6.3. Регенерация цифровых сигналов

Изменения формы импульсов при прохождении их по линии связи называются искажениями. Как только появилась первая линия связи (телеграфный провод), так сразу перед связистами встала задача -направить все свои силы на борьбу с искажениями, которые есть всегда. Не существует такой линии связи, которая не вносила бы искажений в передачу информации (рис. 5.10). Правда, чем короче линия тем эти искажения менее заметны. Искажения ограничивают дальность связи и иногда весьма существенно, поскольку на приеме из-за них бывает очень трудно определить, какая информация пе-редавалась.

Одним из основных преимуществ цифровых систем передачи яв-ляется возможность восстановления (регенерации) импульсных сиг-налов. Регенерация линейного сигнала осуществляется регенераторами.

Рис. 5.10. Искажения цифрового сигнала при передаче по линии связи

Рис. 5.11. Восстановление (регенерация) искаженного цифрового сигнала

Если поступивший из линии сигнал превышает установленный по­роговый уровень - передана 1, ниже порогового уровня - передан 0. Это правило очень простое и легко реализуется с помощью микро­схем (их назвали компараторами), сравнивающих два сигнала, один из которых поступает из линии, а другой является эталоном, или опорным, и играет роль порога. При превышении порога на выходе компаратора появляется импульс, свидетельствующий о том, что принято решение: передана 1. В противном случае на его выходе ни­чего нет - молчаливое свидетельство того, что передан 0 (рис. 5.11).

Вот только какой «высоты» этот порог устанавливать? Если не­большой, то компаратор будет уверенно обнаруживать каждый пере­данный импульс, даже очень сильно «изъеденный» помехой (при ус­ловии, конечно, что он не исчез совсем). Но зато при этом нет никакой гарантии, что из-за частого превышения шумом невысокого порога не будут пропущены те моменты, когда передавались нули, и следова­тельно, импульсы в линии отсутствовали. Наоборот, если пороговую «планку» поднять очень высоко, то компаратор не пропустит почти ни одного 0 (кроме тех редких случаев, когда шум будет очень большим). Но вместе с тем он не будет «замечать» большое число импульсов, амплитуды которых уменьшились из-за воздействия помех и оказа­лись ниже порогового уровня. На рис. 5.12, показано влияние величи­ны порога на вероятность ошибочных решений. С увеличением поро­гового значения растет вероятность пропуска 1, но одновременно уменьшается вероятность пропуска 0. Пересечение этих кривых - вот «соломоново решение»! При пороговом значении, равном как раз по­ловине высоты импульса, риск пропустить ту или другую цифру (0 или 1)одинаковый.

Итак, компаратор принимает решение о том, какой символ был пе­редан, путем сравнивания амплитуды входного сигнала с эталонным значением - порогом. Все то время, в течение которого сигнал по вы­соте превышает порог, на выходе компаратора существует импульс, сигнализирующий об этом превышении.

Рис. 5.12. Влияние величины порога на вероятность ошибочных решений

Но нужно ли проводить такое сравнение непрерывно? Очевидно, нет, тем более что компаратор будет выдавать импульсы неодинаковой длительности. (В этом легко убедиться, проведя на рисунке, изображающем искаженный сигнал, горизонтальную черту - порог: все превышения этого порога имеют разную длительность.) Поэтому поступают так: через равные промежутки времени - тактовые интервалы - на компаратор поступает команда «произвести сравнение!» Кто дает такие указания, вы знаете - система синхронизации. Значит, опять нужны тактовые импульсы. Эти импульсы выделяют из цифрового потока тем способом, который мы уже описывали ранее.

Восстановление длительности импульсов осуществляется мультивибратором. Описанная процедура восстановления цифровых сигналов называется регенерацией (от позднелатинского regeneratio - возрождение, возобновление), а устройство, выполняющее эти функ-

ции,- регенератором. Как мы видели, регенератор включает в себя схемы: принятия решения, формирования импульсов, выделение тактовой частоты. Регенераторами снабжаются все цифровые системы передачи, работающие по электрическим и оптическим кабелям, радиорелейным и спутниковым стволам. На радиорелейных линиях связи регенераторы размещаются вместе с приемной аппаратурой на промежуточных и оконечных башнях (или мачтах), а на спутниковых линиях - на самом спутнике и на приемных земных станциях. А вот на кабельных магистралях их даже закапывают в землю, т.е. на этих линиях регенераторов ставят так много, что их приходится «врезать» прямо в кабель, лежащий в земле.

Как часто следует включать в телефонный кабель регенераторы? Очевидно, это зависит от того, какую вероятность ошибки можно до­ить при приеме цифровой информации. Вот как определяется допустимая вероятность ошибки при передаче цифровым способом речи. Дело в том, что ошибки, допущенные при восстановлении циф­рового сигнала, весьма своеобразно сказываются на телефонном разговоре: абонент слышит неприятные щелчки в телефоне. По су­ществующим международным нормам удовлетворительным призна­ется такое качество передачи речевого сигнала, когда абонентом прослушивается не более одного щелчка в минуту. Но, что удиви­тельно, далеко не каждая ошибка при приеме символов цифрового потока приводит к щелчкам. Некоторые символы могут быть непра­вильно восстановлены регенератором практически «безнаказанно»! Чтобы понять причину этого явления, давайте вспомним, как проис­ходит процесс преобразования телефонного сигнала в цифровой. В аналого-цифровом преобразователе (АЦП) непрерывный телефон­ный сигнал превращается в последовательность отсчетов (в секунду их берется 8000), кодируемых в виде 8-разрядной комбинации двоич­ных цифр 0 и 1 .

Пусть кодовая комбинация одного из отсчетов имеет вид 00111100. Если принять, что «цена» младшего разряда составляет 1 мА, то нетрудно подсчитать, какой «высоте» аналогового отсчета соответствует эта комбинация:

0 x 2⁷ + 0 x 2⁶ + 1 x 2⁵ + 1 x 2⁴ + 1 x 2³ + 1 x 2² + 0 x 2¹ + 0 x 2⁰ = 60 мА.

И еще представьте себе, что все ближайшие отсчеты слева и справа от этого имеют примерно такую же «высоту» (это напоминает ситуацию, когда певец тянет одну ноту). Такое предположение позво­ляет нам отчетливее увидеть действие помех на речь.

Будем считать, что ошибка произошла в старшем разряде кодовой комбинации: вместо 00111100 восстановлена последовательность 10111100. Это значит, что вместо отсчета в 60 мА в цифро-аналого­вом преобразователе (ЦАП) будет восстановлен отсчет телефонного сигнала «высотой»

1 x 2⁷ + 0 x 2⁶ + 1 x 2⁵ + 1 x 2⁴ + 1 x 2³ + 1 x 2² + 0 x 2¹ + 0 x 2⁰ = 188 мА.

Если все остальные отсчеты слева и справа декодированы пра­вильно и равны, как мы договорились, по 60 мА, то создается впечат­ление, что на переданный аналоговый сигнал как бы наложился узкий импульс тока величиной 128 мА. Вот этот-то импульс и вызовет про­слушивание щелчка в телефоне абонента! А если ошибка произойдет в последнем разряде кодовой комбинации? Тогда после декодирова­ния будет получен отсчет величиной 61 мА. Такое мизерное измене­ние амплитуды сигнала (менее 2%) совершенно неразличимо на слух.

Таким образом, ошибки в восстановлении различных символов в кодовых комбинациях речевого сигнала по-разному воспринимаются на слух. Экспериментально установлено, что заметные щелчки возникают при неверном приеме только двух старших разрядов кодовой комбинации. Теперь мы сможем подсчитать допустимую вероятность ошибки Напомним, что по нормам допускается не более одного щелчка в минуту. Это означает, что в течении 1 мин разрешается принять с ошибкой либо один символ старшего разряда какой-либо одной кодовой комбинации, либо один символ, следующий по старшинству. За секунду в цифровом канале передается 8000 кодовых комбинаций.

А за минуту? Естественно, 8000 x 60 = 480 000. В этих кодовых комбинациях «опасными» с точки зрения порождения щелчков являются 400 000 2 = 960 000 старших разрядов. Если считать, что оба старших имвола могут вызывать щелчки в равной степени, то следует

обеспечить вероятность ошибки не более чем 1/960 000 ≈ 10^-6.

Число регенераторов на магистрали может достигать нескольких сотен. И в каждом из них компаратор может ошибиться и принять неверное решение. Если ориентироваться на самый худший случай, то можно подсчитать вероятность того, что ошибки появятся на выходах

всех регенераторов одновременно. Эта вероятность равна сумме вероятностей ошибок в отдельных регенераторах. Допустимая вероятность ошибки для одного регенератора (если, например, их число равно 100, а вероятность ошибки для всех регенераторов не должна превышать 10^-6) будет в 100 раз жестче: 10^-8. Допускается одна ошибка на 100 млн. символов!

Чтобы обеспечить такое высокое качество «диагностики» искаженных помехами и шумами импульсов, приходится включать регенераторы на городских телефонных кабелях, где и сигнал ослабляется сильнее, и помех побольше, через 2...3 км. На магистралях из коаксиальных кабелей, а они ослабляют сигнал в меньшей степени и защищены от помех лучше, регенераторы ставятся реже - через 5 км.