Способ цифровой передачи и приема электрических сигналов

Союз Советских Социалистичесмма РеспубликОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ оц 637971(22) Заявлено 200776 (21) 2392964/18-09с присоединением заявки Йо(5)М. Кл. Н 04 Ь 17/00 Н 03 К 13/22 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий(54) СПОСОБ ЦИФРОВОЙ ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВИзобретение относится к радиотехнике и может использоваться для передачи в цифровой форме аналого вых зле ктри че с ки х си гв ало в по ци фровым линиям связи, в частности для передачи си гнало в теле видения.Известен способ цифровой передачи и приема электрических сигналов, в котором ва передающей стороне аналоговый сигнал дифференцируют, дискретизируют по времени, квантуют по уровню, кодируют и передают по каналу связи, а ва приемной стороне - декодируют, преобразуют в аналоговый сигнал и интегрируют Ц5Однако известный способ характеризуется низкой помехоустойчивостью.Целью изобретения является повышение помехоустойчивости, 20Для этого в способе цифровой передачи и приема электрических сигналов, в котором на передающей стороне аналоговый сигнал диффереицируют, дискретизируют по времеви, квантуют 25 по уровню, кодируют и передают по каналу связи, а ва приемной сторонедекодируют, преобразуют в аналоговый сигнал и интегрируют, ва передающей стороне сигнал дифференцируют, пре Взамен ранее изданного образуют по Гильберту ва конечном заданном временном интервале, а ва приемкой стороне - после интегрирования полученный сигнал преобразуют по Гильберту на конечном временном интервале, равном или большем заданному конечному интервалу для преобразования по Гильберту на передающей стороне, и .компенсируют эхо-сигналы, возникающие при преобразовании сигнала по Гильберту, при этом операции дифференцирования и преобразования по Гильберту на передающей стороне и интегрирования и преобразования по Гильберту на приемной стороне производят в любой последовательности над аналоговым или цифровым сигналом.На Фиг. 1 и 2 приведены структурные схемы устройства для реализации способа цифровой передачи и приема электрических сигналов с помощью аналоговых цепей и в цифровом виде; на фиг, 3 - . диаграммы, поясняющие способ циФровой передачи и приема электрических сигналов.устройство, представленное на Фиг. 1,содержит подключенную к входу 1 линию 2 задержки с отводами, обеспечивающими задержку сигнала на63797) о а 2 Пвремя, кратное интервалу Котельникова, Центральный отвод этой линииподключен непосредственно к матрице3, а остальные отводы соединены супомянутой матрицей через инверторы4 и 5. Матрица 3 подключена черезаналого-циФровой преобразователь 6к аппаратуре канала 7 связи, с выхода которого цифровой сигнал подается на цифроаналоговый преобразователь 8. К выходу этого преобразователя подключена вторая линия 9задержки, имеющая несколько отводов, также обеспечивающих задержкусигнала на время, кратное интервалуКотельникова. Выходы этой линии задержки подключены к матрице 10, соединенной с входом линии 11 задержки,центральный отвод которой соединен.с матрицей 12 непосредственно, а двеее крайних отвода подключены к этойже матрице через инверторы 13 и 14.Выход 15 матрицы 12 является выходомустрой ст ва,устройство, представленное нафиг.2, содержит на входе 16 аналогоцифровой преобразователь 17, подключенный через блок 18 памяти и вычислительный блок 19 к аппаратуре канала 20 связи, с выхода которого сигнал поступает через второй блок 21памяти и второй вычислительный блок22 к цифро-аналоговому преобразователю 23. Выход этого преобразователясоединен с эхо-корректором 24. Еговыход 25 является выходом устройства.Техническую сущность способа цифровой передачи и приема электрическихсигналов (назовем этот способ Гильберта-дифФеренциальной импульснокодовой модуляцией - ГДИКИ) можнопояснить на примере передачи элементарного сигнала с ограниченнымспектром. 30 Ь= - ь =Ь =- - той. 02 1С40 В 11 . СЬ) =Т 45 где Х- постоянные коэффициенты.50 Определение коэффициентов Хк может быть осуществлено различнымиспособами. В качестве примера рассмотрим вариант точного восстановления входного сигнала Й(С) на интервале 1 = 2 МТ,В этом случае должны выполнятьсясоотношения Шо=а =1 и Шаг=О, гдеОС щ М. Тогда коэффициенты Х 1,являются решениями системя уравнений:Ог 5 Х Ог 2 Х-мм = Ог б 0 0,5 Х - 02 (Х + Х,) = Ор- М +1 И Ог 5 Хо Ог 2 (Х+ Х 4) = 1 ф0,5 Хг - 0,2 (Х, + Х,) = ОР1 юИ;Ог 5 Хм Ог 2 Хм.ю = 0й 1где (- - - =соиэъ Тб 5 где Т - интервал Котельникова для сигнала Г(С) .Этот сигнал в соответствии с теоремой Котельникова может быть определен одним отсчетом ао =1 во время С = О. Все остальные отсчеты ц этого сигнала, взятые через интервал Котельникова, равны нулю. Элементарный сигнал, преобразованный по Гиль- берту и продифференцированный, может быть записан в виде: 9 а тЬ.-1 ТгшВ(,С)=д- Е 1 з,)и, (,о ш(.п Фо) иЬ ,. ч2- дискретные отсчеты, определяющиесигнал Б (С) .При этом, если ограничит ь интервал времени, на котором осуществляется укаэанное преобразование, то,без учета постоянного множителя с(,Рформу сигнала можно представитьв виде1 С15Мн - СА(С) =- СТ В этом случае укаэанное преобразование осуществляется на интервале2 (2 И) г Т, И - число, определяют щее длительность интервала преобразования,При И=1 длительность интервалапреобразования С=2 Т и используются лишь три отсчета: Эти отсчеты в цифровой форме лередают по каналу связи,На приемной стороне должно бытьпроведено обратное преобразование.Для уменьшения воздействия цифровыхошибок в канале связи это .обратноепреобразование также должно бытьпроведено на конечном интервале. Приэтом отсчеты сигнала после обратногопреобразования должны представлятьлинейную комбинацию передаваегых полинии связи отсчетов:Очевидно, что Х = ХУказ анное о бр ат ное преобразование обеспечивает значительное уменьшение влияния возникающих в каналесвязи цифровых ошибок на выходнойсигнал по сравнению с системами,использующими ДИКИ. Как было указано выше, например, в системах цифрового телевидения с ДИКИ единичнаяцифровая ошибка появляется как искажение в виде пьедестала всей последующей части строки. В рассматриваемом варианте одиночная цифроваяошибка в канале связи приведет ксозданию сигнала помехи, величина отсчетов которой определяется коэффициентами Хм, а длительность - выбранным интервалом обратного преобразования. При передаче сигнала Й(1) при указанных преобразованиях на выходе 2 О формируется сигнал, определяемый тремя отсчетами и характеризуемый появлением кроме основного сигнала двух эхо-сигналов, размах которых равен См =Ь 1 хм-С =Ьх Та.к 25 например, еслй интервал преобразования выбрать равным 2 ИТ=4 Т, тоХр = - 3,231 Х 1 = Х 1 ф 1,538 УХ = Х- -0,615 и размах эхо-сигналов составляет С= Сф О, 123.Для выделения неискаженного сигнала Е (1) необходимо осуществить коррекцию появившихся эхо-сигналов, Если же интервал преобразования выбрать равным 2 ИТ=14 Т, то Х = 3, 334; Х =Х 1 ф 1,667; Х =Х : - 0,8341 Х = Х = 0,417;Х 4 = Х 4: - 0,2081 Х = Х ф 01031 Хь= Х,= 0049 р Х 1 = Х 1 ф 0,020 и размах эхо-сигналов составляет С., = С =- 0,004В этом случае величина эхо-сиг налов настолько мала, что их коррекция, возможно, не потребуется.учитывая, что электрический сигнал с ограниченным спектром представляет собой линейную комбинацию элементарных сигналов й (1) (Фиг. За), сдвинутых во времени на интервалы, кратные Интервалу Котельникова, для упрощения рассуждений рассмотрим преобразование этого сигнала в устройстве, структурная схема которого приведена на Фиг.1. Элементарный сигнал Г(т,) определяется лишь одним отсчетом а, = 1 (Фиг. Зб) .С выхода 1 устройства (Фиг.1) электрический сигнал подается на линию 2 задержки, имеющую несколько отводов, обеспечивающих задержку входного сигнала на время, кратное интервалу Котельникова. Центральный отвод этой линии подключен непосредственно 40 к матрице 3, Один или несколько отводов линии 2, обеспечивающие задержку сигнала относительчо центрального отвода на время г= (2 п)Т,п = 1, ,2 Я, кратное нечетному числу , Я интервалов Котельникова, соединены с матрицей 3 через инверторы 4. Число И определяет интервал, на котором осуществляется преобразование входного сигнала. Один или несколько отводов линии 2, обеспечивающие опережение сигналов относительно центрального отвода на время Г (2 1-1) Т,п = 1,2.,й, соединены с матриМей 3 через инверторы 5, Матрица 3 обеспечивает суммирование поступающих на нее сигналов с соответствующими весами:сигнал,поступающий с центрального отвода, суммируется с весом Ьр = 0,5, задержанный и. опережающий на время, равное интервалу Котельникова, инвертированные сигналы суммируются с весами ) Ь 1 = (Ь 1 =2= -0,2, задержанный и опережающий на время, равное утроенному интервалу Котельникова, инвертированные сигналы суммируются с весами Ь = = (Ь 11 = - у =0,023 и т.д,Таким образом, на выходе матрицы 3 формируется преобразованный по, Гильберту и продифференцированный на конечном интервале входной сигнал.Его отсчеты при И=1 приведены на фиг. Зв. Этот сигнал далее подается на аналого-циФровой преобразователь 6, с выхода которого цифровые коды поступают в аппаратуру канала 7 связи. Выделенные на выходе канала связи цифровые коды преобразуют вновь в аналоговый сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя 8. Далее сигнал поступает на линию 9 задержки, имеющую центральный отвод и отводы, обеспечивающие задержку или опережение сигналов относительно центрального отвода на время, кратное интервалу Котельникова. Количество отводов этой линии определяет интервал, на котором осуществляется обратное преобразование, С выходов линии задержки сигналы подаются на матрицу 10, обеспечивающую их суммирование с определенными коэффициентами. Причем коэффициент матрицирования сигнала, поступающего с центрального отвода, должен быть равен Хр. Сигналы, отстающие и опережающие сигнал, снимаемый с центрального отвода, на время Ф = щТ, суммируются соответственно с весами Х(-И 4 тсИ), Эти коэффициенты определяют отсчеты помехи (фиг. Зг), возникающей при единичной и цифровой ошибке в канале связи. Сигнал с выхода матрицы с отсчетами Фиг. Зд отличается от исходного передаваемого сигнала и содержит эхо-сигналы. Для устранения этих зхо-сигналов используется эхокорректор, в простейшем виде выполненный в виде линии 11 задержки с тремя отводами, центральных иэ ко- торых подключен к матрице 12 непосредственно, а два других к этой жематрице через инверторы 13 и 14.Время задержки и опережения сигналов на входах соответствующих ин. верторов 13 и 14 относительно сигнала на центральном отводе выбираетсяравным Т; = МТ, где М - коэффициент, определяющий интервал обратного преобразованияМатрица 12 обеспечивает суммирование сигнала центрального отвода с10коэффициентом матрицировани я, равным1, с сигналамипоступающими с выходов инверторов .13 и 14. Коэффициен-.ты матрицирования этих сигналов равны Х)ЬмНа выходе 15 матрицы 12 выделяется требуемый сигнал, определяемыйотсчетом Фиг. Зе.Реализация способа при циФровомпреобразовании сигнала поясняется спомощью блок-схемы устройства, изоб- . 20раженной на Фиг.2.Электрический сигнал (Фиг. За,подлежащий передаче по циФровому каналу связи, с входа 1 б подается нааналого-циФровой преобразователь 17.обеспечивающий выделение отсчетовсигнала через интервал Котельникова(Фи г, Зб) и их преобразование в цифровую Форму. Преобразованные отсчетысигнала последовательно поступаютв блок 18 памяти, обеспечивающий запоминание 4 Итекущих отсчетов.Таким образом, обе специ вает сязапоминание текущих отсчетов сигналов на интервале 1 = 2(2 И)Т. С35выходов блока памяти цифровые сигналы подаются в блок 19 вычитания,обеспечиваюший суммирование величины центрального отсчета с коэффициент ом Ь=О, 5 и вели чин от с чето в си гнала, смещенных относительно ценастрального отсчета на время- (2 л)Т, с коэффициентами Ьп =Ь=2.= --( - у 1 и = 1,2 Б (фиг. Зв) .Ы и С выхода блока 19 преобразованныйпо Гильберту и продифференцированный 45на конечном интервале сигнал вцифровом виде подается на аппаратуруканала 20 связи, с выхода которогоцифровые коды подаются в другойблок 21 памяти на 2 М+1 текуших от-. 50счетов.Таким образом обеспечивается запоминание текущих цифровых отсчетов сигнала на интервале Г= 2 МТ.С выходов блока 21 памяти цифровые 55отсчеты поступают в блок 22 вычислений, обеспечивающий суммированиевеличины центрального отсчета с коэффициентом Хр и величин отсчетов сигнала, смещенных относительно центрального отсчета на время 1 = вТ,с коэфФициентами ХХ,; в = 1,2, И (фиг, Зг) .На выхсде блока 22 выделяется в цифровой форме сигнал (фиг. Зд), который вновь преобразуется в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя 23, В случае необходимости коррекция эхо-сигналов производится в блоке 24, ка выходе 25 которого выделяется исходный электрический сигнал, (фиг. Зе) .Предложенный способ передачи и при ема сигналов позволяет значительно умен ьши т ь вли ян не ци фро вых оши бо к в кан але свя эи .Использование предложенно го способа, например, при передаче сигналов телевидения позволяет снизить требования к достоверности передачи в канале связи примерно на порядок по отношению к дифференциальной импульсно-кодовой модуляции. Это позволяет испольэовать предложенный способ на линиях связи с напряженной энергетикой, например на линиях связи и ИСЗ.Формула изобретенияСпособ цифровой передачи и приемаэле ктри че ски х си гн алов, в которомна передающей стороне аналоговыйсигнал дифференцируют, дискретизируют по времени, квантуют по уровню,кодируют и передают по каналу связи,а на приемной стороне - декодируют,преобразуют в аналоговый сигнал иинтегрируют, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения помехоустойчивости, на передаюшей сторонеаналоговый сигнал после дифференцирования преобразуют по Гильберту наконечном заданном временном интервале, а на приемной стороне после интегрирования полученный сигнал преобразуют по Гильберту на конечномвременном интервале, равном конечному заданному временному интервалудля преобразования по Гильберту напередающей стороне, и компен сируютэхо-сигналы, возникающие при преобразовании сигнала по Гильберту.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Кэтермоул К.В. Принципы импульсно-кодовой модуляции. М.,Связь , 1974, с. 189 (прототип) .637971 в авитель В. Дворковичед Н.Бабурка Коррект Т ктор Е. Месропов мар Заказ 2515/ По те 113 5 лиал П 11 ППатент, г. Ужгород, ул. Проентна Тираж 729 НИНПИ Государственного по делам изобретений 35, Москва, У, Радпи сное та СССРытийнаб д,