5.1. Формирование группового сигнала

Принцип чередования битов. Рассмотрим его на примере много-чои системы телеграфирования, предложенной в 1876 г. французским изобретателем Ж. Бодо.

Принцип использования телеграфной линии сразу несколькими аппаратами был довольно прост (рис. 5.1). На передающей и прием-ной станциях устанавливались абсолютно одинаковые устройства, их тали распределителями. Распределитель представлял собой круглый диск, на котором укреплялись неподвижные контакты - ламели, каждой ламели подключался свой телеграфный аппарат. Кроме неподвижных контактов, на диске имелся один подвижный (щетка), связанный с телеграфным проводом. Щетка приводилась в движение мотором. Вращаясь вокруг своей оси, она поочередно касалась каж-дой панели и таким путем соединяла подключенный к ламели теле графный аппарат с проводом. Каждому аппарату провод предостав­лялся периодически на короткое время - пока щетка скользила по ламели.

Рис. 5.1. Принцип многократного телеграфирования

Очевидно, связать передающий и приемный аппараты друг с дру­гом можно только тогда, когда щетки обоих распределителей одно­временно пройдут по ламелям, принадлежащим этим аппаратам. Чтобы не путаться, аппараты на передаче и приеме подключают к идентичным ламелям.

Главное здесь - вращение щеток распределителей с одной и той же скоростью. Начинать свое вращение они должны, конечно же, с одинаковых положений, например с первых ламелей. Если не выполнить последнее и, скажем, заставить передающую щетку на­чать движение с первой ламели, а приемную щетку - со второй, то аппарат 1 на передающей станции окажется связанным с аппара­том 2 на приемной станции, передающий аппарат 2-с приемным аппаратом 3 и т.д.

Вращение щеток с одной и той же скоростью называется синхрон­ным (от греческого - одновременный), а при совпадении их начальных положений еще и синфазным.

Обратите внимание, скорость передачи двоичных цифр в теле­графном проводе возросла, она стала больше той, которая имела бы место при подключении к проводу только одного передатчика и одно­го приемника (в примере на рис. 5.1 - в 4 раза).

Сколько телеграфных аппаратов можно подключить таким спо­собом к одному проводу или, иными словами, до какой степени можно «укорачивать» передаваемые импульсы? Это определяется несколь­кими факторами. Прежде всего тем, какой длительности импульсы способно зарегистрировать приемное устройство. Во времена Ж. Бо-до в приемниках телеграфных аппаратов использовались электро­магниты. Ясно, что эти электромеханические приборы не могли фик­сировать очень короткие импульсы, поэтому к проводу нельзя было подключать более 5...9 телеграфных аппаратов. Скорость передачи двоичных цифр в линии была невысока - 75...100 бит/с. Вот и успева­ли за минуту передать лишь 800...1200 букв или других знаков. Со­временные же электронные устройства регистрации умеют «ловить» чрезвычайно короткие импульсы, например такие, которые образуют­ся при скоростях в сотни мегабит в секунду.

Кроме того, для распространения по линии очень коротких импуль­сов (а это значит - передача высокоскоростная) она должна быть ши­рокополосной, скажем, такой, как спутниковая или оптическая. Нако­нец, когда с линией соединено очень много аппаратов, механические распределители не будут успевать «обслуживать» их. Нужны быстро­действующие «электронные щетки». Вернемся теперь к принципу объединения цифровых потоков. Он достаточно прост: сначала передается бит одного потока, затем следующего потока и так до тех пор, пока не будут пропущены в линию по одному биту каждого потока. Затем все повторяется сначала. Этот принцип уместно назвать чере-дованием битов.

Мультиплексирование первичных цифровых потоков. Ж. Бодо организовал для каждой пары телеграфных аппаратов свой канал свя-зи.На рис. 5.1 таких каналов четыре. Канал не существует постоянно: связь между аппаратами периодически прерывается. Канал возникает ко в строго определенные, отведенные для данной пары аппара-тов, промежутки времени, которые так и называют «канальные».

Попробуем реализовать идею Ж. Бодо - передачу по одной линии связи потоков цифр от нескольких телеграфных аппаратов - на основе современных технических средств (рис. 5.2).

Прежде всего для организации каналов нам потребуются «электронные щетки», которые будут подключать по очереди телеграфные Фаты к линии. Подобные устройства выпускаются промышленностью, и мы можем воспользоваться готовыми изделиями. Это - мультиплексоры. Выполняются они в виде микросхем, а их функции – как раз те, что заложены в механических распределениях Бодо: подключать то или иное из соединенных с его входами устройств к общему выходу. Поэтому в корпусе микросхемы предусмотрены ножки, которые являются входными шинами {в зависимости от типа микросхемы число этих ножек может быть разным), и одна ножка - выходная шина.

Но иметь мультиплексоры - еще полдела. Образно говоря, они подобны помещению с несколькими входными дверями и одной вы ходной. Кто-то еще должен открывать двери. В распределителе Бодо эту «миссию» брал на себя мотор - он «вел» щетку по ламелям. В мультиплексоре этим занимаются специальные управляющие им­пульсы. Они-то и приоткрывают на миг каждую его «входную дверь», пропуская «томящийся» за ней импульс.

Система управления мультиплексором заслуживает того, чтобы немного на ней задержаться. Для подачи управляющих импульсов в корпусе микросхемы предусмотрены дополнительные ножки. Управление «дверями» осуществляется двоичным кодом, и для каж­дого разряда нужна своя ножка.

Представьте, что мультиплексор имеет четыре входа. Тогда для перебора всех входов достаточно использовать 2-разрядный двоич­ный код, дающий четыре комбинации цифр: 00, 01, 10, 11, и, значит, для организации управляющих шин в корпусе нужны всего две до­полнительные ножки - по числу разрядов. Соединение аппаратов с линией происходит по очень простому правилу. На управляющих шинах комбинация 00 - к выходу мультиплексора подключен его первый вход, комбинация 01 - подключен только второй вход, ком­бинация сменилась на 10 - только третий вход и, наконец, при ком­бинации 11 - подключен только четвертый вход. Если входов не че­тыре, а восемь, для управления достаточно иметь три двоичных разряда, в случае 16 входов- четыре разряда, а для 32 входов -всего пять разрядов.

Промышленностью выпускаются самые разнообразные двоичные счетчики. Все они «умеют» считать двоичные числа: одни - от 0 до 3, другие - от 0 до 7, третьи - от 0 до 15 и т.д. Счетчик «называет» следующую цифру только при получении разрешения. Это делает еще одна, третья по счету, микросхема - тактовый генератор, кото­рый такт за тактом выдает один за одним импульсы, «разрешаю­щие» счет.

«Электронные щетки» на приемной станции не отличаются от сво­их собратьев, «работающих на передачу»: они аналогичным путем подключают линию поочередно к приемным аппаратам. Только назы­вают их демультиплексором, подчеркивая приставкой «де» обратную по сравнению с мультиплексором функцию: не аппараты - к линии, а линию - к аппаратам. В качестве линии связи выберем самую со­временную - одно из волокон в оптическом кабеле связи. Ввести в него луч света проще всего с помощью светодиода, а управлять его светопотоком будут сами передаваемые импульсы: есть импульс на выходе мультиплексора - светодиод излучает свет, нет импульса - и светодиод «молчит». Проект готов - с помощью современного обору­дования организовано четыре канала для передачи цифровых пото­ков между телеграфными аппаратами.

Таким путем можно создавать каналы не только для телеграфных сообщений. В схеме ничего не изменится, если вместо них на входы мультиплексора будут поступать двоичные импульсы, например, речевых сигналов. Правда, скорости цифровых потоков при разговорной речи в сотни раз выше, чем при телеграфировании, и это требует более частого открывания «дверей» мультиплексора. Но данная проблема решается довольно просто: нужно только повысить в соответствующее число раз частоту следования импульсов тактового генератора.

Принцип чередования кодовых комбинаций. Можно подать в линию целиком кодовую комбинацию буквы текста или элемента изображения, или отсчета микрофонного тока (смотря, что передается -текст,изображение или речь), взяв ее из первого потока, следом вы-пустить в линию аналогичную кодовую комбинацию из второго потока, затем-из третьего и т.д. Иногда бывает важно сохранить, не разбивая двоичный код элемента сообщения. Такое объединение потоков следовало бы назвать чередованием кодовых комбинаций.

Последний принцип также не нов. Его применил в одном из своих телеграфных аппаратов Ж. Бодо (рис. 5.3). Используемый для этих и распределитель состоял уже не из сплошных ламелей, а поде-ленных,1Х на пять сегментов каждая - по числу разрядов в кодовой ком-бинации (в коде Бодо каждая буква телеграфного текста кодировалась пятью двоичными символами). Щетка распределителя, скользя сегментам первой ламели, «считывала» в линию целиком кодовую комбинацию с первого телеграфного аппарата. При движении щетки сегментам второй ламели в линию «шла» буква от второго аппарата. И так до последней ламели.

Код буквы появлялся одновременно на всех сегментах. В первых аппаратах Бодо телеграфисты кодировали текст непосредственно во время передачи. Для этого на передатчике имелись пять клавиш (по сути, пять телеграфных ключей). Нажимая их в нужной комбинации, сразу получали код буквы. Каждая клавиша (или ключ) была подклю­чена к своему сегменту. Таким образом, кодовая комбинация появля­лась на всех сегментах одновременно. Весьма важно нажать на кла­виши как раз в то время, когда щетка подойдет к ламели данного те­леграфного аппарата. Для этого в нужный момент раздавался акусти­ческий сигнал, и только тогда телеграфист нажимал клавиши. Специ­альная блокировка удерживала их в этом положении до конца пере­дачи комбинации.

По принципу чередования кодовых комбинаций можно объединить поток и с помощью мультиплексоров. В этом случае очередная «дверь» мультиплексора должна оставаться открытой до тех пор, по­ка не будет передана вся кодовая комбинация. Правда, аппаратуру придется сделать сложнее. Поскольку биты из каждого цифрового потока поступают на входы мультиплексора непрерывно, то в каждом канале потребуется устройство памяти (запоминающее устройство -ЗУ), в котором биты кодовой информации будут накапливаться и ждать, когда для них откроются «двери» мультиплексора. Итак, пока код буквы, т.е. группа 0 и 1, одного из потоков пропускается через мультиплексор в линию, коды букв других потоков записываются в свои ЗУ.

Давайте представим, что нам поручили спроектировать цифровую систему передачи речевых сообщений (например, телефонных) по одной линии связи, причем тип линии для нас сейчас не важен. Вспомнив, что речевое сообщение нужно сначала перекодировать в последовательность 0 и 1, подключим к выходу каждого телефонно­го аппарата АЦП (рис. 5.4).

Разрядность АЦП, мы уже знаем, нужно выбрать равной 8. Для существования принципа чередования кодо­вых комбинаций осталось добавить в каждом канале ЗУ. Остальная часть многоканального передатчика нам хорошо знакома: это мультиплексор (М), счетчик (Сч) и генератор тактовых импульсов (ГТИ). Приемник многоканальной системы передачи отличается только тем, что вместо АЦП используются ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи вместо мультиплексора - демультиплексор. Проект готов.

На рис. 5.5 показано мультиплексирование двух цифровых потоков по принципу чередования байтов.

Не кажется ли вам, что система получилась довольно сложной? каналов может быть не два и не четыре, а, скажем, 30. Между тем существует более простое решение. Оно уже было воплощено в первых разработках ИКМ-систем.

Замену непрерывного тока кодированной комбинацией импульсов назвали импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), поэтому цифровые системы передачи во всем мире называют еще системами передачи импульсно-кодовой модуляцией, или ИКМ-системами.

Разработка техники ИКМ началась в европейских странах, но раз­разившаяся в 1939 г. Вторая мировая война прервала этот процесс, центр научных исследований переместился в Америку. В 1947 г. ученые лабораторий фирмы «Bell» опубликовали первые сообщения о полностью работоспособной системе с ИКМ. Однако до широкого внедрения цифровых систем передачи оставалось еще около 15 лет. т задержка объяснялась тем, что не была готова соответствую-щая элементная база, в частности отсутствовал подходящий мало-мощный переключающий прибор. В то время в качестве переклю-чающих элементов могли использоваться электронные лампы, но они отличались большими габаритами, малой надежностью, большой по-требляемой мощностью. В результате аппаратура с ИКМ на основе технологии 1947 г. была громоздкой, ненадежной, сильно нагрева-лась. В действительности ключевое изобретение, изменившее данное положение, было сделано в тех же исследовательских лабораториях приблизительно в то же время, когда была создана первая ИКМ-система. Это было изобретение транзистора. Для его разработки по­требовалось еще 10 лет. К 1957 г. был получен почти идеальный коммутирующий прибор: небольшой, очень быстродействующий, на­дежный и потребляющий незначительную энергию. Через пять лет после этого, в 1962 г., появилась первая коммерческая система пере­дачи ИКМ-24, основная конструкция которой была очень похожа на первоначальную, предложенную 15 лет назад. Система оказалась очень удачной и нашла широкое применение. Цифра 24 указывает на число каналов в этой аппаратуре. После объединения 24 исходных потоков скорость цифрового потока на выходе системы составляла 1,544 Мбит/с.

Городские телефонные кабели пригодны для передачи цифровой информации со скоростью около 2 Мбит/с. При более высоких скоро­стях между парами кабеля возникают электромагнитные влияния. В американской системе возможности кабеля использованы не до конца. Поэтому в 1968 г. Франция вышла с предложением в междуна­родный комитет унифицировать ИКМ-системы на базе цифровой сис­темы передачи ИКМ-30, содержащей 30 каналов и имеющей скорость объединенного потока 2,048 Мбит/с. Теперь возможности городских кабелей использовались полнее.

Вообразите, что выходы телефонных аппаратов подключены ко входам мультиплексора (рис. 5.6). Тогда в результате «открывания дверей» на выход мультиплексора будут поочередно проходить отсчеты непрерывной речи (точнее, непрерывного микрофонного тока). Теперь поставьте сразу же за мультиплексором АЦП - он будет превращать их в последовательность двоичных цифр, т.е. 0 и 1. Открыты первые «двери» - в линию «пошла» кодовая комби­нация отсчета речи в первом канале, распахнулись вторые - в ли­нии код отсчета второго канала. Когда будут переданы коды первых отсчетов всех каналов, наступит очередь вторых отсчетов, после них третьих и т.д.

Рис. 5.6. Цифровая система передачи речевых сообщений

Таким образом, один АЦП обслуживает по очереди все каналы. На приемном конце используется общий ЦАП, а восстановленные отсче-ты распределяются по своим каналам. И не нужно иметь АЦП и ЦАП в каждом канале, не нужны и ЗУ. Система передачи стала простой.