3. ЦИФРОВЫЕ КАНАЛЫ ВЕЩАНИЯ

 

 

Принципы построения ЦСП.

 

Организация многоканальных ЦСП.

 

Промышленная аппаратура цифровых систем

подачи программ звукового вещания

 

Основные параметры каналов передачи ЗСТ и ТВ сигналов

 

 

 

Системы передачи (СП) с ЧРК и ВРК, используемые для организации КЗВ, в которых осуществляется модуляция определенных параметров гармонической или импульсной несущей, относятся к так называемым аналоговым системам передачи (АСП). В таких СП переносчиком информации является несущая, модулируемые параметры которой образуют непрерывные реализации, значений передаваемых сигналов (являются их аналогами). Так, например, при гармонической несущей может использоваться амплитудная, частотная и фазовая модуляции (AM, ЧМ и ФМ), при импульсной несущей – амплитудно-импульсная (АИМ), широтно-импульсная (длительно-импульсная) (ШИМ-ДИМ), время-импульсная (фазо-импульсная) (ВИМ-ФИМ) и частотно-импульсная модуляции (ЧИМ).

Принципиально отличными от АСП являются системы, в которых производится преобразование непрерывного сигнала в дискретный - цифровой, т. е. в качестве переносчиков информации используются импульсные (дискретные во времени) кодируемые сигналы. Так как кодирование обычно проводится каким-либо цифровым кодом, то такие системы получили название цифровых систем передачи (ЦСП).

ЦСП относительно АСП обладают следующими существенными преимуществами.

Высокой помехоустойчивостью при использовании каналов связи с невысокими качественными показателями (значительным уровнем шумов и переходных помех, повышенным коэффициентом отражения, существенным изменением параметров от температуры, влажности и т.д.). ЦСП допускают весьма низкое отношение сигнал/помеха в канале связи (порядка 30 дБ вместо 80 дБ и более, требуемых для АСП).

Высокой достоверностью передачи кодированной информации, определяемой возможностью использования помехоустойчивых (избыточных) кодов и применения статистической цифровой обработки принимаемых сообщений. Так, при передаче звуковых сигналов можно обеспечить малый уровень помех, большой динамический диапазон (порядка 70—80 дБ), малые частотные и фазовые искажения.

Независимостью качественных показателей от расстояния и топологии сети связи, т. е. совместимостью каналов различных типов (радиоканалов, проводных, оптических и т. д.). В ЦСП отсутствует суммирование помех, действующих на различных участках канала связи.

Сравнительной простотой оборудования ретрансляционных пунктов, содержащих пороговые регенеративные устройства, не требующие преобразования информации (демодуляции, переноса спектра и т. д.).

Совместимостью различных видов информации, представленной в импульсной (дискретной) форме (например, звуковых сигналов, сигналов телевидения, информации ЦВМ, сигналов управления и т. д.).

Возможностью организации единых автоматизированных (интегральных) сетей передачи сообщений, в частности систем подачи радиовещательных программ (РВ) в масштабе страны и международном масштабе с централизованным управлением и незакрепленными каналами.

Высокой эффективностью при использовании перспективных каналов связи (волноводных, оптических). Например, по оптическим каналам связи передача информации в цифровой форме является наиболее рациональной, так как осуществление непрерывной линейной модуляции интенсивности светового потока является чрезвычайно сложной задачей.

Высокой степенью микроминиатюризации аппаратуры в связи с использованием значительного количества цифровых (логических) элементов в виде интегральных микросхем (ИМС). Следствием этого является снижение стоимости аппаратуры при крупносерийном производстве.

Высокой эксплуатационной надежностью аппаратуры, определяемой использованием ИМС и возможностью введения резервирования и контроля работоспособности, эффективно реализуемых для цифровой аппаратуры. Кроме этого, использование ЦСП для звукового вещания создает возможность построения единых цифровых комплексов обработки и передачи информации радиовещательных программ. В таких комплексах могут осуществляться обработка, высококачественная консервация и воспроизведение сигналов цифровыми методами, обладающими высокой гибкостью, оперативностью и возможностью высокой автоматизации.

Принципы построения ЦСП. При передаче непрерывных сигналов с помощью ЦСП осуществляются дискретизация сигналов по времени, квантование по уровню и кодирование каким-либо цифровым кодом. Процесс формирования цифрового сигнала из аналогового изображен на рис. 24. Процесс дискретизации заключается в замене непрерывного сигнала u(t) последовательностью импульсов, следующих с периодом Тд, амплитуды которых равны (или пропорциональны) значениям (отсчетам) непрерывного сигнала в дискретные моменты существования импульсов (рис. 24, б).

 

 

Рис. 24. Процесс формирования цифрового (кодированного) сигнала в ЦСП:

а - исходный аналоговый сигнал; б - дискретизированный по времени сигнал (ДИМ сигнал); в - квантованный по уровню АИМ сигнал; г - двоично-кодированный цифровой сигнал (по циклам дискретизации); д - групповой цифровой сигнал.

 

Если Тд=const, то дискретизация называется равномерной, при этом частота дискретизации fд=1/Тд. Если Тд≠const, то дискретизация называется неравномерной. В ЦСП в основном используется равномерная дискретизация. Возможность передачи дискретизированных сигналов вместо непрерывных во времени и восстановления последних в месте приема можно объяснить на основе известной теоремы В.А. Котельникова [59]. Эта теорема доказывает, что любую функцию времени u(t), имеющую спектр S(w), который ограничен частотой w_в (полоса частот 0 - w_в), можно представить рядом

,                 (4.1)

где и() - мгновенное значение (отсчет) функции и(t), =iTд; i - номер отсчета.

В формуле (4.1) выражение  представляет импульсную характеристику идеального фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотой среза w_с = w_в, т. е. реакцию ФНЧ на воздействие и().

Следовательно, непрерывную функцию и(t) можно восстановить (воспроизвести) с любой степенью точности из последовательности отсчетов и(), пропустив данные отсчеты через ФНЧ. В результате дискретизации образуется амплитудно-импульсно-модулированный сигнал (АИМ сигнал) и(), который подвергается квантованию по уровню и кодированию. Обычно эти две операции осуществляются одновременно одним устройством - аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Операция квантования по уровню заключается в замене непрерывного множества значений АИМ сигнала разрешенными дискретными значениями (t), называемыми порогами (или уровнями) квантования (рис. 24, в). В общем случае пороги квантования могут располагаться неравномерно на шкале значений сигнала.

Операция кодирования состоит в присвоении квантованному по уровню сигналу (t) определенной комбинации импульсов, однозначно определяющих величину передаваемого АИМ сигнала. В общем виде код представляет собой полный набор возможных комбинаций символов (групп импульсов), подчиненных одному закону построения. На рис. 24, г изображены кодовые комбинации двоичного кода, определяющие численные значения квантованных уровней сигнала (рис. 24, в). В данном коде импульсы каждой позиции, называемой разрядом п, соответствуют значениям числа 2^п. Наличие импульса определяется как запись «1» в соответствующем разряде, отсутствие импульса - как запись «0».

Первый разряд определяет знак числа: «0» - положительное число, «1» - отрицательное число. Второй разряд соответствует величине 2°=1, третий разряд - величине 2¹=2, четвертый разряд - величине 2²=4 и т. д. Например, число 5 представляется импульсной последовательностью вида 0101. По каналам связи кодовые комбинации (кодовые посылки) обычно передаются в виде последовательного кода, т. е. в виде последовательности импульсов - разряд за разрядом. Каждый разряд кода представляет двоичную единицу информации - бит. Разряды последовательного кода передаются по каналу связи с тактовой частотой

f_т≥nf_д,                                                                                       (4.2)

где п - количество разрядов кода; f_д - частота дискретизации.

Скорость передачи информации цифровым кодом в канале связи называется линейной скоростью цифрового потока (иногда просто линейной скоростью) v и оценивается количеством битов в одну секунду. Для последовательного кода, передаваемого непрерывно, величина v численно равна f_т. Величины v и f_т совпадают только при передаче двухуровневых двоичных кодов (один уровень соответствует «1», другой. - «0»). При передаче многоуровневых кодов можно получить v, больше f_т, при передаче кодовых, посылок с паузами v может быть меньше f_т.

Улучшение качественных показателей ЦСП по сравнению с АСП можно объяснить влиянием характеристик канала связи на искажения передаваемых сигналов. При передаче сигналов с помощью АСП возникают следующие виды искажений: частотно-фазовые, обусловленные ограниченной полосой пропускания канала связи; нелинейные, обусловленные нелинейностью динамических характеристик отдельных звеньев канала связи. Данный вид искажений приводит к возникновению спектральных составляющих, отсутствующих в исходном сигнале; наложение различного рода помех.

Для уменьшения частотно-фазовых и нелинейных искажений при преобразовании и усилении аналоговых сигналов необходимо использовать устройства, имеющие строго нормированные частотно-фазовые и линейные динамические характеристики. Снижение влияния помех на аналоговые сигналы является одной из наиболее сложных задач, особенно в том случае, если спектр помех перекрывается со спектром передаваемого сигнала.

При большой протяженности канала связи со многими пунктами ретрансляции, в которых производится преобразование и усиление аналоговых сигналов, искажения, возникающие на отдельных участках тракта, суммируются (накапливаются). При передаче сигналов с помощью ЦСП, в отличие от АСП, допускаются существенные искажения импульсных сигналов. Это связано с тем, что из последовательности искаженных импульсов можно восстановить (регенерировать) исходный цифровой сигнал, восстановив временные соотношения и форму импульсов в кодовых посылках. Воздействие помех на цифровой сигнал сказывается в значительно меньшей степени, чем на аналоговый, так как в процессе регенерации можно производить «очистку» цифрового сигнала от помех.

Таким образом, при передаче цифровых сигналов не происходит накопления искажений, возникающих на отдельных участках тракта.

Восстановление цифровых сигналов обычно осуществляется с помощью ключевых регенеративных устройств (регенераторов), представляющих нелинейное пороговое устройство, обеспечивающее формирование импульсов требуемой формы (обычно П-образных импульсов) из принимаемых искаженных импульсов. Такие устройства значительно проще по конструкции, стабильнее и надежнее в эксплуатации, чем линейные преобразующие и усилительные устройства в АСП. Качественно характер искажений импульсных сигналов при прохождении по каналу связи можно оценить, представив канал связи в виде идеального ФНЧ с частотой среза w_с = 2πf_с, на выходе которого происходит наложение случайных помех на полезный сигнал.

При подаче на вход ФНЧ сигнала и₁(t) в виде последовательности П-образных импульсов длительностью τ_и на выходе ФНЧ формируется искаженный сигнал и₂(t), в котором отсутствуют ВЧ спектральные составляющие. На рис. 25 изображены графики сигнала и₂(t) для различных соотношений fср и fт=1/τ_и. Из графиков следует, что наличие или отсутствие импульсов на выходе идеального ФНЧ можно четко зафиксировать при fср=0,5 fт, т. е. при полосе пропускания, равной 0...0,5 fт.

 

 

Рис. 25. Искажение импульсных цифровых сигналов в канале связи и их восстановление регенератором:

а - исходный цифровой сигнал; б и в - искаженный сигнал на выходе участка канала связи при отсутствии помех; г - искаженный сигнал при наличии помех; д - восстановленный сигнал на выходе регенератора.

 

Однако характеристики реальных каналов связи существенно отличаются от характеристик идеального ФНЧ, поэтому на практике приходится использовать более широкую полосу частот, порядка 0...f_т [34]. В результате воздействия помех в канале связи на вход регенератора (рис. 25, г) поступает смесь искаженного импульсного сигнала u₂(t) и помех u_п(t). Если в регенераторе выбрать порог срабатывания Е_п выше уровня помех, то на его выходе можно получить восстановленный импульсный цифровой сигнал, «очищенный» от помех u_в(t) (рис. 25, д). Из-за случайного характера помех в реальных условиях в отдельные моменты времени может происходить увеличение уровня (выбросы) помех, который может превышать порог срабатывания регенератора. В этом случае помеха будет восприниматься как ложный импульс. Для борьбы с этим явлением в ЦСП, каналы которых подвержены воздействию помех (обычно это каналы с ограниченными энергетическими возможностями, например, каналы систем космической связи через ИСЗ), используются специальные помехоустойчивые коды.

В таких кодах в дополнение к разрядам, необходимым для передачи кодируемой информации (информационным разрядам), добавляются контрольные (избыточные) разряды, позволяющие исправить или обнаружить отдельные ошибки (сбои) в принимаемых кодовых посылках. Таким образом, в ЦСП можно исключить влияние искажений, возникающих в канале связи, на качество передачи сигналов. Это является основным преимуществом ЦСП перед АСП.

В общем виде тракт ЦСП состоит из трех основных частей (рис. 26): 1) кодирующего устройства (кодера) на передающей стороне, 2) канала связи, 3) декодирующего устройства (декодера) на приемной стороне. Тип ЦСП определяется составом устройств кодера и декодера. В состав кодера входят следующие блоки: амплитудно-импульсный модулятор АИМ, осуществляющий дискретизацию непрерывных сигналов во времени; аналого-цифровой преобразователь АЦП, осуществляющий квантование сигналов по уровню и их кодирование каким-либо цифровым кодом; процессор кодера ПрК с запоминающим устройством ЗУ, осуществляющий статистическую обработку кодированной информации и управления порогами квантования в АЦП, а также перекодирование каким-либо помехоустойчивым кодом.

 

 

Рис. 26. Структурная схема тракта ЦСП.

 

В состав декодера входят процессор декодера ПрД с запоминающим устройством ЗУ, осуществляющий обратное преобразование кодированной информации к форме, пригодной для декодирования в ЦАП; цифроаналоговый преобразователь ЦАП, осуществляющий декодирование информации, представленной цифровым кодом, и преобразование ее к виду АИМ сигнала; восстанавливающий (интерполирующий) фильтр низких частот Ф, осуществляющий восстановление формы непрерывного сигнала по последовательным отсчетам АИМ сигнала.

В различных ЦСП функции отдельных узлов кодера и декодера могут существенно изменяться. В связи с этим могут изменяться состав и сложность соответствующей аппаратуры. В состав ЦСП могут входить дополнительные согласующие устройства СУ, предназначенные для стыковки кодера и декодера с аппаратурой подачи и приема сообщений, а также вторичные модуляторы М и демодуляторы Д, необходимые для введения цифровой информации в канал связи.

Организация многоканальных ЦСП. В настоящее время многоканальные ЦСП, использующие один физический канал связи, обычно выполняют по принципу временного разделения каналов (ВРК). В ЦСП с ВРК операциям дискретизации, квантования и кодирования подвергаются сигналы каждого канала. Кодовые группы, каждого i-го канала передаются раздельно в соответствующие канальные интервалы времени ∆t_i (см. рис. 24, д). Между временными канальными интервалами устанавливаются защитные временные интервалы ∆t_защ. Комбинация кодовых групп всех каналов представляет групповой цифровой сигнал, передаваемый в цикле передачи.

Тракты многоканальных ЦСП с ВРК можно построить по двум структурам, использующим различные способы формирования группового цифрового сигнала.

1.      На передающей стороне сигналы каждого канала дискретизируются отдельными (канальными) дискретизаторами с разделением во времени (импульсы дискретизации каждого канала разнесены во времени), в результате чего формируются канальные АИМ сигналы. Затем канальные АИМ сигналы объединяются в групповой АИМ сигнал, который квантуется и кодируется. На приемной стороне производится обратное преобразование сигналов.

2.  На передающей стороне сигналы каждого канала дискретизируются, квантуются и кодируются в канальном (индивидуальном) оборудовании с разделением во времени, а затем объединяются в групповой цифровой сигнал. На приемной стороне производится обратное преобразование сигналов.

Первый способ требует общих (групповых) АЦП и ЦАП для всех каналов, т. е. является более дешевым по аппаратурным затратам, так как АЦП и ЦАП являются одними из наиболее сложных и точных узлов ЦСП. Однако ввиду появления искажений импульсов в тракте формирования группового АИМ сигнала (АИМ тракте) происходит взаимная паразитная модуляция амплитуд импульсов одного канала АИМ сигналами других каналов. Это приводит к появлению перекрестных искажений (переходных помех.) между отдельными каналами.

Второй способ формирования группового цифрового сигнала предполагает использование индивидуальных (канальных) АЦП и ЦАП, следовательно, является более дорогостоящим по аппаратурным затратам. Однако он свободен от возникновения переходных помех.

Первый способ формирования группового цифрового сигнала используется в аппаратуре информационных ЦСП, например, в аппаратуре ИКМ-12М, ИКМ-30. Второй способ, вследствие его высокой помехозащищенности, используется в аппаратуре, предназначенной для высококачественной передачи сигналов радиовещания. По такой структуре построена аппаратура подачи радиовещательных программ через ИСЗ.

ЦСП с ИКМ. Различные типы ЦСП отличаются друг от друга способом организации порогов квантования и методами кодирования. При передаче звуковых сигналов с высоким качеством наибольшее распространение получили ЦСП с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Процесс формирования цифрового сигнала в ЦСП с ИКМ изображен на рис. 24. Пороги квантования (рис. 24, в) располагаются равномерно в пределах возможных значений уровней непрерывного сигнала. Поэтому при ИКМ непрерывный сигнал u(t) в процессе дискретизации и квантования преобразуется в АИМ сигнал, представляющий квантованную решетчатую функцию u_j(t_i)(рис. 24, в). Каждый квантованный отсчет такого сигнала кодируется и передается по каналу связи независимо от величины предыдущих отсчетов. Отсчеты (дискретизация) берутся с частотой f_д ≥ 2F_в. Следовательно, скорость цифрового потока при ИКМ, бит/с,

v = f_дn ≥ 2F_вn,            (4.3)

где F_в - верхняя граничная частота передаваемого аналогового (звукового) сигнала; п - количество разрядов цифрового кода, необходимое для передачи каждого отсчета сигнала.

Обычно используют двоичный код, при этом в зависимости от требуемой точности (качества) передачи разрядность кода n=7...14. Поэтому, учитывая, что тактовая частота передачи разрядов кода f_т>v, получаем f_т≥(14...28)F_B. Следовательно, для передачи сигнала ИКМ требуется полоса частот значительно шире полосы, занимаемой аналоговым сигналом.

В связи с тем, что в ЦСП и ИКМ пороги квантования в АЦП устанавливаются постоянными, в кодере и декодере можно исключить блоки ПрК и TрД.

Дискретизация по времени аналоговых сигналов. В общем виде равномерная дискретизация аналогична АИМ. При этом роль модулирующего сигнала играет дискретизируемый сигнал. На рис. 27 изображены графики процесса АИМ. Формирование АИМ сигнала осуществляется при помощи электронного ключа, включенного в цепь передачи модулирующего сигнала (рис. 27, а), который открывается последовательностью дискретизирующих П-образных импульсов (рис. 27, б). Эта последовательность импульсов выполняет роль сигнала несущего колебания. Спектр такого сигнала изображен на рис. 27, д).

 

 

Рис. 27. График процесса АИМ:

а - исходный аналоговый сигнал; б - импульсная несущая; в - АИМ сигнал; г-спектр исходного сигнала; д - спектр импульсной несущей; е - спектр АИМ сигнала.

 

Если дискретизируемый (модулирующий) сигнал и_Ω(t) синусоидальный

и_Ω(t) = U_Ω sin Ωt,       (4.4)

то выражение, описывающее распределение спектральных составляющих АИМ сигнала, имеет вид [34]

Таким образом, в спектре АИМ содержатся составляющие модулирующей частоты Ω и боковые частоты Rw_д±Ω при каждой гармонике частоты дискретизации. Сами гармоники Rw_д на выходе модулятора отсутствуют. Если модулирующий сигнал не является моногармоническим, т. е. занимает некоторую полосу частот ∆Ω=Ω_в-Ω_н (рис. 27, г), то, очевидно, в составе спектра вместо отдельных боковых частот появятся соответствующие боковые полосы (рис. 27, е).

Восстановить исходный аналоговый (непрерывный во времени) сигнал из АИМ сигнала можно, пропустив импульсную последовательность через восстанавливающий (или интерполирующий) ФПЧ. На рис. 27, е штрих-пунктирной линией показана требуемая АЧХ такого фильтра. Следовательно, для неискаженного восстановления исходного сигнала необходимо, чтобы

Ω_в ≤ w_д - Ω_в, т.е. w_д ≥ 2 Ω_в, или f_д ≥ 2 F_в,

где F_в - верхняя граничная частота исходного сигнала.

Этот вывод соответствует условию, следующему из теоремы В.А. Котельникова.

Для подавления спектральных составляющих с частотой выше f_д/2, имеющихся в передаваемом аналоговом сигнале, перед дискретизатором необходимо включить входной канальный ФНЧ с частотой среза, равной F_в.

Квантование АИМ сигналов по уровню. При рассмотрении квантования АИМ сигнала по уровню удобно задачу разделить на два этапа. Вначале полагать, что квантованию подвергается непрерывный сигнал, а затем квантованный сигнал дискретизируется.

График процесса квантования непрерывных сигналов по уровню показан на рис. 28. Диапазон возможных значений сигнала делится на L уровней, называемых порогами квантования, отличающихся друг от друга на величину шага квантования ∆L. Внутри каждого шага квантования располагаются разрешенные уровни квантования u_j(t). Значения сигнала u(t) сравниваются с соответствующими порогами квантования L_j, и если L_j≤u(t)<L_j+1, где j - номер шага квантования, то вырабатывается сигнал u_j(t), соответствующий j-му разрешенному уровню для j-го шага квантования (рис. 28, а). Таким образом, исходный сигнал u(t) отличается от u_j(t) на величину, не превышающую ∆L.

 

Рис. 28. График процесса квантования по уровню непрерывных сигналов:

а - исходный аналоговый сигнал и(t) и квантованный сигнал u_j(t); б -шум квантования.

 

Разностный сигнал ε(t) = u_j(t) - u(t) называется шумом квантования (рис. 28, б). Шум квантования проявляется в виде специфических нелинейных искажений, появляющихся только при наличии сигнала, в паузах шум квантования отсутствует.

Статистические исследования показывают, что в большинстве случаев шум квантования является стационарным эргодическим случайным процессом с математическим ожиданием, равным нулю (нулевым средним). При этом среднее значение мощности шума квантования N_cp=ε²_ср минимизируется, если уровень квантования и_j располагать посредине шага квантования ∆L. В этом случае

N_cp = ∆L²/12.       (4.6)

Энергетический спектр шума квантования является почти равномерным в очень широкой полосе частот. Поэтому шум квантования можно считать белым шумом. А так как спектр основного сигнала ограничен частотой F_в, то в полосу частот основного сигнала попадает только часть энергии шума квантования.

Квантование АИМ сигнала можно представить как дискретизацию смеси непрерывного сигнала и шума квантования. В результате этого формируется дискретизированный квантовый сигнал и_д(t) и дискретизированный шум квантования ε_д(t). Если спектр сигнала u(t) ограничен полосой частот 0...F_в и для его восстановления из АИМ сигнала используется идеальный ФНЧ с частотой среза F_c=Fв, то отношение сигнал/шум квантования на выходе такого ФНЧ

Q=                      (4.7)

Где Рмакс - максимальная мощность дискретизируемого сигнала; Ncp - средняя мощность шума квантования.

Из формулы (4.7) следует, что для увеличения Q желательно увеличивать частоту дискретизации f_д (уменьшение f_с не имеет смысла, так как требуется, чтобы f_с > f_в).

Поскольку спектр шума квантования почти не зависит от спектра сигнала, существует еще один способ (кроме увеличения частоты дискретизации) увеличить Q, т. е. изменить соотношение между сигналом и шумом квантования на выходе декодера. Данный способ заключается в ведении частотных предыскажений в спектр сигнала на входе кодера (квантующего устройства) и коррекции этих предыскажений (восстановлении спектра) на выходе декодера. Очевидно, АЧХ такого предыскажающего (ПК) и восстанавливающего (ВК) контуров должны быть взаимно обратны в полосе спектра сигнала.

Средняя мощность шума квантования на выходе ВК [62]

                           (4.8)

где N(w) - спектральная плотность шума квантования на выходе кодера (на входе декодера); F₂(w) - АЧХ ВК; w_с - круговая частота среза канального ФНЧ.

. Таким образом, в зависимости от формы АЧХ ВК мощность шумов квантования на выходе ВК декодера может быть меньше мощности шумов квантования на выходе квантующего устройства кодера. Эффект по увеличению Q зависит от вида функции F₂(w), выбор которой, в свою очередь, определяется спектром звукового сигнала.

На рис. 29 изображена АЧХ ПК (АЧХ ВК обратна), используемая в ряде типов промышленной аппаратуры [60]. При такой АЧХ ПК различные виды звуковых сигналов (музыка, речь) перегружают систему менее чем на 0,4% времени с максимальным пиковым уровнем над порогом ограничения кодера, равным 3 дБ. Число уровней квантования L при равномерном квантовании выбирают из условия допустимого отношения сигнал/шум квантования [34, 63]. Из формулы (4.7) при условии f_д=2F_в=2f_с с учетом выражения (4.6) получаем

Q = 3L²,       (4.9)

откуда

L =       (4.10)

 

 

Рис. 29. АЧХ  предыскажающего контура.

 

Пока еще не установлены международные нормы на величину Q. Считается, что для передачи сигналов звукового вещания с высоким качеством достаточно Q = 75...85 дБ. При использовании двоичного кодирования L = 2ⁿ, где п - число разрядов кода. Для обеспечения вышеоговоренных условий п = 12...14. Такое большое количество разрядов вызывает, во-первых, значительные трудности в реализации АЦП и, во-вторых, требует большой пропускной способности канала связи. Уменьшить количество разрядов кода можно, используя неравномерное квантование.

Плотность вероятности мгновенных значений звукового сигнала характеризуется тем, что малые значения сигнала встречаются чаще больших (см. гл. 2). Поэтому, чтобы уменьшить общее число шагов квантования, можно величину шага сделать зависимой от уровня сигнала, т. е. квантовать малые сигналы с малым шагом, а большие - с большим. Тогда отношение сигнал/шум квантования как для малых, так и для больших сигналов будет достаточным (например, порядка 40...50 дБ.). Поэтому качество передачи остается высоким [62].

С этой целью в кодере должно осуществляться сжатие (компрессия) сигнала, а в декодере - расширение (экспандирование). Такое преобразование сигнала называется компандированием. В аппаратуре ЦСП используются три способа реализации неравномерного квантования: аналоговое компандирование, цифровое компандирование, нелинейное кодирование.

Квантование в ЦСП обычно совмещается с кодированием. Поэтому аналоговый компрессор устанавливается перед АЦП на передающей стороне, а экспандер - после ЦАП на приемной стороне. Цифровой компрессор, наоборот, устанавливается после АЦП в цифровом тракте, а экспандер - перед ЦАП. При нелинейном кодировании компрессирование совмещено с кодированием и осуществляется в АЦП, а экспандирование - в ЦАП. Для ЦСП используют характеристики компрессии двух видов [34, 57]: логарифмическую с так называемым μ-законом и квазилогарифмическую с А-законом. Эти характеристики выражаются следующими соотношениями сигнала:

для μ-закона

 u,        (4.11)

для А-закона

 ;

    (4.12)

где

 

где u - мгновенное значение входного сигнала; U_макс - максимальное значение входного сигнала; u_вых - мгновенное значение сигнала на выходе компрессора.

МККТТ рекомендует использовать μ-закон для аналогового компандирования при μ=100 (см. формулу (4.11)), А-закон для цифрового компандирования или нелинейного кодирования при А=87,6 (см. формулу (4.12)) и кусочно-линейной аппроксимации характеристики компрессии 13 или 15 сегментами (по 6 или 7 сегментов в I и III квадрантах и один общий сегмент), обозначается такой закон А-87,6/13. Оба закона компрессии обладают почти одинаковыми характеристиками и позволяют уменьшить число разрядов передаваемого кода в ЦСП с ИКМ на 3...4 разряда (например, с 14 разрядов до 10). Однако А-закон более удобен при нелинейном кодировании в кодере и декодировании, хотя из-за линейной начальной части характеристики компрессии (в области малых сигналов) несколько ухудшается отношение сигнал/шум квантования.

Кодирование и декодирование. Обычно операции квантования и кодирования, т. е. преобразования дискретизированных аналоговых сигналов (АИМ сигналов) в цифровые, осуществляются как единый процесс в аналого-цифровом преобразователе. Обратная операция - декодирование - осуществляется в цифро-аналоговом преобразователе. Наибольшее распространение в ЦСП с ИКМ получили коды, построенные по так называемой позиционной системе счисления (позиционные коды), в которых позиция в кодовой последовательности (разряд), занимаемая символом, определяет его величину. В позиционной системе счисления любое число А можно за­писать в виде

                                               (4.13)

где a_i - разрядная цифра, принимающая значения 0, 1, 2, ..., р - 1; р - основание системы счисления; i - номер разряда; п - количество разрядов.

Наиболее просто реализовать коды с основанием р=2 (двоичные коды), так как в этом случае a_i принимает только два значения: 0 и 1. Передача сигналов 0 (отсутствие импульса) и 1 (наличие импульса) обладает высокой помехоустойчивостью.

Существует несколько типов АЦП [34]. Наибольшее распространение в ЦСП получили АЦП с поразрядным кодированием, так как они обладают достаточно высоким быстродействием, высокой точностью преобразования и требуют небольших аппаратурных затрат. Кодирование в таких АЦП осуществляется аналогично процессу взвешивания при помощи гиревых весов. Функции разновесов в АЦП выполняют эталонные сигналы (напряжения или токи). На рис. 30, а показана структурная схема АЦП с поразрядным кодированием. Особенность этой схемы - наличие канала обратной связи, в состав которого входит блок эталонов БЭ и сравнивающее устройство - компаратор Кр. БЭ содержит блок ключей БК и генератор эталонных сигналов ГЭ. Отсчет аналогового сигнала (АИМ сигнал) и_д поступает па один из входов компаратора. На второй вход компаратора подается напряжение обратной связи – и_о.с, формируемое ЦАП. Это напряжение определяется кодом, записанным в регистре кода РК ЦАП. Работой всей схемы управляют тактовые импульсы ТИ, поступающие из блока синхронизации БС.

 

Рис. 30. Структурная схема АЦП с поразрядным кодированием:

а - 10-разрядный АЦП с линейным кодированием; б - АЦП с нелинейным кодированием 14 разрядов в 10.

 

Алгоритм работы АЦП заключается в следующем. В начале цикла кодирования по первому ТИ происходит установка в состояние 1 триггера старшего (знакового) разряда РК. При этом на выходе БЭ формируется напряжение обратной связи u_о.с, величина которого определяется весом (эталоном) старшего разряда кода. Компаратор сравнивает напряжение и_д и и_о.с, если и_д > и_о.с, то вырабатывается сигнал 0, если и_д ≤ и_о.с, то вырабатывается сигнал 1. Данный сигнал поступает через формирователь Ф на выход АЦП и одновременно в устройство управления РК УУРК. При наличии 1 на выходе компаратора УУРК возвращает триггер старшего разряда РК в состояние 0, тем самым выключает соответствующий эталон напряжения на выходе БЭ. По второму ТИ устанавливается в состояние 1 триггер второго разряда РК и к напряжению на выходе БЭ добавляется напряжение – эталон, соответствующее весу второго разряда. Далее процесс повторяется.

Таким образом, к концу цикла кодирования происходит выравнивание напряжений на обоих входах компаратора (с точностью до величины эталонного напряжения, соответствующего весу младшего разряда). В этом случае в РК устанавливается двоичный код, соответствующий величине отсчета аналогового сигнала. Погрешность кодирования в АЦП с поразрядным кодированием в основном обусловливается конечной чувствительностью (разрешающей способностью) компаратора и погрешностью БЭ.

В качестве компараторов используют пороговые схемы как регенеративного, так и нерегенеративного типа. Чувствительность таких схем можно сделать достаточно высокой, такой, чтобы компаратор не вносил существенной погрешности в общую. В этом случае основным источником погрешности будет являться БЭ.

В ЦСП наибольшее распространение получили ЦАП параллельного действия. Структурная схема такого ЦАП изображена на рис. 31. Декодирование заключается в суммировании на нагрузке ЦАП эталонных сигналов с «весами», соответствующими разрядам преобразуемых кодовых групп. Коммутация эталонных сигналов осуществляется блоком ключей БК, управляемых регистром кода РК. Включение определенного ключа происходит при наличии 1 в соответствующем разряде регистра кода. Кодовые группы (в виде последовательного кода) в течение цикла передачи принимаются регистром приема РП. После окончания приема полученный на РП параллельный код пересылается в РК.

 

 

Рис. 31. Структурная схема ЦАП параллельного действия.

 

Погрешность декодирования в ЦАП обусловливается погрешностью задания эталонных сигналов, конечным и нестабильным остаточным сопротивлением ключевых элементов - коммутаторов эталонных сигналов. В качестве ключевых элементов обычно применяются биполярные и полевые транзисторы. В качестве генератора эталонных ГЭ сигналов используются эталонные токи или напряжения, подаваемые на прецизионную резисторную матрицу.

Нелинейное кодирование и декодирование. Нелинейное кодирование и декодирование во взвешивающих АЦП и ЦАП можно реализовать, используя кусочно-линейную аппроксимацию заданного закона компандирования в цифровой (логической) части АЦП и ЦАП. На рис. 30, б изображена структурная схема такого АЦП. Ключевые элементы, которые коммутируют эталонные сигналы на резисторную матрицу, управляются через экспандирующий преобразователь ЭПр, включенный между регистром кода РК и БЭ. Экспандирующий преобразователь представляет собой логическую схему, которая преобразует компрессированный код, образующийся в регистре кода при кодировании, в некомпрессированный двоичный код, управляющий работой БЭ. В результате этого перекрывается диапазон уровней сигнала, соответствующий некомпрессированному коду.

Синхронизация в ЦСП. Цифровые сигналы в канале связи представляют собой поток кодовых посылок, соответствующих отсчетам передаваемых сигналов. Импульсы кодовых посылок передаются с тактовой частотой. Кодовые посылки группы каналов (в многоканальных ЦСП) составляют циклы передачи (цикловые группы). При одноканальной передаче каждая кодовая посылка представляет цикл передачи. Циклы передачи следуют с цикловой частотой.

В приемном оборудовании ЦСП для выделения сигналов каждого канала необходимо прием и декодирование осуществлять синхронно с поступлением цикловых групп. Следовательно, должна обеспечиваться синхронная работа кодирующих и декодирующих устройств. В ЦСП используется синхронизация двух видов: тактовая и цикловая.

Тактовая синхронизация поддерживает равенство тактовых частот передающей и приемной аппаратуры (постоянство фазовых соотношений тактовых импульсов). Для этого из спектра принимаемого сигнала выделяется синхронизирующий сигнал тактовой частоты, который управляет работой генераторного оборудования приемной аппаратуры. Цикловая синхронизация обеспечивает прием и распределение кодовых групп по циклам, а также поступление декодированных АИМ сигналов по соответствующим каналам.

Поиск состояния синхронизма аппаратурой синхронизации должен производиться при включении приемного оборудования, а также при случайном выходе из синхронизма, вызванного сбоями в принимаемом цифровом сигнале или в работе передающей и приемной аппаратуры.

Организация цикловой синхронизации основана на использовании информационной избыточности в ИКМ сигнале. Различают два способа цикловой синхронизации: с введением специального синхросигнала в цифровой поток (с искусственной информационной избыточностью); с использованием корреляционных свойств принимаемого цифрового сигнала (с естественной информационной избыточностью). Наиболее широко применяется первый способ.

К системам цикловой синхронизации предъявляют следующие требования: 1) минимальное время вхождения в синхронизм (восстановление синхронизма). Среднее время восстановления синхронизма должно быть не более нескольких миллисекунд. При этом слушатель практически не замечает искажений в принимаемом сигнале; 2) минимальный объем искусственной информационной избыточности (дополнительных групп импульсов в цифровом потоке) для введения синхросигнала, так как это снижает пропускную способность канала связи; 3) высокая помехоустойчивость и простота аппаратуры синхронизации.

Указанные требования в некоторой мере противоречивы, вследствие чего приходится выбирать разумные компромиссы. Схемотехнические системы цикловой синхронизации основаны на поиске и выделении отличительных признаков синхросигнала на фоне информационной части сигнала. Таким признаком является периодичность повторения синхросигналов на одних и тех же временных позициях в каждом цикле или группе циклов [34].

Промышленная аппаратура цифровых систем

подачи программ звукового вещания

 

1. По каналам цифровых систем многоканальной телефонной связи. Первичным звеном в иерархии ЦСП, предназначенных для телефонной связи, являются малоканальные системы с ИКМ. Стандартное число каналов в таких системах обычно 12; 24; 30, например: 12-канальная аппаратура ИКМ-12М (СССР) [3]; 24-канальная аппаратура Т-1 (США); РСМ-24 (Япония); 30-канальная аппаратура ИКМ-30 (СССР). Основные технические характеристики аппаратуры ИКМ-12М и ИКМ-30 с учетом организации канала звукового вещания приведены в табл. 5.

Таблица 5

Техническая характеристика	Аппаратура
	ИКМ-12М	ИКМ-30
Количество телефонных каналов	12	30
Количество телефонных каналов, используемых для одного канала радиовещания	2	2-4
Разрядность двоичного кода одного канала, экв. без компрессии/с компрессией	~8/6	~12/8
Скорость передачи цифрового потока, кбит/с	704	2048
Защищенность от внятных переходных помех, дБ, не менее	61	65
Отношение максимального напряжения сигнала к среднеквадратичному значению напряжения шума квантования, дБ, не менее	30	34
Уровень псофометрического шума в паузах передачи, дБ, не более	-59	-65
Закон компрессии	μ-30	А-87,6/13
Полоса частот одного канала, кГц:
телефонного	0,3-3,4	0,3-3,4
КЗВ	0,1-6	0,1-6 (0,1-10)
Частота дискретизационного канала, кГц:
телефонного	8	8
КЗВ	16	16-32
Коэффициент гармоник, %, не более	3	3
Способ компандирования	Аналоговый	Нелинейное кодирование
Метод кодирования	Поразрядное	Поразрядное
Способ цикловой синхронизации	Дополнительный импульс в цикле передачи	Дополнительный импульс в цикле передачи
Метод нейтрализации искаженных циклов при выходе из синхронизма	Прекращение выдачи информации	Прекращение выдачи информации
Элементная база	Дискретные проводниковые и пассивные элементы	ИМС и дискретные элементы.

 

Для передачи сигналов звукового вещания в аппаратуре ИКМ-12М вместо индивидуального оборудования двух телефонных каналов, а в аппаратуре ИКМ-30 вместо двух или четырех телефонных каналов устанавливается специальный блок индивидуального оборудования канала радиовещания. В данном блоке дискретизация звуковых сигналов производится импульсами от двух или четырех телефонных каналов, следовательно, частота дискретизации удваивается или учетверяется. Вследствие этого полоса передаваемых частот расширяется до 6-15 кГц. При этом остальные характеристики канала звукового вещания аналогичны характеристикам телефонных каналов.

Ввиду того, что квантование телефонных сигналов осуществляется 7-8 двоичными разрядами (с компандированием), в таких системах невозможно обеспечить передачу сигналов звукового вещания с высоким качеством.

Обобщенная структурная схема оборудования передающей и приемной частей показана на рис. 32. Все оборудование разделяется на канальное (индивидуальное) и групповое. В состав канального оборудования передающей части входят: входной аттенюатор, предназначенный для регулировки уровня входного аналогового сигнала дБ; предыскажающий контур ПК (только в ИКМ-30 в канале радиовещания); канальный фильтр КФ, предназначенный для подавления в спектре сигнала составляющих с частотой выше f_д/2; канальные ключи передачи ККП для дискретизации звуковых сигналов отдельных каналов с разделением во времени и объединения полученных канальных АИМ сигналов в групповой АИМ сигнал.

 

Рис. 32. Обобщенная структурная схема оборудования приемной и передающей частей аппаратуры типов ИКМ-12М, ИКМ-30 с учетом организации КЗВ.

 

Групповое оборудование включает: генератор НЧ шумового сигнала ГНЧШ (только в ИКМ-12). Формирует НЧ шумовой сигнал, который замешивается в групповой АИМ сигнал для частичной «маскировки» переходных помех между отдельными каналами; диодный аналоговый компрессор Кс, конструктивно совмещенный с экспандером Эр в одном термостате (только в ИКМ-12М с законом μ-30); расширитель импульсов РИ, который увеличивает длительность импульсов АИМ сигнала до величины, необходимой для работы АЦП; аналого-цифровой преобразователь АЦП (кодер), линейный в ИКМ-12, нелинейный (с законом А-87,6/13) в ИКМ-30; СО - схема объединения. Осуществляет замешивание в групповой ИКМ сигнал импульсов цикловой синхронизации и служебной информации.

В состав группового оборудования приемной части входят: цифроаналоговый преобразователь ЦАП (декодер) линейный в ИКМ-12 М, нелинейный в ИКМ-30; Эр - экспандер (только в ИКМ-12М). Канальное оборудование включает: канальные ключи приема ККПр, которые разделяют групповой АИМ сигнала на канальные АИМ сигналы; интерполирующий фильтр ИФ. Преобразует АИМ сигнал в аналоговый звуковой сигнал; ВК - восстанавливающий контур (только в ИКМ-30 в канале радиовещания). Работа приемного оборудования синхронизируется с работой передающего при помощи сигналов цикловой синхронизации и сигналов тактовой частоты, выделяемых блоком синхронизации БС из принимаемого цифрового потока.

В передающей части оборудования производится дискретизация звуковых сигналов отдельных каналов с разделением во времени и объединение полученных канальных АИМ сигналов в групповой АИМ сигнал. В аппаратуре ИКМ-12М АИМ сигнал подвергается компрессированию. Затем данный сигнал кодируется в общем кодере (АЦП). Групповой ИКМ сигнал с выхода кодера поступает в схему объединения, где в него замешиваются импульсы цикловой синхронизации и служебной информации. Полученный таким образом полный сигнал представляет единый цифровой поток, который поступает в канал связи.

 

 

Рис. 33. Структурная схема АЦП аппаратуры

 

В приемной части оборудования производится обратное разделение цифрового потока на составные части. Выделенный групповой ИКМ сигнал поступает на общий декодер (ЦАП), на выходе которого образуется групповой АИМ сигнал. Разделение группового АИМ сигнала на канальные производится в соответствующих канальных блоках. Управление работой всех устройств осуществляется при помощи тактовых импульсов, вырабатываемых блоком синхронизации.

На рис. 33 изображена структурная схема АЦП аппаратуры типа ИКМ-12М с поразрядным кодированием (взвешивающего типа), которая содержит: регистр кода РК на триггерах Т1-Т7; ключи регистра кода КРК на схемах И для управления последовательным включением (и выключением) триггеров РК в процессе кодирования; формирователь последовательного кода ФПК на схемах И, который формирует последовательный код из параллельного, образованного в РК в процессе кодирования; блок эталонов БЭ, который состоит из генераторов эталонных токов, задающих эталонные токи, соответствующие «весу» двоичных разрядов кода (Г1-Г7), и ключей коммутации эталонных токов (К1-К7). Ключи коммутации управляют подключением Г1-Г7 к нагрузке Rн, на которой происходит суммирование токов, в результате чего выделяется напряжение, определяемое состоянием РК. Таким образом, РК и БЭ представляют ЦАП, включенный в цепь обратной связи АЦП. Компаратор КР предназначен для сравнения отчетов входного сигнала (АИМ сигнала) с напряжением, получаемым на нагрузке Rн.

На рис. 34 изображена структурная схема ЦАП (декодера) аппаратуры ИКМ-12М. Декодер параллельного действия содержит регистр приема РП с ключами управления регистром приема КРП, который принимает последовательный код, поступающий из канала связи с тактовой частотой (потактовым импульсам), а после окончания приема всех разрядов код в параллельной форме пересылается в РК и декодируется; регистр кода РК с ключами управления регистром кода КРК, который управляет работой ключей БЭ; блок эталонов БЭ аналогичный БЭ кодера. В результате декодирования кодовых посылок на нагрузке БЭ выделяется групповой АИМ сигнал.

 

 

Рис. 34. Структурная схема ЦАП аппаратуры типа ИКМ-12М.

 

Как в аппаратуре ИКМ-12М, так и в аппаратуре ИКМ-30 не производится перекодирование двоичного кода в какой-либо избыточный помехоустойчивый код. Поэтому данная аппаратура используется с каналами связи, не вносящими существенных сбоев (искажений) в передаваемый код. Удовлетворительное качество передачи соответствует интенсивности сбоев порядка 10^-6.

2. По каналам системы космической связи через ИСЗ. В СССР разработана аппаратура организации цифрового КЗВ (ЦКЗВ), предназначенная для передачи сигналов звукового вещания в цифровой форме методом ИКМ по системе космической связи (СКС) через приемно-передающие станции «Орбита». Данная аппаратура стыкуется с каналообразующей аппаратурой «Градиент-Н», предназначенной для передачи телефонных сигналов методом ЧРК через СКС «Орбита» [105]. Структурная схема аппаратуры «Градиент-Н» с комплексом ЦКЗВ изображена на рис. 35. В состав «Градиент-Н» входит комплекс индивидуального оборудования КИО и комплекс обществольного оборудования КОО. КИО предназначен для первичного объединения при передаче и оконечного выделения при приеме сигналов телефонных капало». КОО обеспечивает вторичное объединение информации, поступающей от КИО.

 

 

Рис. 35. Структурная схема аппаратуры «Градиент-Н» с комплексом ЦКЗВ.

 

Телефонные каналы в КИО объединяются в декады (десять каналов). Разнос между каналами по частоте 160 кГц. Разнос между декадами по частоте 1,6 МГц. Промежуточная частота декады 6 МГц. Полоса частот, занимаемая стволом 33,4 МГц. Следовательно, в стволе располагается 20 декад, что соответствует 200 телефонным каналам.

Комплекс аппаратуры ЦКЗВ осуществляет передачу информации каждого цифрового канала звукового вещания методом ИКМ вместо одной декады телефонных каналов с использованием вторичной относительно фазовой модуляции. В состав комплекса входят кодер К и декодер Д (сокращенно кодек); относительно фазовый модулятор - ОФМ и демодулятор ОФДМ.

Структурная схема кодера показана на рис. 36, а, декодера - на рис. 36, б. Для защиты от сбоев, искажающих кодовые посылки при их передаче по каналу связи, в кодере имеется блок помехоустойчивого кодирования БПК, а в декодере - корректор ошибок КО.

 

 

Рис. 36. Структурная схема:

а – кодера ЦКЗВ «Градиент»; б – декодера ЦКЗВ «Градиент».

 

3. Методом временного уплотнения телевизионного сигнала. При передаче телевизионных программ по протяженным каналам (особенно по каналам СКС) широко используется временное уплотнение видеосигналов сигналами дополнительной информации, в частности звуковыми. Такой метод увеличивает пропускную способность телевизионного (ТВ) канала, следовательно, отпадает необходимость организации отдельных каналов для передачи звуковых сигналов телевидения (ЗСТ). Кроме того, появляется возможность передачи программ звукового вещания и другой информации. Большинство систем временного уплотнения видеосигнала (СВУВ) строят по принципу ЦСП с ИКМ. Такие СВУВ могут передавать: сигналы одного или более каналов ЗСТ; сигналы звукового вещания высокого качества, в том числе стереовещание; сигналы комментаторских звуковых каналов; сигналы многоканальной телефонии; сигналы передачи данных и телеграфии; сигналы опознавания и управления звеньями ЦСП и ТВ.

При построении СВУВ используют два способа временного уплотнения: 1) строчных гасящих импульсов (СГИ) или строчных синхронизирующих импульсов (ССИ); 2) свободных строк кадрового гасящего импульса. Следовательно, дополнительные сигналы можно передавать только в ограниченном интервале времени, что требует введения в передающую и приемную аппаратуру буферных запоминающих устройств (БЗУ). В передающее БЗУ предварительно заносится передаваемая информация. Во время цикла передачи информация считывается из передающего БЗУ и записывается в приемное БЗУ с высокой скоростью, определяемой тактовой частотой передачи кодовых импульсов.

Обычно в ЦСП частоту дискретизации (f_д) выбирают кратной 8 кГц (f_д = 8 кГц является стандартной для телефонных каналов). Например, при кодировании звукового сигнала, соответствующего высшему классу качества (верхняя граничная частота Fв = 15 000 Гц), f_д = 32 кГц. В большинстве СВУВ f_д выбирают равной удвоенной частоте строк (31,25 кГц для системы ЦТВ SECAM и PAL и 31,469 кГц для NTSC). Это вызвано эксплуатационно-техническими удобствами, при этом устраняются возможные биения между гармониками строчной и дискретизирующей частот. Однако вследствие того, что выполнить канальные ФНЧ в кодере и декодере с высокой крутизной среза АЧХ не удается, приходится ограничивать верхнюю граничную частоту передаваемого звукового сигнала до Fд = 14 кГц. Снижение Fв находится в соответствии с нормами на параметры передачи высококачественного звукового вещания по линиям СКС стран - участниц Европейского союза радиовещания (ЕСР) [60].

Из-за малой длительности уплотняемого участка видеосигнала (например, СГИ от 4 до 8 мкс) приходится использовать импульсы малой длительности, а иногда применять многоуровневые коды и системы счисления с основанием, не равным 2. Однако при передаче коротких прямоугольных импульсов по ТВ каналу возникают искажения, ввиду того, что их спектр значительно шире полосы пропускания канала. Ограничение спектра приводит к возникновению переходных помех между отдельными импульсами (межсимвольной интерференции). Для устранения таких искажения форма импульсов должна соответствовать классу сигналов Найквиста (например, представлять собой синусквадратичные импульсы) [60]. С этой целью цифровой сигнал перед объединением с ТВ сигналом проходит через формирователь, представляющий собой фильтр, обеспечивающий формирование требуемой формы импульсов.

Основные характеристики различных СВУВ приведены в табл. 6. СВУВ типа SIS - сокращение слов «Sound-in-Syncs» -звук в синхроимпульсах - разработана корпорацией Би-би-си (ВВС, Англия). Принята в эксплуатацию в странах ЕСР. Система обеспечивает передачу одного канала ЗСТ методом временного уплотнения ССИ. Широкое распространение системы SIS обусловлено се простотой, удобством эксплуатации, небольшими габаритными размерами и высокой надежностью (наработка на отказ два-три  года).

Структурная схема системы SIS изображена на рис. 37. В состав передающего оборудования (рис. 37, а) входят звуковой процессор-кодер и блок временного уплотнения видеосигнала БУВ кодовыми группами импульсов, поступающих из кодера. Кодер включает блоки ПК, компрессор, КФ, АЦП, БС, выполняющие стандартные функции. Кроме того, содержит узел замешивания пилот-сигнала (для согласования характеристик компрессора и экспандера), состоящий из режекторного фильтра, смесителя и генератора пилот-сигнала ГПС; блок БЗУ, состоящий из двух 10-разрядных регистров (20 бит) для хранения кодовых слов, соответствующих двум отсчетам преобразуемого ЗСТ; формирователь кодовых импульсов (Ф sin²), представляющий собой фильтр, на выходе которого формируются импульсы синусквадратичной формы.

 

 

Рис. 37. Структурная схема системы SIS:

а - комплекс передающего оборудования; б - комплекс приемного оборудования.

 

В состав приемного оборудования (рис. 37, б) входит блок разделения видеосигналов и цифровых звуковых сигналов БРС, блок формирования стандартного видеосигнала БФВ и звуковой процессор (декодер). Декодер содержит следующие блоки: ЦАП, ИФ, экспандер, ВК, БС, выполняющие стандартные функции; БЗУ емкостью 22 бит; узел выделения пилот-сигнала, состоящий из узкополосного и режекторного фильтров и схемы выделения пилот-сигнала СВПС; анализатор (детектор) ошибок АО.

В системе SIS применено слоговое компандирование, заключающееся в том, что величина компрессии сигнала определяется не мгновенным значением сигнала, а зависит от огибающей сигнала. Для согласования характеристик компрессора и экспандера (степени компрессирования) служит пилот-сигнал, представляющий собой синусоиду строчной частоты (т. е, частоты fд/2 = 15,625 кГц), сфазированной таким образом, что ее амплитудные значения совпадают с импульсами дискретизации. Пилот-сигнал небольшой амплитуды смешивается со звуковым сигналом и затем такой суммарный сигнал обрабатывается компрессором. В декодере после ЦАП пилот-сигнал выделяется узкополосным фильтром и поступает на управление экспандером. Уровень выделенного пилот-сигнала характеризует степень необходимого экспандирования.

Для снижения шумов квантования (особенно на высоких частотах) в системе применено частотное предыскажение звукового сигнала в кодере - ПК с последующей коррекцией (восстановлением) в декодере - ВК. Форма АЧХ ПК соответствует кривой на рис. 29. При введении предыскажении компрессии в большей мере подвергаются высокочастотные составляющие звукового сигнала, на которых особенно заметны шумы квантования.

Передача цифровой информации производится в периоды (циклы) времени, совпадающие со строчными синхроимпульсами (т. е. со строчной частотой). Поэтому с каждым таким циклом необходимо передавать два отсчета сигнала, кодируемых 10 двоичными разрядами. Таким образом, в цикле содержится две кодовые посылки - 20 импульсов, к которым добавляется маркерный импульс, передаваемый в начале цикла. Маркерный импульс предназначен для синхронизации и контроля правильности принятого кода в декодере. Вся цикловая группа импульсов занимает интервал времени 3,82 мкс, т. е. расстояние между импульсами равно 173 нс. Форма импульса синусквадратичная. Она обеспечивает получение наиболее узкого импульса, спектр которого почти полностью совпадает с полосой частот видеоканала (порядка 5,5 МГц).

Временная диаграмма СГИ с уплотненным ССИ цифровой информацией ЗСТ для системы SIS изображена на рис. 38, а. В системе SIS приняты эффективные меры по снижению влияния искажений кодовых посылок (сбоев). В декодере анализатор ошибок контролирует приход маркерного импульса, т. е. наличие единицы в первой ячейке буферного регистра БР БЗУ и отсутствие единицы в последней 22 ячейке БР БЗУ. При выполнении этих условий осуществляется перезапись принятой информации в регистр хранения (РХ) БЗУ. При обнаружении ошибок в приеме кодовых групп вырабатывается сигнал, запрещающий перезапись принятой информации (20 бит) в регистр хранения, т. е. в нем сохраняется ранее принятый код, который поступает на ЦАП. Следовательно, на выходе декодера сохраняется предыдущий отсчет звукового сигнала (происходит повторение отсчета). Решение о наличии ошибки принимается в следующих случаях: маркерный импульс принимается с временной ошибкой относительно фронта синхроимпульса; во время цикла передачи принимается сигнал, уровень которого превышает отклонение 4 дБ от основания или вершины кодовых импульсов; за время, меньшее 10 строк, происходит более чем три повторения отсчета; отсутствуют синхроимпульсы видеосигнала; сигнал превышает на 4 дБ уровень белого или уровень синхроимпульса на время более 10 мкс в любом участке строки. Во всех этих случаях звуковой сигнал блокируется (не поступает на выход декодера). Блокировка снимается при устранении ошибок и восстановлении нормальных условий работы, но только в моменты времени, соответствующие переходу звукового сигнала через нуль. Это устраняет переходные помехи. Практически установлено, что прерывание звукового сигнала на время до 8-11 мс на слух незаметно.

Дальнейшие разработки СВУВ направлены на осуществление уплотнения видеосигнала возможно большим числом звуковых каналов (до четырех каналов звукового вещания высшего класса качества и нескольких телефонных каналов). В ФРГ разработаны три варианта СВУВ: SEL-I, SEL-II и TV-PCM6. Во всех этих системах ССИ укорочены до 1,5 мкс, что достаточно для надежной работы схем синхронизации, а освободившийся участок СГИ используют для временного уплотнения импульсами кода звуковых сигналов.

Временная диаграмма СГИ уплотненного ТВ сигнала для указанной системы SEL-I изображена на рис. 38, б. В системе SEL-I используется трехуровневый (троичный) код, импульсы которого принимают фиксированные значения: 10,55 и 100% от уровня белого. Тактовая частота и фаза кодовых импульсов равны частоте и фазе вспышки поднесущей цветности. При передаче кодовых импульсов вспышка подавляется, в результате временной интервал уплотнения увеличивается до 7,5 мкс. В. приемном оборудовании производится восстановление вспышки цветовой поднесущей.

 

 

Рис. 38. Временные диаграммы СГИ с уплотнением цифровой информации ЗСТ:

а - SIS сигнал; б - сигнал SEL-I; в - сигнал TV-PCM6.

 

Таблица 6

Технические характеристики	Система СВУВ (фирма, страна)
	SIS (BBC, Англия)	SEL-I (SEL, ФРГ)	SEL-II (SEL, ФРГ)	TV-PCM6 (SEL, ФРГ)	Опытная (NHK, Япония)	Опытная (ГДР)
Количество каналов х (полоса частот, кГц)	1 х (0,04-14)	2 х (0,04-15)	2 х (0,04-15) или 3 х (0,1-5)	2 х (0,04-15) или 7 х (0,1-15) или 1х(0,004-15) +3х(0,1-15)	2 х (0,04-13) или 4 х (0,1-6,5)	2 х (0,04-15) или 4 х (0,04-7) или 8 х (0,3-3,4)-для ТЛФ каналов
Кодирование	Линейное, аналоговое компандиро-вание, наличие ПК и ВК	Линейное	Линейное, цифровое компандиро-вание, наличие ПК и ВК	Линейное, цифровое компандиро-вание, наличие ПК и ВК	Линейное	Нелинейное, наличие ПК и ВК
Разрядность кодовой посылки на отсчет (бит/отсч) экв. без компрессии/ с компрессией	12/10	12	14/10	14/10	9	14/10
Код	Двоичный	Троичный	Двоичный	Двоичный	Троичный	Четырех-уровневый
Отношение сигнал/шум квантования, дБ	64	-	69	70	55	69,3 (65)
Тактовая частота передачи импульсов кода, МГц	5,78	4,43	8,86	8,86	3,58	5,5
Скорость передачи цифрового потока, Кбит/с	312,5	750	625	625	566,4	750
Время передачи группового цифрового сигнала, мкс	3,82	7,5	4,7	4,7	8	4,55
Уплотняемый участок видеосигнала	ССИ	СГИ	СГИ	СГИ	СГИ	СГИ
Системы цветного телевидения	SECAM, PAL, NTSC	PAL	PAL, SECAM	PAL, SECAM, NTSC	NTSC	SECAM, PAL, NTSC

 

Примечание. Во всех системах применяется ИКМ.

 

Кодирование звуковых сигналов осуществляется двоичным 12-разрядным кодом без предыскажений. Затем двоичные слова перекодируются в троичные (основание р=3). При этом скорость цифрового потока возрастает в 1,425 раза. В результате кодовая группа на СГИ содержит один маркерный импульс и 28 импульсов троичного кода, что позволяет передавать четыре отсчета высококачественных звуковых сигналов (по 7 импульсов на каждый отсчет). Основные недостатки системы SEL-I - сложность узлов аппаратуры регенерации вспышки поднесущей цветности и недостаточная точность кодирования. Поэтому были разработаны улучшенные варианты СВУВ: SEL-II и TV-PCM6, построенные по одному и тому же принципу.

Наиболее совершенной является система TV-PCM6, в которой допускается варьирование числом звуковых каналов различного качества (каждый звуковой канал высшего качества можно заменить тремя комментаторскими каналами с верхней граничной частотой 5 кГц, см. табл. 6).

В данной СВУВ цифровая информация ЗС кодируется и передается двоичным кодом, а вспышка поднесущей цветности укорочена на два периода (рис. 38, в). Кодовая группа содержит четыре отсчета по 10 импульсов (разрядов) и три импульса синхронизации и управления разделением каналов па приеме. Тактовая частота передачи импульсов равна удвоенной частоте вспышки, уровень импульсов 70-100% от уровня белого. Систему TV-PCM6 с небольшими изменениями можно применить для ТВ стандартов SECAM и NTSC.

4. Цифровые системы передачи сигналов телевидения. В ряде стран разработаны комплексы оборудования по передаче в цифровой форме сигналов телевидения: «Комплекс ИКМ» (СССР), РСМ-120 (Англия), РСМ-100М (Япония), Т-140 (Франция). Характеристики указанных систем приведены в табл. 7.

 

Таблица 7

Характеристика	Комплекс ИКМ (СССР)	РСМ-120 (Англия)	РСМ-ЮОМ (Япония)	Т-140 (Франция)
Количество ТВ каналов	1-4	1	1	3
Количество каналов ЗСТ (на один ТВ канал)	2	1	4	-
Длина ретрансляционного участка, км	3	2,2	3,5	2

 

Примечание. Во всех системах применяется ИКМ.

 

Основные параметры каналов передачи ЗСТ и ТВ сигналов

 

Канал ЗС

Тип модуляции………………………………...	ИКМ
Диапазон частот, Гц…………………………...	30 – 15 000
Частота дискретизации, Гц……………………	33 300
Неравномерность АЧХ, дБ……………………	От -0,9 до +0,2
Коэффициент гармоник, %................................	0,26
Защищенность по внятному переходному сигналу, дБ, не менее………………………….	79
Отношение напряжения сигнала к псофо-метрическому напряжению шума, дБ, не менее…………………………………………....	71
Разрядность двоичного кода одного канала…	12
Интенсивность сбоев в линейном тракте…….	6х10-9
Метод кодирования……………………………	Нелинейное кодирование с предыскажением

 

Канал ТВ

Тип модуляции………………………………...	ИКМ
Частота дискретизации, кГц…………………..	12 672
Неравномерность АЧХ, дБ……………………	0,25
Перекос вершины П-импульса, %:
f = 50 Гц……………………………………	-2
f = 15625 Гц………………………………..	-2
Время установления П-импульса, мкс……….	0,1
Величина выбросов на вершине П-им- пульса, %.............................................................	5
Различие уровня сигналов яркости и цветности, %.......................................................	1
Расхождение во времени сигналов яркости и цветности, не более……………………………	3,5
Отношение размаха сигнала к эффективному значению флуктуационной помехи, дБ, не менее………………………………………...	50
Разрядность двоичного кода………………….	8
Скорость суммарного (ТВ и ЗСТ) цифрового потока, Мбит/с…………………………………	114,048
Метод кодирования……………………………	Линейное кодирование

 

Комплекс ИКМ предназначен для передачи по коаксиальному кабелю типа КМГ-4 телевизионных сигналов цветного телевидения и сигналов режиссерской и служебной связи на расстояние до 40 км. Он может обеспечить передачу четырех каналов ТВ, восьми каналов ЗСТ (по 2 канала ЗСТ на один канал ТВ), 30 каналов режиссерской и служебной связи. Цифровые сигналы ТВ и ЗСТ передаются в виде группового цифрового потока со скоростью 114,048 Мбит/с, причем ЗСТ передаются в интервале времени, соответствующем импульсам строчной синхронизации ТВ сигнала. Ретрансляция цифровых сигналов осуществляется с помощью регенераторов. Номинальная длина ретрансляционного участка 3 км. Аппаратура режиссерской и служебной связи построена на базе ИКМ-30.