Цифровая система связи

Предложена цифровая система связи, которая отличается от ИКМ-30 тем, что в каждый ее канал введены на передающей стороне делитель в 2 раза полосы частот речевого сигнала, управляемый слоговый компрессор, которые последовательно соединяют выход микрофонного усилителя и дискретизатор, а на приемной стороне - удвоитель полосы частот речевого сигнала, управляемый слоговый экспандер, которые последовательно подключены ко входу делителя звуковой частоты. Это позволяет уменьшить колебание отношения мощностей сигнал -шум квантования с 8 дБ до 2 дБ, увеличить частотную эффективность практически в 2 раза, увеличить коэффициент использования кода свыше 80%.

Полезная модель относится к области радиотехники, а именно к цифровым системам радио- и проводной связи. Известны цифровые системы связи, например:

1. Шмытинский В.В., Котов В.К., Здоровцов И.А.

Цифровые системы передачи информации на железнодорожной дороге.

Транспорт. - М: Транспорт, 1995.

2. Быков С.Ф., Журавлев В.И., Шалимов И.А. Цифровая телефония. - М: Радио и связь, 2003.

По технической сущности наиболее близкой к предлагаемой модели является тридцатиканальная система ИКМ-30, описанная в [1], которая по этой причине и принимается за прототип.

Прототип состоит на передающей стороне для каждого канала из последовательно соединенных микрофона, микрофонного усилителя, дискретизатора, расширителя импульсов, кодера, включающего в себя компрессор (сжиматель) уровня отсчетов, квантователь уровня компрессированных отсчетов и непосредственно кодера, записывающего уровни каждого отсчета в двоичной системе счисления, а на приемной стороне - из последовательно соединенных регенератора импульсов, декодера, усилителя звуковой частоты.

В прототипе на передающей стороне операции компрессии, квантования и кодирования совмещены в кодере, точно так же, как обратные операции совмещены в декодере на приемной стороне.

Это совмещение имеет место за счет того, что используется нелинейная характеристика квантования, представляющая собой квазилогарифмическую зависимость. Она получена путем замены плавной логарифмической кривой ломаной линией, состоящей из 16 прямолинейных отрезков - по 8 сегментов для положительной и отрицательной области. Характеристика деквантователя на приемной стороне является обратной характеристике квантователя на передающей стороне.

Процесс, обратный компрессии (сжатию), называется экспандированием (расширением). Компрессия и экспандирование называются объединенным словом - компандирование.

Компанцирование в [1] является мгновенным. Оно позволило снизить изменение отношения мощностей сигнал - шум квантования до 8 дБ, что недостаточно.

В прототипе для записи отсчета используется следующая структура 8-разрядного кода: первый разряд несет информацию о знаке отсчета, три следующих разряда (2-4) определяют номер сегмента, в пределах которого находится отсчет, а остальные 4 разряда (5-8) соответствуют интервалу

линейного кодирования в пределах данного сегмента, содержащего 2⁴=16 уровней. Это значит, что для кодирования отсчета в [1] используется только 2 ³+2⁴=24 уровня из 2 ⁷=128 возможных, что составляет менее 20% (24/128=0,18750,19). Так что разряды кодового слова используются в прототипе очень неэффективно.

Основным недостатком прототипа является относительно высокий уровень колебания отношения мощностей сигнала и шума квантования, низкий коэффициент использования кода.

Техническим результатом модели является снижение изменения отношения мощностей сигнал - шум квантования, повышение эффективности использования 8-разрядного кода, повышение частотной эффективности системы за счет введения управляемого слогового компандирования, сжатия на передающей стороне и расширения в 2 раза полосы частот речевого сигнала на приемной стороне.

Сущность полезной модели состоит в том, что в прототип, состоящий на передающей стороне из последовательно включенных микрофона, микрофонного усилителя, дискретизатора, мгновенного компрессора, квантователя, кодера введены управляемый слоговый компрессор, делитель в 2 раза полосы частот аналогового речевого сигнала, а на приемной стороне в прототип, состоящий из последовательно соединенных регенератора импульсов, мгновенного экспандера, декодера введены удвоитель полосы частот речевого сигнала, управляемый аналоговый экспандер.

Существенным отличием полезной модели является введение указанных элементов и их связей, т.к. только они позволяют уменьшить колебание отношения мощностей сигнал - шум квантования (Р_С/Р_ШКВ), увеличить эффективность использования 8-разрядного кода, увеличить частотную эффективность. Управляемому слоговому компандированию на 45 дБ подвергается весь аналоговый сигнал, а не часть его (и на величину «45 дБ) как в прототипе, отчего Рс/Рщкв стабилизируется на уровне 2 дБ вместо 8 дБ.

При этом 8-разрядный код используется на 100% вместо 19% в прототипе, а кодирование - линейное, что упрощает аппаратуру. За счет деления в 2 раза полосы частот речевого сигнала практически в 2 раза увеличивается частотная эффективность.

На фиг.1 представлена структурная схема передатчика, а на фиг.2 - приемника предлагаемой цифровой системы связи. Система связи на передающей стороне состоит из:

1 - микрофона, 2 - микрофонного усилителя, 3 - автогенератора вспомогательной несущей, 4 - формирователя однополосного сигнала (ФОС), 5 - делителя частоты в 2 раза, 6 - усилителя, 7 - компрессора, 8 - детектора огибающей слогов, 9 - делителя полосы частот речевого сигнала, 10 - частотно-модулированного автогенератора (ЧМТ), 11 - когерентного детектора, 12 - сумматора, 13 - дискретизатора, 14 - квантователя по уровню, 15 - кодера, 16 - передатчика, а на приемной стороне:

17 - приемника, 18 - регенератора, 19 - декодера, 20 - ФНЧ, 21 - фильтра компрессированного речевого сигнала, 22 - фильтра ЧМ-колебания огибающей слогов, 23 - ФОС, 24 - автогенератора, 25 - частотного детектора, 26, 27 - удвоителя частоты, 28 - экспандера, 29 - когерентного детектора, 30 - усилителя звуковых частот, 31 - телефона. Введенные элементы обозначены пунктирными линиями.

Работа системы связи происходит следующим образом.

На передающей стороне речевой сигнал b(t)=U(t)co(t}, где U(t), (t)- его огибающие и фаза, с микрофона 1 после усиления в блоке 2 поступает на один вход 4, на другой вход которого подается колебание вспомогательной несущей частоты с генератора 3. С выхода блока 4 однополосное колебание U₀(t)=0,5U(i)cos[t+(t)] поступает через усилитель 6 на один вход компрессора 7 непосредственно и на другой его вход - через детектор огибающей 8. Фильтр нижних частот этого детектора, выделяющий слоговую огибающую, имеет большую постоянную времени 20 мс, отчего такой компрессор является инерционным. В компрессоре 7 уровень однополосного сигнала сжимается по закону огибающей слогов, после чего этот сигнал поступает на вход делителя полосы частот 9. С выхода 9 компрессированный по уровню и разделенный в 2 раза по полосе частот однополосный сигнал U _к(t)=U_кcos0,5[t+(t)] подается на информационный ход когерентного детектора 11, состоящий из перемножителя сигналов и ФНЧ на его выходе. На опорный вход 11 поступает гармоническое колебание с генератора 3 через делитель частоты 5 в 2 раза. На выходе перемножителя 11 напряжения U_ПКД(t)=U _ДП(t)U_ДЧ(t)=U_к cos0,5[t+(t)]U_Гcos0,5t=0,5U_ГU_кcos0,5(t)+0,5 U_ГU_к cos[t+0,5(t)]

На выходе ФНЧ блока 11 будет только первое слагаемое этого выражения - компенсированный PC с разделенной пополам полосой частот, который поступает на один вход сумматора 12.

С выхода 8 слоговая огибающая модулирует по частоте колебание поднесущей частоты в блоке 10, с выхода которого ЧМ колебание U _ЧМ(t)=U[_nt+mcos₁(t)] подается на другой вход сумматора 12.

Результирующий сигнал с выхода 12 поступает на НЧ вход передатчика, после чего излучается антенной А _пер в эфир.

На приемной стороне (фиг.2) суммарный сигнал

U(t)=U_кcos0,5(t)+Ucos[_nt+mcos₁(t)], где - коэффициент пропорциональности, с выхода приемника ПРМ расфильтровывается: фильтр 20 выделяет компрессированный PC, а фильтр 21 - ЧМ колебание, несущее слоговую огибающую.

По компрессированному PC опять формируется ОБП AM колебание U ₀= U_кcos0,5[t+(t)] в блоке 22 на вспомогательной несущей с генератора 23. Частота этого ОБП AM сигнала удваивается в блоке 25, после чего он поступает на информационный вход экспандера 27. Необходимость

сигнала ОБП AM определяется минимизацией его нелинейных искажений в экспандере.

С выхода 21 ЧМ колебание детектируется по частоте в блоке 24, на выходе которого имеет место непосредственно огибающая слогов u_осл(t), поступающая на управляющий вход экспандера 27. По ней восстанавливается огибающая однополосного сигнала U₀(t), после чего последний поступает на информационный вход 28, на опорный вход которого подается колебание с генератора 23 через удвоитель частоты 26. На выходе 28 имеет место переданный PC b(t)=U(t)cos(t), который после усиления в 29 поступает в телефон 30, преобразующий его в звуковые волны.

Точные расчеты показывают, что выигрыш в помехоустойчивости ЧМ с УСК составляет 2,57 раза по сравнению с отсутствием УСК.

Предложенное компандирование уровня не речевого, а однополосного сигнала, а также сжатие - расширение его полосы частот в 2 раза позволяет увеличить качество речи, ее помехоустойчивость, уменьшить нелинейные искажения.

Отметим, что управляемые компрессор и экспандер, обведенные пунктирными линиями на фиг.1 и 2, являются внешними блоками к радиостанции и поэтому УСК можно использовать не только во вновь разрабатываемых, но и в эксплуатируемых ЖР.

Технико-экономическим эффектом полезной модели является уменьшение изменения отношения мощностей сигнал - шум квантования до 2 дБ вместо 8 дБ, увеличение эффективности использования кода до 81%, увеличение частотной эффективности практически в 2 раза.

Цифровая система связи, состоящая на передающей стороне из последовательно соединенных микрофона, микрофонного усилителя, дискретизатора по времени речевого сигнала, квантователя его уровня, кодера, а на приемной стороне - из последовательно соединенных регенератора импульсов, декодера, усилителя звуковой частоты, телефона, отличающаяся тем, что в нее введены на передающей стороне делитель в 2 раза полосы частот речевого сигнала, управляемый слоговый компрессор, к которым последовательно подключен выход микрофонного усилителя и дискретизатора, а на приемной стороне - удвоитель полосы частот речевого сигнала, управляемый слоговый экспандер, которые в свою очередь последовательно подключены ко входу делителя звуковой частоты.