlivingo pagalba

2.3.4. Banginis multipleksavimas

Paprastai šiuolaikiniuose tinkluose naudoja laikinį kanalų sutankinimą. Tuomet viena gija galima perduoti tiktai vieną tokį sutankintą kanalą (pusiaudupleksinį ar dupleksinį, jei naudojami optiniai šakotuvai). Dabartinė technologija ir optinių stiprintuvų panauda leidžia multipleksavimą pagal bangos ilgius (WDM) arba spektrinį kanalų sutankinimą.

Kadangi OK turi apibrėžtą spektro juostos plotį, tai joje galima patalpinti keletą optinių nešlių (kanalų), besiskiriančių bangos ilgiu tiek, kad priėmimo aparatūra lengvai galėtų išskirti. Minimalus tokio multipleksavimo variantas leidžia perduoti du tolokai atskirtus kanalus viena gija. Jei naudojama optimizuota pagal dispersiją optinė gija, tai galimas didelio tankio multipleksavimas su banginiu kanalų atskyrimu (DWDM). Šiuo atveju viena gija nesunkiai perduodama iki keliolikos kanalų. Paskutiniai pasiekimai šioje srityje leidžia perduoti keliasdešimt kanalų.

2.4. Skaitmeninių duomenų kodavimas
IKM sistemose

2.4.1. Skaitmeninių sekų formavimo praktiniai metodai

Panagrinėkime IKM sistemos su n kanalų multipleksavimu bei diskretizacija pavyzdį, kai naudojama vidaus kanalinė sinchronizacija (kuri realizuojama įstatant k bitų sinchrogrupę po m ciklų) ir l lygių tiesinis simetrinis kvantavimas. Konkrečiam atvejui priimsime, kad n4, k4, m2,