АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (АЦП И ЦАП) В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ АНАЛОГОВЫХ СООБЩЕНИЙ

Предисловие

В данной главе основное внимание уделяется назначению, областям применения, принципам построения и работы аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей сигналов (АЦП и ЦАП).

АЦП и ЦАП являются устройствами сопряжения аналоговых и цифровых электронных узлов в системах передачи, хранения и обработки аналоговой информации цифровыми методами.

С помощью АЦП осуществляется преобразование аналоговых сигналов в цифровые сигналы, а с помощью ЦАП — обратное преобразование цифровых сигналов в исходные аналоговые сигналы.

Знание этих вопросов необходимо для успешного усвоения ряда последующих специальных профилирующих дисциплин по цифровым и аналоговым системам передачи информации.

Общие сведения о цифровых и аналоговых методах передачи сообщений

Для лучшего понимания роли АЦП и ЦАП необходимо четко представлять общие принципы построения систем электросвязи и сущность аналоговых и цифровых методов передачи сообщений.

На рисунке 9.1 приведена обобщенная функциональная схема одноканальной системы передачи.

Рис. 9.1

Под каналом связи понимается электрический тракт от источника сообщений до получателя сообщений, включающий в себя передающую аппаратуру, линию связи и приемную аппаратуру.

Под линией связи понимается среда распространения электромагнитных волн, используемая для передачи сигналов от выхода передающей аппаратуры до входа приемной аппаратуры.

В зависимости от вида линии связи различают каналы наземной радиосвязи, спутниковой и дальней космической связи, радиорелейной связи, кабельной связи, волоконно-оптической связи и др.

Процесс передачи сообщений от источника сообщений к получателю сообщений в общем виде включает в себя следующие последовательно выполняемые операции:

• • преобразование в пункте передачи с помощью специальных устройств передаваемых сообщений c(t) в первичные электрические сигналы u(t);
• • преобразование первичных сигналов u(t) с помощью соответствующих устройств (модуляторов и др.) в канальные сигналы u_K(t), удобные для передачи по соответствующей линии связи;
• • обратные преобразования принятых в пункте приема канальных сигналов uj.(t) в исходные первичные сигналы u'(t), а затем в исходные сообщения c'(t) с учетом влияния помех u„(t) и искажений в канале связи.

В таком обобщенном виде приведенная одноканальная схема передачи сообщений является универсальной, применимой с соответствующей детализацией перечисленных выше операций как для аналоговых, так и для цифровых систем передачи.

Отметим также, что она является основой и при построении многоканальных аналоговых и цифровых систем передачи сообщений, в которых по одной линии связи одновременно передают большое число независимых сообщений от независимых источников информации на передающем конце к независимым получателям информации на приемном конце. Эти схемы приводятся в последнем параграфе данной главы в порядке иллюстрации возможностей использования АЦП и ЦАП в многоканальных системах передачи аналоговой информации цифровыми методами.

Возможные варианты реализации схемы рисунка 9.1 будут определяться как видами первичных сигналов, так и методами их передачи.

В рамках гемы данной главы мы будем иметь дело с цифровыми и аналоговыми первичными сигналами и с цифровыми и аналоговыми методами передачи первичных сигналов. Цифровые сигналы, естественно, передаются цифровыми методами с использованием цифровых электронных узлов. Что касается аналоговых сигналов, то они могут передаваться как традиционными аналоговыми методами с использованием только аналоговых электронных узлов, так и цифровыми методами с применением АЦП на передаче и ЦАП на приеме и с использованием аналоговых и цифровых электронных узлов.

Рассмотрим кратко все эти варианты, имея конечной целью обоснование целесообразности использования АЦП и ЦАП в системах электросвязи.

Начнем с вариантов передачи цифровых сигналов.

С учетом темы данной главы первичные сигналы u(t) в схеме рисунка 9.1 могут быть цифровыми или аналоговыми. Это будет зависеть от вида передаваемых сообщений c(t) и вида устройств, преобразующих сообщения в первичные сигналы u(t).

Цифровые сигналы — это дискретные (прерывистые) сигналы, представляющие собой последовательность комбинаций (или, иначе говоря, групп) стандартных импульсов и пауз (пробелов) одинаковой длительности, кодированных в двоичной системе счисления чередованием двух цифр 1 и 0 (1 — импульс, 0 — пауза). Одна позиция в цифровом сигнале, т. е. либо 1 (импульс), либо 0 (пауза), называется битом, а восемь позиций (битов) называются байтом. Количеством бит оценивается объем цифровой информации, предназначенной для передачи или для записи в электронную память (в ОЗУ — оперативное запоминающее устройство или в ПЗУ — постоянное запоминающее устройство). Количеством бит в одну секунду, с одной стороны, характеризуют скорость передачи цифрового потока В, бит/с (выражаемую также в бодах: 1 бод = 1 бит/с), а с другой стороны, характеризуют частоту следования бит F_T, называемую тактовой частотой и оцениваемую в Гц. Скорость передачи В, бит/с, и тактовая частота F_T, Гц, связанные с длительностью бита т_и соотношениями В = 1/т» и Fr= 1/ти, численно равны друг другу.

В цифровых сигналах каждая комбинация (группа) стандартных импульсов и пауз (пробелов) имеет одинаковое число бит и кодируется своей комбинацией цифр 1 и 0, т. е. своим двоичным числом, разрядность которого (количество позиций в двоичном числе) соответствует количеству позиций (бит) в одной комбинации импульсов и пауз.

Чем больше позиций (бит) в одной кодовой комбинации и соответственно больше разрядность ш двоичного числа, тем большее число различных комбинаций N можно получить: N = 2^|П.

Примером цифровых двоичных сигналов являются сигналы передачи данных, формируемые преобразователем дискретных сообщений в цифровые сигналы, предназначенные для обработки на ЭВМ, и телеграфные сигналы, формируемые передающей частью телеграфного аппарата.

Разработанный 7-разрядный двоичный международный код МТК-5 с двумя регистрами позволяет перевести в различные комбинации цифр 1 и 0 и, следовательно, в различные комбинации импульсов и пауз, 256 прописных и строчных букв русского и латинского алфавитов, цифры, знаки препинания и специальные математические знаки и символы, понятные ЭВМ и телеграфным аппаратам, что позволяет обмениваться сообщениями между ЭВМ или между телеграфными аппаратами на передающем и приемном концах канала связи.

Например, в случае передачи текста телеграммы телеграфный аппарат, имеющий клавиатуру типа пишущей машинки, на передающем конце канала связи переводит каждую букву, цифру, знак и т. п. передаваемого сообщения в первичный цифровой сигнал (сначала в соответствующую комбинацию цифр 1 и 0, т. е. в двоичное число, и затем в комбинацию импульсов и пауз), а телеграфный аппарат на приемном конце по принятым комбинациям импульсов и пауз печатает на бумажной ленте или бумажном рулоне переданные буквы, цифры, знаки и т. п.

Передача по каналам связи перечисленных выше цифровых первичных сигналов (сигналов передачи данных и телеграфных сигналов) осуществляется, как отмечалось выше, цифровыми методами с использованием цифровых электронных узлов.

При этом в зависимости от вида используемой линии связи возможны два основных варианта реализации схемы рисунка 9.1: вариант, когда на передающей стороне канальный сигнал u_K(t) по форме и спектру полностью повторяет первичный сигнал u(t), отличаясь от него только своим уровнем, который необходим для передачи по линии связи (что реализуется при передаче по кабельным и волоконно-оптическим линиям связи), и вариант, когда канальный сигнал u_K(t) получается путем амплитудной, частотной или фазовой модуляции первичным цифровым сигналом u(t) несущего гармонического колебания высокой частоты f„ (что необходимо для его передачи по каналам наземной радиосвязи, спутниковой и дальней космической связи, радиорелейной связи, а при необходимости и по кабельным или волоконно-оптическим линиям связи).

На приемной стороне в этих вариантах осуществляются следующие обратные преобразования. В первом варианте принятый канальный сигнал uj.(t) путем изменения его уровня преобразуется в исходный первичный сигнал и¹ (t) (с учетом влияния помех u_n(t) и искажений в канале связи), который затем поступает либо на ЭВМ (если это сигналы передачи данных), либо на приемную часть телеграфного аппарата (если это телеграфный сигнал). Во втором варианте принятое модулированное несущее гармоническое колебание, выполняющее роль канального сигнала uj.(t), демодулируется с получением исходного первичного цифрового сигнала u’(t), который затем поступает, как и в первом варианте, либо на ЭВМ (если это сигнал передачи данных), либо на телеграфный аппарат (если это телеграфный сигнал).

Перейдем к рассмотрению вариантов передачи аналоговых сигналов.

Аналоговые сигналы — это непрерывные по уровню и времени сигналы, величина которых пропорциональна физическим параметрам непрерывных сообщений. Они могут изменяться в произвольные моменты времени, принимая любые значения из непрерывного множества возможных значений. К ним относятся телефонные (речевые) сигналы со спектром частот от F_min = 300 Гц до Fmax = 3400 Гц (электрические сигналы речи, формируемые микрофоном), сиг- НсШЫ ЗВуКОВОГО ВСШДНИЯ СО СПСКТрОМ частот ОТ Fmin ⁼ 1 5 Гц ДО Fmax 20 000 Гц (электрические сигналы музыки, пения и речи, формируемые микрофоном), телевизионные сигналы со спектром частот от Fmin = 0 Гц до Fmax = 6 МГц (электрические сигналы подвижных изображений, формируемые передающей телевизионной трубкой), факсимильные сигналы (электрические сигналы неподвижных изображений, формируемые факсимильным аппаратом).

Передача по каналам связи аналоговых сигналов со спектром частот от F_mm до Fmax осуществляется, как подчеркивалось выше, либо традиционными аналоговыми методами с использованием только аналоговых электронных узлов, либо перспективными цифровыми методами с использованием аналоговых и цифровых электронных узлов и применением АЦП и ЦАП для сопряжения этих узлов на передаче и приеме, поскольку исходные (на передаче) и восстановленные (на приеме) первичные сигналы, т. е. сигналы u(t), u'(t), являются аналоговыми, а передаваемые по линии связи сигналы являются цифровыми сигналами.

При передаче первичных аналоговых сигналов со спектром частот от F_mj_n до Fшах аналоговыми методами возможны три варианта реализации схемы рисунка 9.1 в зависимости от вида используемой линии связи.

Самым простым вариантом является вариант, при котором канальные сигналы u_K(t) по форме и спектру полностью повторяют первичные аналоговые сигналы u(t), отличаясь от них только уровнем, необходимым для передачи их по линии связи. Это реализуется, например, при передаче телефонных сигналов по двум проводам кабеля в городской телефонной сети (ГТС) или при передаче телевизионных сигналов по кабелю в кабельном телевидении. На приемной стороне из принятых канальных сигналов uj,(t) путем изменения их уровня получаются исходные первичные телефонные или телевизионные сигналы u'(t) для подачи их соответственно на телефонный аппарат или на кинескоп телевизора.

Другим вариантом будет вариант, при котором канальные сигналы u_K(t) получаются путем амплитудной, частотной или фазовой модуляции первичными аналоговыми сигналами u(t) несущего гармонического колебания высокой частоты f_H » F_max, что требуется для передачи по каналам наземной радиосвязи,

спутниковой и дальней космической связи, радиорелейной связи, а также, в случае необходимости, по кабельной или волоконно-оптической связи с последующей демодуляцией принятых модулированных канальных сигналов uj.(t) на приемной стороне для получения исходных первичных аналоговых сигналов u'(t).

Возможен также вариант, при котором канальные сигналы u_K(t) получаются путем модуляции первичными аналоговыми сигналами u(t) периодической последовательности однополярных сравнительно кратковременных несущих импульсов (длительностью т_и с периодом следования Т » т_и и частотой следования F = 1/Т > 2F_max) по их амплитуде (амплитудно-импульсная модуляция — АИМ), по ширине импульсов (широтно-импульсная модуляция — ШИМ), по частоте следования импульсов (частотно-импульсная модуляция — НИМ), по фазе импульсов (фазоимпульсная модуляция — ФИМ). Такой вариант используется и в импульсных системах связи. Полученные канальные модулированные импульсы в качестве канальных сигналов u_K(t) передаются по линии связи либо непосредственно (например, по кабелю) с последующей демодуляцией на приемной стороне принятых модулированных импульсов u(t) для получения исходных первичных аналоговых сигналов u'(t), либо после вторичной модуляции ими несущего гармонического колебания высокой частоты f_H (с получением возможных различных сочетаний первой и второй модуляции, например АИМ-АМ, АИМ-ЧМ, ФИМ-АМ и т. д.), что необходимо делать при передаче по каналам наземной радиосвязи, спутниковой и дальней космической связи, радиорелейной связи, а также в случае необходимости при кабельной или волоконно-оптической связи с последующей демодуляцией на приемном конце сначала принятого модулированного несущего гармонического колебания, а потом демодуляцией полученной модулированной последовательности узких импульсов u’_K(t) для получения из них исходных первичных аналоговых сигналов u'(t).

А теперь на фоне всех рассмотренных вариантов перейдем к главному вопросу данной главы — к передаче первичных аналоговых сигналов цифровыми методами. Цифровые методы передачи аналоговых сигналов заслуживают особого внимания, поскольку являются наиболее перспективными в свете современных тенденций развития электросвязи по пути цифровизации всех видов информации.

При цифровых методах передачи первичных аналоговых сигналов в схеме рисунка 9.1 на передающем конце первичные аналоговые сигналы u_c(t) преобразуются в цифровые канальные сигналы u_K(t), а на приемном конце принятые цифровые канальные сигналы uj.(t) преобразуются в исходные аналоговые первичные сигналы u'(t). Что касается передачи цифровых канальных сигналов по линии связи, то в этом отношении в зависимости от вида линии связи возможны два варианта реализации схемы рисунка 9.1.

Самым простым вариантом является вариант передачи цифровых канальных сигналов с необходимым требуемым уровнем по двум проводам соответствующего кабеля (что реализуется при передаче цифровых телефонных сигналов в городской телефонной сети — ГТС или при передаче цифровых телевизионных сигналов в кабельном телевидении).

Другой, более сложный, вариант, реализуемый в каналах наземной радиосвязи, спутниковой и дальней космической связи, радиорелейной связи и при необходимости в каналах кабельной или волоконно-оптической связи, предусматривает на передающем конце модуляцию цифровыми канальными сигналами несущего гармонического колебания высокой частоты по амплитуде, частоте или фазе, а на приемном конце — демодуляцию принятого модулированного гармонического колебания, чтобы получить исходный цифровой канальный сигнал uj.(t) для последующего преобразования его в исходный аналоговый первичный сигнал u'(t).

К сказанному добавим несколько слов о самой процедуре преобразования первичных аналоговых сигналов в цифровые канальные сигналы на передаче и обратного преобразования цифровых канальных сигналов в первичные аналоговые сигналы на приеме.

Процедура преобразования на передающем конце первичных аналоговых сигналов в цифровые сигналы называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Она включает в себя несколько операций.

Сначала первичный аналоговый (непрерывный) сигнал дискретизируется во времени путем взятия с помощью электронного ключа дискретных отсчетов (выборок) с частотой дискретизации (частотой следования выборок) F_;1 = 2Fmax, т. е. через интервал времени Т_д = 1 /F.-, = 1/2F max, называемый интервалом дискре- гизации. При этом непрерывный первичный сигнал заменяется последовательностью узких импульсов, амплитуды которых равны мгновенным значениям непрерывного сигнала в моменты взятия отсчетов (выборок), т. е. заменяется ам- плитудно-импульсно-модулированным сигналом (АИМ сигналом). Этот АИМ сигнал является дискретным во времени, но по амплитуде сохраняет информацию об исходном непрерывном первичном сигнале (возможность сохранения информации о непрерывном сигнале при отсчетах с частотой Б_д > 2F max доказыва- ется теоремой В. А. Котельникова).

Затем АИМ сигнал квантуется по уровню. Это означает, что весь диапазон изменения уровней АИМ сигнала, отображающий диапазон изменения величины непрерывного сигнала, разбивается на определенное конечное число разрешенных дискретных уровней N_KB с определенным небольшим интервалом по уровню, называемым шагом квантования Аи_кв. И каждое истинное значение АИМ отсчета заменяется ближайшим разрешенным уровнем (с определенной погрешностью, называемой шумом квантования). В результате получается квантованный АИМ сигнал (КАИМ сигнал) с разрешенными дискретными уровнями, которые нумеруются в десятичной системе счисления.

Это позволяет свести передачу КАИМ сигнала к передаче последовательностей номеров уровней, которые этот сигнал принимает в моменты взятия отсчетов (выборок). Для этого десятичные номера записывают в двоичной системе счисления, т. е. в виде комбинаций (групп) цифр 1 и 0, которые передают в виде комбинаций (групп) из стандартных импульсов и пауз (пробелов). Отличие одной комбинации (группы) от другой состоит в чередовании импульсов и пауз внутри комбинаций (группы).

Операции квантования по уровню и операции кодирования в двоичный код, формирующие цифровой канальный сигнал u_K(t), осуществляются в одном устройстве — АЦП, называемом также кодером. Говоря другими словами, АЦП превращает отсчеты (выборки) непрерывного сигнала в последовательность двоичных цифр, т. е. в последовательность комбинаций стандартных импульсов и пауз.

На приемном конце канала связи цифровой канальный сигнал uj.(t), т. е. последовательность комбинаций двоичных импульсов и пауз, с помощью ЦАП, называемого также декодером, преобразуется в исходные квантованные отсчеты первичного аналогового сигнала, т. е. в квантованный АИМ сигнал (эта операция называется декодированием), который затем демодулируется с помощью демодулятора, т. е. из него выделяется исходный первичный аналоговый сигнал u'(t).

Благодаря возможности преобразования отсчетов первичных аналоговых сигналов в цифровые сигналы, т. е. в кодированные комбинации стандартных импульсов и пауз, и наоборот, цифровых сигналов в исходные квантованные отсчеты первичных аналоговых сигналов, АЦП и ЦАП стали важнейшими органическими узлами цифровых систем передачи различных аналоговых сигналов — телефонных, звукового вещания, телевизионных, факсимильных и др.

В настоящее время для этого применяются АЦП и ЦАП в виде интегральных микросхем с 8-разрядными (т = 8), 10-разрядными (т = 10), 12-разрядными (т = 12) двоичными кодами. Это означает, что в каждой отдельной комбинации

(группе) импульсов и пауз содержится соответственно либо m = 8, либо ш = 10, либо m = 12 позиций (бит) и, следовательно, можно получать соответственно либо N = 28 = 256, либо N = 210 = 1024, либо N = 212 = 4096 различных комбинаций импульсов и пауз или, иначе говоря, различных двоичных чисел. В качестве примера отметим, что в настоящее время для передачи телефонных сигналов используются АЦП и ЦАП с 8-разрядными двоичными кодами (т = 8).

Более подробная информация о принципах построения и работы АЦП и ЦАП приводится в следующем параграфе.

В заключение данного параграфа отметим следующее. При любых способах передачи первичных сигналов (как дискретных, так и аналоговых) в приемной аппаратуре осуществляются обратные преобразования принимаемых сигналов с приведением их сначала к виду передаваемых первичных сигналов, а затем к виду передаваемых сообщений для получателя сообщений (рис. 9.1). При этом надо сознавать, что принятые первичные сигналы и¹ (t) и сообщения c'(t) могут в какой-то степени отличаться от передаваемых первичных сигналов u(t) и сообщений c(t) из-за влияния различных помех u„(t), шумов квантования и возникающих искажений сигналов в каналах связи.

Степень соответствия принимаемых сообщений переданным сообщениям называется верностью передачи информации. Следует отметить, что качество приема различных сообщений оценивается по различным критериям.

Так, качество приема телефонного сообщения от абонента оценивается разборчивостью и узнаваемостью абонента.

Качество приема телевизионного сообщения оценивается качеством принятого изображения, определяемого по стандартной таблице на экране телевизора.

Что касается верности приема дискретных сообщений, то ее оценивают отношением числа ошибочно принятых элементов сообщения к общему числу переданных элементов, которое называется коэффициентом ошибок или частотой ошибок.