Розвиток
методів ефективного використання каналів зв'язку
... Якщо XVII
сторіччя і початок XVIII століття - століття годин, то нині є вік зв'язку
і 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.
Вельми
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) проводових каналів зв'язку, іншим був французький
інженер Бодо, який винайшов метод тимчасового ущільнення (ВУ). Ці методи дозволяли
по одній фізичній каналу організувати передачу багатоканальних повідомлень.
Вони знайшли широке 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
початок застосовуватися в 30-х роках, а для передачі аналогових сигналів - у 40-х
роках, коли почали 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 повідомлень, що передаються до цього часу залишаються звукові і 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
порівнянні з тією, яка потрібна для передачі звукових і 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 з
частотному ущільнення радіоканалів були здійснені в США ще в 1914 році.
Після винаходу методу модуляції ОБП в багатьох країнах велися розробки
багатоканальних радіосистем, що використовують цей вид модуляції. У СРСР перші
така робота була виконана в 1935 році під керівництвом В. А. Котельникова. У
Цього ж року 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, що виділена 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 і
супутникового зв'язку.
Радянські
вчені в 1941 році запропонували застосування методу ЧУ для створення багатоканальних
систем радіозв'язку з ЧС. Такі системи одержали в XX столітті найширше застосування
в радіорелейного зв'язку.
З початку 60-х
років різні методи багатостанційні доступу починають застосовуватися в
системах супутникового зв'язку. Розробляються багатоканальні системи "одна
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-ИКМ передаються мовні сигнали. У цій системі передбачено вимкнення
несе в паузах мови, що дозволяє збільшити число одночасно передаються
через нелінійний супутниковий ретранслятор каналів до 800.
Створення
супутникових систем багатостанційні 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 у
супутникового зв'язку починають застосовуватися системи багатостанційні доступу з
кодовим поділом (МДКР) каналів. У цих системах застосовуються широкополосні
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
1914
Досліди по частотному ущільнення
радіоканалу (США - Р. А. Хейсінг).
1918
Створення першої системи проводового зв'язку
з частотним ущільненням сигналами з ОБП (США).
1935
Створення в СРСР односмуговою
багатоканальної системи передачі сигналів телефонії та телеграфії (В. А.
Котельников, А. В. Черенков, А. Ф. Ганін).
1935
Винахід методу МДЧР (СРСР - М. П.
Долуханов).
1941
Винахід багатоканальної системи зв'язку
ЧУ-ФМ (СРСР - І. С. Гоноровський, В. І. Сіфоров).
1964
Створення дослідної супутникової системи
МДВР-ІКМ (США - фірма COMSAT).
1964
Створення супутникової системи зв'язку з
МДКР-ІКМ (США - Г. Блесбарг, Д. Фрідман, Р. Кіілер).
1969
Створення супутникової системи
"SPADE"-МДЧР-ІКМ (США - А. Вірі).
1970
Створення супутникової системи SMAX
МДВР-ІКМ (Японія - С. Накамура, С. Кондо, Ю. Іноге).
Скорочення
надмірності при передачі звукових сигналів
Мовні сигнали
Мовні сигнали
займають смугу частот, що дорівнює приблизно 3 кГц. Для їх передачі з високою якістю
в цифровому вигляді за допомогою ІКМ потрібно канал зв'язку зі швидкістю передачі 64
Кбіт/с. Усунення надмірності мовних сигналів дозволяє зменшити цю
швидкість. Одним з методів скорочення надмірності сигналів мови є
застосування адаптивної ДІКМ. У цьому методі здійснюється перетворення в
цифрову форму різниці між переданим відліком повідомлення та його
передбаченим значенням по кільком попереднім відліку. Застосування ДІКМ
дозволяє для мовних сигналів скоротити необхідну швидкість передачі в 2-4
рази.
Зменшити
надмірність сигналів мови можна і за допомогою вокодерной техніки. Перше
винахід вокодера, що дозволяв скоротити надмірність мовних сигналів,
було зроблено в 1939 році американським інженером Г. Дадлі. Протягом багатьох років
інженери США, Росії, Франції, Японії та інших країн працювали над
вдосконаленням вокодером.
У вокодера
шляхом аналізу мовного сигналу голосовий тракт моделюється що формує
фільтром, які порушуються імпульсним та 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.
Вокодер широко
застосовуються в сучасних системах рухомого зв'язку. У системі стільникового рухомого
зв'язку стандарту GSM застосовується вокодер з многоімпульсним збудженням і
лінійним кодуванням з прогнозом.
Над проблемами
створення вокодерной техніки активно працювали багато радянські вчені: А. П.
Петерсон, А. С. Пирогов, М. А. чобітки, Н. Н. Акінфієв, С. П. Баронін, В. Е.
Муравйов, Ю. К. Трофимов, А. І. Куштуев та ін Сучасні методи компресії
мовних сигналів дозволяють підвищити ефективність використання каналу зв'язку в
15-30 разів. Вокодер знаходять застосування не тільки в системах рухомого і
супутникового зв'язку, а й 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 мовлення, можливо і більше
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 спроможності каналів зв'язку,
була аналогова 48-канальна система TASI, створена в 1957 році для підводної
кабельної телефонного зв'язку між Європою та 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 в системі TASI, але й розподіл
рівнів мовних сигналів. Він знайшов застосування в цифрових багатоканальних
системах передачі повідомлень по радіорелейним і супутникових каналах зв'язку.
Застосування БІКМ в цифрових системах зв'язку зі швидкістю передачі 2048 Кбіт/с
подвоює їхню пропускну здатність, дозволяючи передавати по них не 30, а 60 ТФ
каналів з високою якістю, що задовольняє Рекомендацій 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 у 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 компандірованіем для
скорочення надмірності сигналів звукового мовлення. Її також називають системою
ІКМ з масштабуючі множники. Закладені в ній принципи скорочення
надмірності по суті мало відрізняються від винайденої дещо раніше
системи БІКМ. Застосування миттєвого компандірованія сигналу і введення
масштабних коефіцієнтів для блоків з послідовних 32 відліків дозволяє
зменшити кількість двійкових розрядів на один відлік з 16 до 9.
Використання
ДІКМ з введенням масштабування для блоків відліків також дозволяє скоротити
кількість двійкових розрядів на один відлік до 9. При цьому швидкість цифрового
потоку при перетворенні монофонічному 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), що призначений для скорочення надмірності ТВ 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
керуючими 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 стереопрограмми з якістю компакт-диска.
Хронологія
1939
Винахід смугового вокодера (США - Г.
Дадлі).
1956
Створення формантного вокодера (США - Дж.
Флаган, К. Говард).
1957
Створення гармонійного вокодера (СРСР --
А. А. Пирогов). 1959 рік - створення системи TASI (США - К. Булінгтон і М.
Фразер).
1962
Розробка кореляційних методів стиснення
спектра мови (США - М. Шредер).
1978
Створення системи БІКМ (СРСР - В. П.
Кокошкін).
1980
Розробка системи NICAM для скорочення
надмірності сигналів звукового мовлення (Великобританія - К. Р. Каїн і Ю. В.
О'Кларей).
1988
Розробка високоефективної системи
MUSICAM для стиснення сигналу звукового мовлення.
Скорочення
надмірності при передачі ТБ сигналів
Величезна робота
в другій половині XX століття була виконана дослідниками різних країн за
розробці методів стиснення ТБ сигналів. Скорочення смуги частот таких сигналів
обумовлено тим, що ТБ сигнал має велику надмірністю, так як є
незначні відмінності двох послідовних кадрів зображення і в кожному кадрі
є значні однотонні ділянки. Ця надмірність призводить до
особливостям спектру ТБ сигналу, які можуть бути використані для скорочення
смуги частот каналу зв'язку, необхідної для передачі ТБ сигналу. Таке скорочення
можливо за рахунок використання статистичних властивостей зображення і
психофізіологічних особливостей візуального сприйняття людини.
Першим
дослідженням, в якому було показано, що ТБ сигнал має значну
надмірність, тому що основна енергія його спектру, що має лінійчатих
структуру, розташована на гармоніках малої та кадрової частоти, з'явилася
робота, виконана в 1934 році американськими інженерами П. Мертцом і Ф. Греєм.
У 1950 році в
США інженер Р. Дім запропонував використовувати частотне ущільнення спектру ТБ
сигналу додатковою інформацією, що передається на піднесе, 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 піднесуча для передачі сигналів кольоровості
в спектрі чорно-білого ТВ сигналу. На цьому принципі грунтуються всі сучасні
стандарти кольорового ТВ (NTSC, PAL, SECAM).
У СРСР перша
дослідження можливостей скорочення надмірності ТВ сигналу були проведені в
Наприкінці 50-х років Н. Г. Дерюгіна і Д. С. Лебедєвим.
Одна з ранніх
ідей використання лінійчатих характеру спектру ТБ сигналу полягала в тому,
щоб в одному частотному каналі передавати два ТБ програми, при цьому спектр
другий ТВ сигналу Інвертувати і містився в проміжки між частотними
складовими спектру перший ТВ 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
два 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 спектру в цих системах полягає в
те, що частотні складові, що лежать у верхній області спектра вихідного ТБ
сигналу, що містяться в проміжки між частотними складовими, що знаходяться в
середній частині вихідного спектра. У системі MUSA досягалося стиснення спектру
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.
Майбутнє
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 ДІКМ. При цьому здійснюється прогноз кожного елемента зображення
на основі зваженої комбінації попередніхвідліків, розташованих поблизу від
нього. У канал зв'язку передається різниця між передбаченим і істинним
значенням цього елементу. Ця різниця незначна внаслідок високої
кореляції сусідніх елементів зображення, і для її передачі в цифровій формі
необхідно значно менша 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 надмірність переданого сигналу.
Використання
ДІКМ дозволяє скоротити цифровий потік для кольорового ТВ сигналу до 50-70
Мбіт/с. Застосування адаптивної ДІКМ з використанням межполевого і міжкадрових
предсказания дозволяє скоротити цей потік до 30 Мбіт/с.
Використання
алгоритмів компенсації руху та кодування блоків елементів зображення з
допомогою косинус-перетворення або перетворення Адамара дає можливість
скоротити цифровий потік мовного ТВ сигналу до 6 Мбіт/с.
Цей цифровий
потік шляхом застосування багатопозиційних сигналів (наприклад, КАМ-16) можна
передати в смузі частот 1.5-2 МГц, що дозволяє в смузі частот стандартного
каналу наземного ТВ мовлення розмістити 4-5 цифрових ТВ програм.
Хронологія
1934
Встановлення тонкої структури частотного
спектру сигналу зображення (США - П. Мертц і Ф. Грей).
1950
Відкриття методу частотної синхронізації,
дозволяє ущільнити спектр ТВ сигналу шляхом передачі сигналів на
піднесуча, частота яких вибирається рівною непарній-кратної половині
частоти рядків (США - Р. Будинок).
1957
Експериментальні дослідження спектру
потужності та функції кореляції ТВ сигналу (СРСР - Н. Г. Дерюгин).
1958
Дослідження можливостей застосування
статистичного кодування ТБ сигналів (СРСР - Д. С. Лебедєв).
1984
Розробка системи MUSE (Японія).
1986-1990 роки
Розробка методів скорочення цифрового
потоку для ТВ сигналів (Японія, Франція, США, СРСР, Німеччина, Італія та ін).
1988
Розробка європейської системи HD-MAC.
1989
Завершення розпочатої в 1988 році
розробки міжнародною групою експертів стандарту MPEG-1 для стиснення ТБ
сигналу і стандарту для стиснення сигналу звукового супроводу (MUSICAM).
1991
Розробка методу скорочення
надмірності цифрового сигналу ТВЧ до 25 Мбіт/с.
1994
Розробка і широке впровадження в
сучасну техніку цифрового ТВ мовлення стандарту MPEG-2 --
вдосконаленої версії раніше розробленого стандарту MPEG-1.
1998
Розробка стандарту MPEG-4, що дає
більше стиснення сигналів ТВ та звукового супроводу, ніж стандарт MPEG-2.
Список
літератури
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.computer-museum.ru/
