Борис Крук - ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

Между разбросом параметров резисторов и статистикой помех много общего. Возьмем, к примеру, тепловой шум. В среднем хаотическое движение электронов дает нулевой ток. Но это в среднем. Ученые обнаружили, что отклонения шумового тока от среднего подчиняются тому же закону, что и отклонения сопротивления резисторов от номинального значения. Следовательно, могут, хотя и редко, появляться значительные "выбросы" шумового тока. Они-то и будут представлять основную опасность для процесса принятия решения. Появление положительного "выброса" шума на том промежутке времени, где передавался 0, приведет к ложному выводу о том, что была передана 1. В свою очередь, отрицательный "выброс" шума, появившийся в момент передачи 1, наложится на импульс и "уничтожит" его. И это тоже приведет к неверному решению, так как будет зафиксировано, что передавался 0. Заметим, что аналогичная картина может иметь место и при действии межсимвольных искажений, а также других помех.

Очевидно, ошибка в решении возникает тогда, когда амплитуда "выброса" шума, или помехи, будет соизмерима с амплитудой импульса. При малых же уровнях шумовых воздействий различить наличие или отсутствие импульса на их фоне не так уж трудно. Каким же должно быть правило принятия решения?

Шахтерам хорошо известно такое опасное явление, как "выбрасывание" угля из угольного пласта: за несколько секунд в свободное пространство забоя выносятся десятки (а иногда и тысячи) тонн угля. Эта неуправляемая масса угля ломает крепление забоя, образует в нем завалы. Нередко в ловушку попадают люди, работающие на большой глубине в угольной лаве. Предсказывать подобные катастрофы в шахтах помогли геофизики. Они устанавливают в забое геофоны (приборы для улавливания звуковых колебаний) и слушают шумы. Пока опасности нет, геофоны фиксируют лишь обычные для забоя шумы: работу отбойных молотков, угольного комбайна. Но как только уровень шумности превысил установленный порог - жди беды, это трещит и создает сильный шум угольный пласт, внутри которого создалось избыточное горное давление. Значит, скоро рванет!

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.