Цифровая система связи

Предложенная цифровая система связи отличается от известных тем, что в нее введены на передающей стороне делитель полосы частот речевого сигнала (PC) в два раза, а на приемной стороне - удвоитель полосы частот в два раза, позволившие исключить нелинейные блоки: компрессор на передающей стороне и экспандер - на приемной стороне, и тем самым обеспечить модему нормальную передачу данных по аналоговому каналу. Для обеспечения необходимого качества переданной речи пришлось увеличить разрядность кодового слова цифрового сигнала (ЦС) с 8 до 14, отчего полоса частот ЦС и скорость его передачи остались меньше исходных.

Полезная модель (ПМ) относится к цифровым системам с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), используемой для передачи аналоговых речевых сигналов (PC).

Известны цифровые системы связи, описанные в источниках:

1. Патент РФ на ПМ 92586. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь сигналов / А.А.Волков, Г.В.Долганова, О.Е.Журавлев. Приоритет от 13.11.2009

2. Патент РФ на ПМ 102443. Многоканальный цифро-аналоговый преобразователь сигналов / А.А.Волков, Г.В.Долганова, О.Е.Журавлев. Приоритет от 20.10.2010

3. Нейман В.И. Системы и сети передачи данных на железнодорожном транспорте. - М.: Маршрут, 2005. - С.124-126.

По технической сущности наиболее близкой к ПМ является система ИКМ, АЦП которой описан в первом источнике, а ЦАП - во втором, которые по этой причине и принимаются за ее прототип. В третьем источнике описан аналог системы.

Прототип - система состоит на передающей стороне из источника аналогового речевого сигнала и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а на приемной стороне - из цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В состав АЦП входят последовательно включенные дискретизатор речевого сигнала по времени, компрессор, сжимающий уровни отсчетов, расширитель длительности отсчетов, кодер, преобразующий уровни отсчетов в двоичный цифровой сигнал. Основными блоками ЦАП являются декодер, экспандер на его выходе, который расширяет уровни восстановленных отсчетов до величины, обратной их сжатию в компрессоре. Компрессор и экспандер, называемые компандером, являются нелинейными устройствами.

Цифровой телефонный канал с такой нелинейной (логарифмической и обратно логарифмической) характеристикой пригоден для передачи речи, но, как сказано в [3], может серьезно снизить скорость передачи данных модема, который рассчитан на работу по аналоговому каналу.

Основным недостатком системы-прототипа является наличие в ней нелинейности - компрессора на передающей стороне и экспандера - на приемной, которые не позволяют вести нормальную работу модемам, передающим данные по аналоговому каналу. Непосредственное их исключение вызывает увеличение разрядности кодового слова ЦС с 8 до 13, отчего возрастает скорость передачи и полоса частот цифрового потока до неприемлемого значения.

Техническим результатом ПМ является снижение скорости передачи и сужение полосы частот цифрового потока при исключении компандера, что осуществляется с помощью введенных элементов и изменения связей в АЦП и ЦАП.

Сущность ПМ состоит в том, что в цифровую систему связи, состоящую на передающей стороне из источника аналогового речевого сигнала (PC), генератора импульсов, блока задержки по времени и последовательно соединенных дискретизатора сигнала, двухполупериодного выпрямителя сигналов, преобразователя модуляции АИМ-1 в АИМ-2, кодера, преобразователя параллельного кода в последовательный, усилителя сигналов, причем, первый вход преобразователя кода соединен с выходом дискретизатора, а генератор импульсов подключен к второму входу дискретизатора непосредственно и к второму входу преобразователя АИМ-1 в АИМ-2 через блок задержки по времени, а на приемной стороне - из последовательно соединенных усилителя, регенератора импульсов, преобразователя последовательного кода цифрового сигнала (ЦС) в параллельный, декодера, перемножителя сигналов, фильтра нижних частот, а также из получателя информации, причем, второй вход перемножителя сигналов соединен с первым выходом преобразователя кода, тактовый вход которого соединен со вторым входом регенератора импульсов, дополнительно введены на передающей стороне делитель в 2 раза полосы частот PC, через который подключаен источник PC к низкочастотному входу дискретизатора, а на приемной стороне - удвоитель полосы частот в 2 раза, через который подключается получатель информации к ФНЧ, причем, разрядность кодера и декодера увеличивается с 8 до 13, а преобразователей кода - с 8 до 14.

Существенным отличием ПМ являются введенные делитель и умножитель полосы частот в два раза и связи в АЦП и ЦАП, так как только они позволяют достичь указанный технический результат.

ПМ иллюстрируется чертежом.

На фиг.1 представлена структурная схема одноканальной ЦС, где обозначено:

1 - источник аналогового речевого сигнала (PC);

2 - делитель полосы частот PC в 2 раза;

3 - дискретизатор по времени (АИМ-1);

4 - генератор импульсов;

5 - двухполупериодный выпрямитель;

6 - преобразователь АИМ-1 в АИМ-2;

7 - блок временной задержки импульсов;

8 - кодер;

9 - преобразователь параллельного кода в последовательный;

10 - усилитель передатчика;

11 - линия связи;

12 - усилитель приемника;

13 - регенератор импульсов;

14 - преобразователь последовательного кода в параллельный;

15 - декодер;

16 - перемножитель сигналов;

17 - фильтр нижних частот (ФНЧ);

18 - удвоитель частоты PC;

19 - получатель информации.

Введенные элементы обведены пунктирными линиями.

Работа схемы происходит следующим образом.

На передающей стороне речевой сигнал (PC) b(t)=U(t)cos(t) с блока 1 поступает на вход блока 2, где полоса частот этого сигнала делится в 2 раза. С выхода блока 2 сигнал u ₂(t)=U(t)cos0,5(t) поступает на низкочастотный вход дискретизатора 3, на высокочастотный вход которого подаются с генератора 4 импульсы малой длительности, частота следования которых соответствует теореме Котельникова и равна 4 кГц. С выхода блока 3 разнополярные отсчеты преобразуются в однополярные в двухполуперионом выпрямителе 5, после чего поступают на вход блока 6, на второй вход которого подаются импульсы с генератора 4, задержанные в блоке 7 на длительность . В блоке 6 отсчеты малой длительности преобразуются в прямоугольные отсчеты длительности т без изменения их амплитуды, т.е. в блоке 6 модуляция АИМ-1 блока 3 преобразуется в модуляцию АИМ-2. С выхода блока 6 отсчеты PC поступают на вход кодера 8, преобразующего их амплитуду в цифровой сигнал с разрядностью параллельного кода n=13. Цифровой сигнал параллельного кода с блока 8 поступает на входы блока 9, начиная со второго и по 14-й. На первый вход блока 9 подаются отсчеты с дискретизатора 3 для записи их знака. Блок 9 преобразует 14-ти разрядный параллельный код ЦС в последовательный, после чего ЦС усиливается в блоке 10 и поступает в линию связи 11.

На приемной стороне сигнал с линии связи 11 поступает через усилитель 12 приемника на вход регенератора импульсов 13,а с его выхода - на информационный вход преобразователя 14 последовательного кода в параллельный. На тактовый вход блока 14 (регистра сдвига) поступают импульсы с блока 13. Выходы блока 14, начиная со второго и по 14-й подключены к входам декодера 15, преобразующего цифровой сигнал в последовательные отсчеты речевого сигнала одного знака (модуля), поступающие на один вход перемножителя 16. На драгой его вход подается импульс соответствующего знака для данного отсчета с первого выхода блока 14, в результате чего на выходе перемножителя 16 восстанавливается знак отсчета, поступающего на вход ФНЧ 17. На выходе этого ФНЧ имеет место аналоговый PC с разделенной в 2 раза полосой частот. Для восстановления полосы частот сигнал с ФНЧ 17 поступает на вход умножителя 18 полосы частот в 2 раза, после чего неискаженный принятый сигнал поступает получателю 19 информации.

Технико-экономическим эффектом ПМ является обеспечение возможности передачи данных по аналоговому каналу связи за счет исключения нелинейного блока - компандера, что возможно при наличии введенных делителя в 2 раза полосы частот на передающей стороне и умножителя в два раза полосы частот на приемной стороне при разрядности кодового слова 14, а не 8. Действительно, при наличии компандера и n=8, полоса частот ЦС f_ц=f_а·n=3,1·8=24,8 кГц, а скорость передачи R=8·8=64 кбит/с. А при отсутствии компандера и при наличии делителя полосы частот в два раза f_ц=0,5·f_а·14=21,72<4,8 кГц и R=4·14=56<64 кбит/с.

Цифровая система связи, состоящая на передающей стороне из источника аналогового речевого сигнала (PC), генератора импульсов, блока задержки по времени и последовательно соединенных дискретизатора сигнала, двухполупериодного выпрямителя сигналов, преобразователя модуляции АИМ-1 в АИМ-2, кодера, преобразователя параллельного кода в последовательный, усилителя сигналов, причем первый вход преобразователя кода соединен с выходом дискретизатора, а генератор импульсов подключен к второму входу дискретизатора непосредственно и к второму входу преобразователя АИМ-1 в АИМ-2 через блок задержки по времени, а на приемной стороне - из последовательно соединенных усилителя, регенератора импульсов, преобразователя последовательного кода цифрового сигнала (ЦС) в параллельный, декодера, перемножителя сигналов, фильтра нижних частот, а также из получателя информации, причем второй вход перемножителя сигналов соединен с первым выходом преобразователя кода, тактовый вход которого соединен со вторым выходом регенератора импульсов, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены на передающей стороне делитель в 2 раза полосы частот PC, через который подключен источник PC к низкочастотному входу дискретизатора, а на приемной стороне - удвоитель полосы частот в 2 раза, через который подключается получатель информации к ФНЧ, причем разрядность кодера и декодера увеличивается с 8 до 13, а преобразователей кода - с 8 до 14.