Розвиток методів ефективного використання каналів зв`язку

... Якщо XVII століття і початок XVIII століття - століття годин, то даний час є вік зв'язку та управління.

Норберт Вінер

Підвищення ефективності використання каналу зв'язку досягається як шляхом застосування різних методів ущільнення каналів зв'язку, так і за рахунок скорочення надмірності повідомлень.

Досить актуальною проблемою електрозв'язку є питання про ефективне використання каналів зв'язку. Ця проблема виникла ще в XIX столітті, і над її вирішенням працювали багато інженери та науковці. Одним з них був найбільший американський винахідник в галузі електрозв'язку Грей, який, мабуть, першим запропонував застосування частотного ущільнення (ЧУ) дротяних каналів зв'язку, іншим був французький інженер Бодо, який винайшов метод тимчасового ущільнення (ВУ). Ці методи дозволяли по одному фізичному каналу організувати передачу багатоканальних повідомлень. Вони знайшли найширше застосування в техніці електрозв'язку в XX столітті, в тому числі в техніці радіозв'язку. При застосуванні на передачі методів ЧУ або ВУ на прийомі використовуються відповідні методи розділення сигналів.

На початковому етапі розвитку радіозв'язку при передачі аналогових сигналів використовувалося ЧУ. Тимчасове ущільнення каналів для передачі телеграфних сигналів по радіоканалах почало застосовуватися в 30-х роках, а для передачі аналогових сигналів - у 40-х роках, коли стали створюватися радіорелейні системи з імпульсними видами модуляції. У зв'язку з впровадженням цифрових систем зв'язку в останні десятиліття XX століття почалося широке застосування багатоканальних систем з ВУ, а також нового виду ущільнення каналів зв'язку - кодового, заснованого на використанні широкосмугових сигналів з великою базою.

Скорочення надмірності переданих повідомлень є іншим методом, який дозволяє підвищити ефективність використання каналу зв'язку. Це особливо важливо в сучасних системах, які майже виключно є цифровими.

Основними видами переданих повідомлень до цього часу залишаються звукові та відеосигнали. Було встановлено, що для якісної передачі цих сигналів у цифровому вигляді без застосування методів скорочення надмірності повідомлень потрібні високошвидкісні системи. Швидкість передачі сигналів у цих системах складає: для мови - 64 Кбіт / с, для звукового мовлення - 350-600 Кбіт / с, а для сигналів кольорового ТБ - до 216 Мбіт / с.

Для цифрових систем необхідна смуга частот каналу зв'язку збільшується в десятки разів у порівнянні з тією, яка потрібна для передачі звукових та відеосигналів в аналоговому вигляді. З метою скорочення смуги частот, необхідної для створення цифрових систем зв'язку, починаючи з середини XX століття виконуються численні дослідження і розробки, спрямовані на вирішення проблем скорочення надмірності повідомлень.

Ущільнення каналів радіозв'язку

Перші досліди по частотного ущільнення радіоканалів були здійснені в США ще в 1914 році. Після винаходу методу модуляції ОЧП в багатьох країнах велися розробки багатоканальних радіосистем, що використовують цей вид модуляції. У СРСР перша така робота була виконана в 1935 році під керівництвом В. А. Котельникова. У цьому ж році в СРСР була запропонована система зв'язку з багатостанційні доступом та частотним поділом каналів (МДЧР), в якій окремі канали не закріплювалися за абонентами. У цій системі абоненти мали можливість вільного доступу до окремих частотним каналах, що знаходяться в межах смуги частот, виділеної для роботи багатоканальної системи зв'язку. Принцип вільного доступу істотно підвищував ефективність використання цієї смуги, і з 60-х років XX століття він почав широко використовуватися в системах рухомого та супутникового зв'язку.

Радянські вчені у 1941 році запропонували застосування методу ЧУ для створення багатоканальних систем радіозв'язку з ЧС. Такі системи отримали в XX столітті найширше застосування в радіорелейного зв'язку.

З початку 60-х років різні методи многостанционного доступу починають застосовуватися в системах супутникового зв'язку. Розробляються багатоканальні системи "один канал на несучу - ОКН", в яких, абоненти, використовуючи ЧС, мають вільний доступ до будь-якого з вузькосмугових частотних каналів системи. Пізніше розробляється цифрова система SPADE, в якій на кожній несучої методом ОФМ-ІКМ передаються мовні сигнали. У цій системі передбачено виключення несе в паузах мови, що дозволяє збільшити число одночасно передаються через нелінійний супутниковий ретранслятор каналів до 800.

Створення супутникових систем многостанционного доступу з тимчасовим поділом (МДВР) відноситься до 70-х років. Ці системи дуже перспективні і також широко застосовуються в сучасній техніці зв'язку. Зокрема, вони застосовуються в системах стільникового рухомого зв'язку другого покоління, а також у радіорелейних лініях зв'язку.

У 60-х роках в супутниковому зв'язку починають застосовуватися системи многостанционного доступу з кодовим розділенням (МДКР) каналів. У цих системах застосовуються широкосмугові сигнали з великою базою, що дозволяє багатьом абонентам, що користуються такі сигнали з різною структурою, працювати в загальній смузі частот, не створюючи один одному відчутних перешкод. Цей вид ущільнення виявився досить ефективним, і в даний час він застосовується в системах супутникового і наземного, фіксованого та рухомого зв'язку.

Хронологія

Скорочення надмірності при передачі звукових сигналів

Мовні сигнали

Мовні сигнали займають смугу частот, яка дорівнює приблизно 3 кГц. Для їх передачі з високою якістю у цифровому вигляді за допомогою ІКМ потрібне канал зв'язку зі швидкістю передачі 64 Кбіт / с. Усунення надмірності мовних сигналів дозволяє зменшити цю швидкість. Одним із методів скорочення надмірності сигналів мови є застосування адаптивної ДИКМ. У цьому методі здійснюється перетворення в цифрову форму різниці між переданим відліком повідомлення та його передбаченим значенням з кількох попереднім відліках. Застосування ДИКМ дозволяє для мовних сигналів скоротити необхідну швидкість передачі в 2-4 рази.

Зменшити надмірність сигналів мови можна і за допомогою вокодерной техніки. Перший винахід вокодера, що дозволяв скоротити надлишковість мовних сигналів, було зроблено в 1939 році американським інженером Г. Дадлі. Протягом багатьох років інженери США, Росії, Франції, Японії та інших країн працювали над удосконаленням вокодером.

У вокодера шляхом аналізу мовного сигналу голосового тракт моделюється формує фільтром, які порушуються імпульсним і шумовим сигналами. У процесі аналізу визначаються основні параметри мовного сигналу - параметри формуючого фільтра і частота основного тону мови, що визначає частоту імпульсного впливу. Ці параметри змінюються повільно, і для їх передачі потрібна швидкість 4.8-16 Кбіт / с.

Вокодери широко застосовуються в сучасних системах рухомого зв'язку. У системі стільникового рухомого зв'язку стандарту GSM застосовується вокодер з багатоімпульсному порушенням і лінійним кодуванням з прогнозом.

Над проблемами створення вокодерной техніки активно працювали багато радянські вчені: А. П. Петерсон, А. С. Пирогов, М. А. Чобітків, М. М. Акінфієв, С. П. Баронін, В. Є. Муравйов, Ю. До . Трофімов, А. І. Куштуев та ін Сучасні методи компресії мовних сигналів дозволяють підвищити ефективність використання каналу зв'язку в 15-30 разів. Вокодери знаходять застосування не тільки в системах рухомого та супутникового зв'язку, але і в пристроях запам'ятовування промови, криптографії мовних сигналів, в пристроях автоматичного розпізнавання мови і т. п.

Підвищити приблизно в 2 рази ефективність використання каналів зв'язку в багатоканальних системах, по яких передаються сигнали мови, можливо і більш простими методами, без застосування в кожному каналі вокодером. Цього можна досягти, використовуючи ту обставину, що кожен абонент займає канал тільки 40% часу, протягом якого він говорить. Першою подібною системою, в якій паузи мови використовувалися для збільшення пропускної здатності каналів зв'язку, була аналогова 48-канальна система TASI, створена в 1957 році для підводної кабельної телефонного зв'язку між Європою і Америкою.

У 1978 році в СРСР був розроблений цифровий аналог системи TASI, названий блокової ІКМ (БІКМ). У системі БІКМ сигнал кожного каналу тривалістю 2 мс методом ІКМ перетворюється в цифрову форму, і з усіх відліків цього сигналу виключаються старші розряди, що мають значення логічного нуля. Даний метод дає економію в числі переданих по каналу зв'язку бітів за рахунок того, що в ньому враховуються не тільки паузи між словами і складами, як у системі TASI, але й розподіл рівнів мовних сигналів. Він знайшов застосування в цифрових багатоканальних системах передачі повідомлень по радіорелейних і супутникових каналах зв'язку. Застосування БІКМ в цифрових системах зв'язку зі швидкістю передачі 2048 Кбіт / с подвоює їх пропускну здатність, дозволяючи передавати по них не 30, а 60 ТФ каналів з високою якістю, що задовольняє Рекомендаціям МСЕ.

Сигнали звукового мовлення

Сигнал звукового мовлення займає смугу частот порядку 15 кГц і має значний динамічний діапазон (75 дБ). Для якісної передачі такого сигналу по цифрових каналах зв'язку необхідне застосування 16-розрядної ІКМ. При цьому швидкість цифрового потоку при перетворенні сигналу 3В мовлення за допомогою лінійної ІКМ становить 512 Кбіт / с.

Для скорочення надмірності мовних сигналів в сучасній техніці застосовується кілька методів. У 1980 році в компанії Бі-Бі-Сі була створена система NICAM (Near Instantaneous Companded) - система ІКМ з майже миттєвим компандирование для скорочення надмірності сигналів звукового мовлення. Її також називають системою ІКМ з масштабуючим множниками. Закладені в ній принципи скорочення надмірності по суті мало відрізняються від винайденої дещо раніше системи БІКМ. Застосування миттєвого компандирование сигналу і введення масштабних коефіцієнтів для блоків з послідовних 32 відліків дозволяє зменшити кількість двійкових розрядів на один відлік з 16 до 9.

Використання ДИКМ з введенням масштабування для блоків відліків також дозволяє скоротити кількість двійкових розрядів на один відлік до 9. При цьому швидкість цифрового потоку при перетворенні монофонічного сигналу 3В мовлення зменшується до 320 Кбіт / с.

Значним успіхом у скороченні надмірності сигналів звукового мовлення є розробка в 1989 році методу MUSICAM, включеного в стандарт MPEG (Moving Picture Expert Group), який призначений для скорочення надмірності ТБ сигналу, включаючи сигнал звукового супроводу. У системі MUSICAM мовний сигнал розбивається на 32 парціальні смуги частот. Перетворення сигналів кожної смуги частот в цифрові потоки за допомогою ІКМ здійснюється відповідно до управляючими сигналами психоакустичної моделі сприйняття людиною звукових сигналів. При цьому кількість двійкових розрядів на один відлік скорочується до 2. Система дозволяє скоротити швидкість цифрового потоку, необхідного для передачі сигналів моновещанія, до 100 Кбіт / с. У цифровому потоці зі швидкістю 256 Кбіт / с можлива передача стереопрограми з якістю компакт-диска.

Хронологія

Скорочення надмірності при передачі ТБ сигналів

Величезна робота у другій половині XX століття була виконана дослідниками різних країн з розробки методів стиснення ТБ сигналів. Скорочення смуги частот таких сигналів обумовлено тим, що ТБ сигнал має великий надмірністю, так як є незначні відмінності двох послідовних кадрів зображення і в кожному кадрі є значні однотонні ділянки. Ця надмірність призводить до особливостей спектру ТБ сигналу, які можуть бути використані для скорочення смуги частот каналу зв'язку, необхідної для передачі ТБ сигналу. Таке скорочення можливе за рахунок використання статистичних властивостей зображення і психофізіологічних особливостей візуального сприйняття людини.

Першим дослідженням, в якому було показано, що ТВ сигнал має значну надмірність, тому що основна енергія його спектра, що має лінійчату структуру, розташована на гармоніках рядкової і кадрової частоти, з'явилася робота, виконана в 1934 році американськими інженерами П. Мертц і Ф. Греєм .

У 1950 році в США інженер Р. Будинок запропонував використовувати частотне ущільнення спектру ТБ сигналу додатковою інформацією, що передається на поднесущей, частота якої вибиралася непарній-кратної половині частоти рядків, тобто вона розташовувалася в середині між гармоніками малої частоти. Ці дослідження в подальшому були використані при виборі частоти піднесуть для передачі сигналів кольоровості в спектрі чорно-білого ТБ сигналу. На цьому принципі засновані всі сучасні стандарти кольорового ТВ (NTSC, PAL, SECAM).

У СРСР перші дослідження можливостей скорочення надмірності ТБ сигналу були проведені в кінці 50-х років Н. Г. Дерюгіної та Д. С. Лебедєвим.

Одна з ранніх ідей використання лінійного характеру спектру ТБ сигналу полягала в тому, щоб в одному частотному каналі передавати два ТВ програми, при цьому спектр другий ТБ сигналу інвертуватися і містився в проміжки між частотними складовими спектру перший ТБ сигналу. Поділ двох сигналів здійснювалося за допомогою гребінчастих фільтрів. Цей метод не знайшов практичного застосування, але через тридцять років на основі цих ідей були створені дві сучасні аналогові системи передачі ТБ сигналів високої чіткості (ТВЧ).

Одна з них була розроблена в Японії (MUSA - Multiple Sub-Nyquist Sampling Encoding), а інша - у Франції (HD-MAC). Суть стиснення спектра в цих системах полягає в тому, що частотні складові, що лежать у верхній області спектра вихідного ТБ сигналу, поміщаються в проміжки між частотними складовими, що перебувають у середній частині вихідного спектра. У системі MUSA досягалося стиснення спектра вихідного ТВЧ сигналу в 3 рази (до 8.1 МГц), а в системі HD-MAC - в 1.5 рази (до 11 МГц). В обох системах використовувалася послідовна передача сигналів яскравості, кольоровості, звукового супроводу і сигналів синхронізації.

Майбутній розвиток систем передачі відеосигналів пов'язано із застосуванням цифрових методів їх обробки, що дають скорочення швидкості цифрового потоку, необхідного для передачі цих сигналів з високою якістю. У більшості цих методів використовується ДИКМ. При цьому здійснюється передбачення кожного елемента зображення на основі зваженої комбінації попередніх відліків, розташованих поблизу від нього. У канал зв'язку передається різниця між передбаченим і істинним значенням цього елемента. Ця різниця незначна внаслідок високої кореляції сусідніх елементів зображення, і для її передачі в цифровій формі необхідно значно меншу кількість бітів, ніж це потрібно для перетворення в цифрову форму його вихідних відліків. Застосовується також і субнайквістовое кодування, коли відліки по вертикальній, горизонтальній і тимчасової осі зображення передаються з частотою, меншою, ніж 1/2W, де W - смуга частот зображення. На прийомі відновлення відсутніх елементів здійснюється шляхом інтерполяції.

У стандартах MPEG для стиснення сигналів зображення враховується також те, що більша частина змін зображення від кадру до кадру є наслідком зсувів малих областей зображення в попередньому кадрі. Визначивши для кожної області це зміщення (вектор руху), можна істотно підвищити точність передбачення елементів зображення і, в підсумку, скоротити надлишковість переданого сигналу.

Використання ДИКМ дозволяє скоротити цифровий потік для кольорового ТВ сигналу до 50-70 Мбіт / с. Застосування адаптивної ДИКМ з використанням межполевого і міжкадрового передбачення дозволяє скоротити цей потік до 30 Мбіт / с.

Використання алгоритмів компенсації руху та кодування блоків елементів зображення за допомогою косинус-перетворення або перетворення Адамара дає можливість скоротити цифровий потік мовного ТБ сигналу до 6 Мбіт / с.

Цей цифровий потік шляхом застосування багатопозиційних сигналів (наприклад, КАМ-16) можна передати у смузі частот 1.5-2 МГц, що дозволяє в смузі частот стандартного каналу наземного ТВ мовлення розмістити 4-5 цифрових ТВ програм.

Хронологія