Файл: Лекция 11 марта 2012.doc

Наиболее важной особенностью цифрового способа передачи сигналов является возможность восстановления переданной импульсной последовательности после прохождения ее через среду, вносящую дисперсию и помехи. Импульсная последовательность восстанавливается с помощью регенераторов, размещаемых вдоль линии через некоторые интервалы. Сочетание кабельного участка и регенератора называют участком регенерации. Регенераторы выполняют три основные функции: корректирование формы принимаемых импульсов, хронирование (восстановление временных интервалов) и собственно регенерацию.

Это функциональное деление отражено на рисунке 5.1, где представлена структурная схема одного регенерационного участка.

Рисунок 5.1. Структурная схема участка регенерации

В данном случае предполагается, что импульсная последовательность на выходе предыдущего регенератора (точка 1 на рисунке) состоит из серии положительных и отрицательных импульсов и пробелов. Импульсы, появляющиеся на входе данного регенератора (точка 2), искажены как из-за передачи по кабелю, так и в результате воздействия помех. С помощью корректирующего усилителя исправляется форма импульсов и увеличиваются амплитуды импульсов до величин, обеспечивающих возможность принятия решения о наличии или отсутствии импульса. Окончательное восстановление импульсной последовательности производится с помощью операций хронирования и регенерации, осуществляемых одновременно. Регенерация импульса возможна только в тот момент времени, когда сумма амплитуд принимаемого импульса и помехи в точке 3 (точке решения регенератора ТРР) превышает уровень решения (порог) и когда сигнал на выходе канала выделения хронирующего сигнала (точка 4) имеет заданную амплитуду и полярность (момент решения). Хронирующий сигнал обеспечивает, во-первых, дискретизацию скорректированных импульсов в моменты времени, характеризующиеся максимальной величиной отношения сигнал/помеха, и, во-вторых, поддержание надлежащей расстановки импульсов во времени.

В идеальном случае восстановленная импульсная последовательность на выходе регенератора (точка 5) будет являться точной копией импульсной последовательности в точке 7. На практике восстановленная последовательность импульсов может отличаться от исходной. Во-первых, если помеха в момент решения имеет достаточно большую амплитуду, то может быть принято неправильное решение, в результате чего появится ошибка. Ошибки такого типа в декодированных аналоговых сигналах проявляются в виде шума. Во-вторых, интервалы между импульсами могут отличаться от их заданных значений, т.е. имеют место фазовые флуктуации положений импульсов. Эти флуктуации импульсов проявляются в аналоговых сигналах в виде помех дискретизации и увеличивают вероятность появления ошибки в последующих регенераторах. В третьих, импульсы могут отличаться друг от друга по форме, например, из-за неточности установки питающих напряжений импульсы разной полярности могут иметь разную амплитуду, что увеличивает вероятность появления ошибки в следующем регенераторе.

5.2. Помехоустойчивость регенератора

5.2.1. Виды помех и искажений

Качество передачи цифровых сигналов, прежде всего, определяется безошибочностью принятой информации. Ошибки на приеме возникают из-за помех, изменяющих форму сигнала так, что регенератор не может с достоверностью установить его истинное значение (в предельном случае - идентифицировать «1» и «0»).

На сигналы воздействуют помехи трех типов: линейные, собственные и интерференционные (межсимвольные). Межсимвольные помехи иногда называют межсимвольными искажениями.

Линейные помехи (помехи от линейных переходов) - результат воздействия параллельно работающих систем передачи. Их значение определяется переходными затуханиями в кабеле и количеством параллельно работающих систем передачи. Спектр этих помех неравномерен - близок к спектру линейного сигнала. В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) эти помехи практически отсутствуют.

Собственные помехи определяются свойствами корректирующего усилителя линейного регенератора, эти помехи имеют относительно равномерное спектральное распределение.

Интерференционные (межсимвольные) помехи возникают из-за линейных искажений в среде передачи, точнее из-за ограничения спектра передаваемого сигнала сверху (помехи I рода) и снизу (помехи II рода).

В ВОЛС межсимвольные помехи возникают в результате дисперсии. Различают межмодовую дисперсию, хроматическую, состоящую из материальной и волноводной, и поляризационную.

Рассмотрим механизм воздействия межсимвольных помех на примере передачи сигналов по кабелю с металлическими парами. Такие кабели являются распределенными системами и характеризуются четырьмя первичными параметрами (отнесенными к одному километру длины кабеля): сопротивлением проводов R, емкостью между проводами С, индуктивностью проводов L и проводимостью изоляции G. Для анализа в первом приближении достаточно учесть первые два параметра, в результате чего кабельный участок длиной l км моделируется простейшим фильтром нижних частот (рисунок 5.2, а) с постоянной времени τ_В=R_ЛC_Л, причем R_Л=IR и C_Л=IC. Тогда и_ВЫХ=и_ВХ(1-е^-^t^/τ^в). Форма прямоугольного импульса приобретает вид, показанный на рисунке 6.2,б. «Хвост» импульса является помехой для последующего. Эта межсимвольная помеха является помехой I рода.

Рисунок 5.2. Форма импульса при прохождении через ФНЧ

Если учесть все четыре параметра кабеля и то, что они распределенные, форма искаженного импульса оказывается близка к гауссовой, причем по мере увеличения длины кабельного участка растет τ_В и, следовательно, высота импульса становится меньше, а длительность больше (рисунок 6.3). Но в любом случае помехи I рода, определяемые небольшой постоянной τ_В, действуют лишь на ближайший импульс.

Рисунок 5.3. Влияние кабельного участка на форму прямоугольного импульса

Дисперсия в ВОЛС приводит к искажению импульсов, которые, как и в кабеле с металлическими жилами, приобретают форму, близкую к гауссовской.

На рисунке 5.4 показано взаимное влияние импульсов при искажениях I рода и наложение на эти импульсы флуктуационной помехи (степень затенения условно показывает плотность вероятности мгновенных значений помехи).

Рисунок 5.4. Сложение флуктуационных помех и межсимвольных помех I рода

Из рисунка 5.4 видно, что идентификация нулевого импульса (между двумя единичными) в этих условиях практически невозможна.

Помехи II рода в тракте определяются элементами, ограничивающими спектр сигнала снизу (образующими фильтр верхних частот ФВЧ). В кабелях с металлическими парами такими элементами являются прежде всего линейные трансформаторы. В ВОСП - аналогичную роль играют разделительные конденсаторы электрической части трактов. Для этих случаев тракт в первом приближении аппроксимируется дифференциальным звеном с параметрами τ_Н=(R_С+R_Н)·C_Р, если в тракте разделительный конденсатор, или τ_Н=L₁/(R_С||R_Н), если в тракт включен линейный трансформатор с индуктивностью первичной обмотки, равной L₁ (рисунок 5.5,а,б). В этих формулах R_С и R_Н сопротивления источника сигнала и нагрузки рассматриваемой цепи соответственно. Тогда и_ВЫХ=и_ВХ(1-е^-^t^/τ^в) и форма прямоугольного импульса приобретает вид, показанный на рис. 6.5,в. Поскольку τ_В<<τ_Н, искажения II рода гораздо опаснее, так как влияние данного импульса распространяется на многие последующие такты.

Рисунок 5.5. Форма импульса при прохождении через ФВЧ

На рисунке 5.6 показано влияние межсимвольных помех II рода на сигналы с высокой (рисунок 5.6,а) и низкой плотностью (рисунок 6.6,б) единиц. Очевидно, что при высокой плотности единиц происходит смещение импульсной последовательности вниз (постоянная составляющая сигнала подавляется). При этом вершины импульсов приближаются к порогу решения, и их идентификация становится затруднительной. Если плотность единиц в сигнале невелика, постоянная составляющая будет также мала и ее подавление не приведет к заметным искажениям.