...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич - Страница 60

Порог... Может быть, и нам ставить диагноз подобным образом: превышает поступивший из линии сигнал установленный пороговый уровень - передана 1, ниже порогового уровня - передан 0. Это правило очень простое и легко реализуется с помощью микросхем (их назвали компараторами), сравнивающих два сигнала, один из которых поступает из линии, а другой является эталоном, или опорным, и играет роль порога. При превышении порога на выходе компаратора появляется импульс, свидетельствующий о том, что принято решение: передана 1. В противном случае на его выходе ничего нет - молчаливое свидетельство того, что передан 0.

Вот только какой "высоты" этот порог устанавливать? Если небольшой, то компаратор будет уверенно обнаруживать каждый переданный импульс, даже очень сильно "изъеденный" помехой (при условии, конечно, что он не исчез совсем). Но зато при этом нет никакой гарантии, что из-за частого превышения шумом невысокого порога не будут пропущены те моменты, когда передавались 0 и, следовательно, импульсы в линии отсутствовали. Наоборот, если пороговую "планку" поднять очень высоко, то компаратор не пропустит почти ни одного 0 (кроме тех редких случаев, когда шум будет очень большим). Но вместе с тем он не будет "замечать" большое число импульсов, амплитуды которых уменьшились из-за воздействия помех и оказались ниже порогового уровня. Взгляните на рисунок, показывающий, как влияет значение порога на вероятности ошибочных решений. С увеличением порогового значения растет вероятность пропуска 1, но одновременно уменьшается вероятность пропуска 0. Пересечение этих кривых - вот "соломоново решение"! При таком пороговом значении, равном как раз половине высоты импульса, риск пропустить ту или другую цифру - 0 или 1 - одинаковый.

Итак, компаратор принимает решение о том, какой символ был передан, путем сравнивания амплитуды входного сигнала с эталонным значением - порогом. Все то время, в течение которого сигнал по высоте превышает порог, на выходе компаратора существует импульс, сигнализирующий об этом превышении. Но нужно ли проводить такое сравнение непрерывно? Очевидно, нет, тем более что компаратор будет выдавать импульсы неодинаковой длительности (в этом легко убедиться, проведя на рисунке, изображающем искаженный сигнал, горизонтальную черту - порог: все превышения этого порога имеют разную длительность). Поэтому поступают так: через равные промежутки времени (правильнее сказать, через тактовые интервалы) на компаратор поступает команда: "Произвести сравнение!".

Ну, а кто дает такие указания, вы знаете - система синхронизации. Значит, опять нужны тактовые импульсы, и если взять их неоткуда (а такие ситуации встретятся позже), то эти импульсы выделяют из цифрового потока тем способом, который мы уже описывали ранее. Для управления компаратором тактовые импульсы делают очень короткими, чтобы сравнение осуществлялось в один миг, тот самый, который соответствует именно середине передаваемого импульса. Ясно, что теперь и на выходе компаратора будут появляться короткие импульсы, сигнализирующие "Есть 1!".

Диагноз поставлен - время назначать лечение. Теперь ничего не стоит вернуть битам "пышущий здоровьем вид". Делает это другая микросхема - мультивибратор. И происходит такая процедура следующим образом. Получил мультивибратор короткое указание от компаратора "Выдать импульс!" - и, пожалуйста, новенький, без всяких изъянов импульс требуемой амплитуды и длительности готов!

Описанная процедура восстановления цифровых сигналов называется регенерацией (от позднелатинского regeneratio - возрождение, возобновление), а устройство, выполняющее эти функции, - регенератором. Как мы видели, регенератор включает в себя схемы: принятия решения, формирования импульсов, выделения тактовой частоты. Устанавливается он на выходе линии связи. Теперь можно не волноваться - на микросхемы приемной станции поступает привычная двоичная информация: "Да" и "Нет". Регенераторами снабжаются все цифровые системы передачи, работающие но электрическим и оптическим кабелям, радиорелейным и спутниковым стволам. На радиорелейных линиях связи регенераторы размещаются вместе с приемной аппаратурой на промежуточных и оконечных башнях (или мачтах), а на спутниковых линиях - на самом спутнике и на приемных земных станциях. А вот на кабельных магистралях их даже закапывают в землю, т. е. мы хотели сказать, что на этих линиях регенераторов ставят так много, что их приходится "врезать" прямо в кабель, лежащий в земле.

...Врачи говорят: "Болезнь легче предупредить, чем лечить". Сейчас нам предстоит убедиться в полезности этой рекомендации не только для людей, но и для битов. Решите такую задачу: известно, что линия из двух проводов телефонного кабеля протяженностью 1 км ослабляет сигнал в 10 раз. Во сколько раз ослабится сигнал в линии длиной 10 км? Не спешите, вы уже один раз попадали в ловушку (помните, с пальцами на 10 руках?). Давайте подсчитаем вместе. Пройдя 1 км, сигнал уменьшится в 10 раз. После прохождения 2-го километра он станет слабее еще в 10 раз. Итого - в 100 раз. После 3-го километра сигнал (заметьте, уже уменьшенный в 100 раз) снова претерпит ослабление в 10 раз, а значит, с самого начала пути в 1 000 раз. Продолжая рассуждать таким же образом, мы обнаружим, что через 10 км от сигнала почти ничего не останется: он уменьшится в 10 млрд раз! Вы можете представить себе такое ослабление? Поразительно, не правда ли?

Напомним, что в технике связи ослабление обычно измеряют не в "разах", а в специальных единицах - децибелах (мы об этом подробно рассказывали в главе "Стеклянный тоннель"). Ослаблению в 10 раз соответствует 10 дБ, в 100 раз - 20 дБ, в 1 000 раз - 30 дБ и т. д. Легко подсчитать, что пара проводов в 10-километровом "куске" телефонного кабеля, уменьшающая сигнал в 10 млрд раз, вносит ослабление в 100 дБ. Последняя цифра станет более понятной, если мы скажем, что это равносильно ослаблению оглушительного рева двигателя самолета на старте до неуловимого шелеста листьев деревьев в тихую погоду.

Положим, что исходный ток в импульсе при передаче 1 составлял 120 мА. В конце же линии длиной 10 км он будет равен лишь одной стотысячной доле микроампера. Такой ток не удастся зарегистрировать ни одним прибором - настолько он мал. Любой шумовой ток и токи помех по величине намного превосходят его. Сигнал исчез, он растворился в шумах, поглощен помехами. Но разве это расстояние для связи - 10 км? Мы должны уметь передавать сигнал на многие тысячи километров. Вот потому-то и приходится, чтобы сигнал не успевал сильно ослабляться и заметно отличался от помех, на кабельных линиях ставить регенераторы очень часто. Только тогда из него можно будет восстанавливать импульсы, не допуская при этом большого числа ошибок.

Остается лишь уточнить, как все же часто следует включать в телефонный кабель регенераторы? Очевидно, это зависит от того, какую вероятность ошибки можно допустить при приеме цифровой информации. Одно дело, когда регенераторы ставятся через 1 км. В этом случае исходный ток импульса (скажем, 120 мА), дойдя до регенератора, уменьшится незначительно (в нашем примере - до 12 мА) и будет заметно превышать среднее значение токов помех. Ясно, что такие большие "выбросы" мешающих токов, которые могут вызвать ошибочный диагноз "главного терапевта" - компаратора, большая редкость. Вероятность ошибки может быть сведена к очень малой величине. Правда, довольно дорогой ценой. Причем слово "дорогой" мы употребили в прямом смысле: установка регенераторов через каждый километр, например, на 100-километровой магистрали потребует немалых финансовых затрат, ведь каждый регенератор - не детская электронная игрушка (которая, кстати, стоит тоже недешево), а достаточно сложное устройство стоимостью в тысячи рублей. И совсем другое дело, если в целях экономии средств регенераторы "расставить" на магистрали, скажем, через 5 км. Ток на участке линии между двумя регенераторами уменьшится теперь в 100000 раз (что эквивалентно 50 дБ), и для взятого нами примера будет равен 1,2 мкА, а это уже на уровне шумов! Теперь ошибки почти неизбежны. Более того, пет никакой гарантии, что это не будут сплошные ошибки. Значит, нужно искать компромисс, магистраль должна быть как можно дешевле, но в то же время - обеспечивать вероятность ошибки не больше допустимой.