Маъруза кириш. Оптик алоқа тизимлари, асосий таъриф ва тушунчалар, ривожланиш тарихи, тавсифлари, тузилиш принципи ва таснифи

1.2. Асосий концепциялар. Аналог ва рақамли сигналлар. Каналларни мультиплексорлаш. Модуляция форматлари.


Analog va raqamli signallar

Har qanday aloqa tizimida uzatiladigan axborot odatda analog yoki raqamli shaklga ega bo‘lgan elektr signal sifatida mavjud. Analog holatda, signal (masalan, elektr tokini) vaqt kesimida doimiy ravishda o‘zgarib turadi, bu 1.6-rasmda ko‘rsatilgan (a). Shunga o‘xshash misollar mikrofon ovozni yoki videokamera tasvirшni elektr signaliga o‘zgartirganda paydo bo‘ladigan audio va video signallarni o‘z ichiga oladi. Shunga qarama-qarshi ravishda, raqamli signal bir necha diskret qiymatlarni oladi. Raqamli signalning binar ifodasida faqat ikkita qiymat mavjud. Binar raqamli signalning eng oddiy usuli, bu erda elektr tokining ham yoqilgan ham o‘chirilgan holati 1.7- rasmda ko‘rsatilgan (b). Ushbu ikki imkoniyat "bit 1" va "bit 0" deb ataladi (bit bu binar raqamning shakli). Har bir bit, bit oralig‘i yoki bit intervali sifatida ma'lum bo‘lgan aniq bir Tg vaqt mobaynida davom etadi. Bir bit axborot Tg vaqt oralig‘ida uzatiladi, B bit tezligi sekundiga uzatiladigan bitlar soni bilan aniqlanadi, oddiy qilib aytganda B=Tg^-1. Raqamli signallarning yaxshi ma'lum bo‘lgan namunasi kompyuter ma'lumoti bilan ta'minlangan. Alfavitning har bir harfi boshqa umumiy ramzlar bilan birga (kasr sonlar, punktuatsiya belgilari, va hokazo) binar vakli 7 bitli raqamli signalga mos keladigan 0-127 intervalda kod raqami (ASCII kodi) deb beriladi. Boshlang‘ich ASCII kodi 8 bitli bayt orqali uzatilgan 256 ta belgigacha kengaytirilgan.

1.7- rasm. Analog signal (a) va (b) raqamli signallarning tasvirlanishi

Ham analog, ham raqamli signallar signalning spektral tarkibi o‘lchovi bo‘lgan tarmoq kengligi bilan tavsiflanadi. Signalning tarmoq kengligi signal ichidagi chastotalarni ifodalaydi va Fourier konvertatsiyasi orqali matematik tarzda aniqlanadi. Analog signal raqamli shakliga muntazam vaqt oralig‘ida diskretlash orqali o‘zgartiriladi. 1.8-rasmda o‘zgartirish usuli sxematik tarzda aks ettirilgan. Diskretlash tezligi analog signalning tarmoq kengligi ∆f bilan belgilanadi.

Namuna olishning teoremasi [49] ga ko‘ra, agar ma'lumotlarning chastotasi f_s Naykvist mezonini, f_s>2∆f ni qoniqtirsa, tarmoq kengligi cheklangan signal hech qanday yo‘qotishlarsiz diskret namunalar bilan to‘liq ifodalanishi mumkin. Birinchi qadam o‘z ichiga to‘g‘ri chastotadagi analog signallar namunalarni oladi. Namuna qilingan qiymatlar har qanday 0 ≤A ≤A_max qiymatga ega bo‘lishi mumkin, bu erda A_max bu analog signalning maksimal amplitudasidir. Keling, A_max M diskretiga (teng joylashtirilishi shart emas) bolingan deb taxmin qilamiz. Har bir diskret qiymat bu deskret qiymatlardan biriga mos kelish uchun kvantlanadi. Ko‘rinib turibdiki, bu jarayon, qo‘shimcha shovqin hosil bo‘lihiga olib keladi. U kvantlangan shovqin sifatida ma’lum bo‘lib, oldindan mavjud analog signalga qo‘shimcha shovqinga qo‘shadi. Kvantlangan shovqin ta’siri M>A_max/A_N, kabi diskret bosqich sonini tanlash orqali minimallashtirilishi mumkin, bunda A_N analog signalning ildiz-o‘rtacha kvadrat shovqin amplitudasidir. A_max/A_N nisbat dinamik diapazon deb ataladi va u bilan bog‘liq bo‘lgan signal– shovqin nisbati (SNR) bilan bog‘liq.


SNR=20 log₁₀(A_max/A_N), (1.2)

bu erda SNR detsibel (dB) birliklarida ifodalanadi. Istalgan R nisbat 101og₁₀R umumiy tarif yordamida detsibellarga aylantirilishi mumkin.

1.8- rasm. Analog signalni ikkilik raqamli signalga aylantirish uchun zarur bo‘lgan uch bosqichi diskretlash (a), kvantlash (b) va kodlash (c)

Tenglama (1.2) 10 o‘rniga 20 koeffisientni o‘z ishiga oladi, chunki elektr signallar uchun SNR elektr quvvatiga nisbatan aniqlanadi, bunda A elektr toki (yoki kuchlanish) bilan bog‘liq. Kvantlangan diskret qiymatlar tegishli konversiya texnikasi yordamida raqamli formatga aylantirilishi mumkin. Impuls-pozitsiya modulatsiyasi deb nomlanadigan bitta sxemada, bit uyasidagi impuls joylashuvi diskret qiymat o‘lchovidir. Boshqasida, impuls davomiyligi modulatsiyasi deb nomlanuvchi, impuls kengligi namunaviy qiymatga mos ravishda bitdan bitgacha o‘zgaradi. Ushbu texnika amaliy optik aloqa tizimlarida kamdan kam qo‘llaniladi, chunki tola ichida signal tarqalishi mobaynida impuls joylashishi yoki impuls kengligini yuqori daraja aniqlikda ushlab turish qiyin. Impuls-kodli modulatsiya (IKM) deb nomlanadigan deyarli hamma joyda ishlatiladigan texnika ikkilik hisoblash tizimiga asoslangan, unda ma’lumot qolgan holatlardagiga o‘xshash bo‘lgan axborot impulslar yo‘qligi yoki mavjudligi bilan uzatiladi. Ikkilik kod namunaviy qiymatni 1 va 0 bitlik qatorga aylantirish uchun ishlatiladi. Har bir namunani kodlash uchun zarur bo‘lgan m bitlar soni M kvantlangan signal darajalarining soni

M=2^m yoki m=log₂M, (1.3)

nisbat bilan bog‘liq.

Shunday qilib, IKM raqamli uzatish bilan bog‘liq bit tezligi quyidagicha beriladi:

B=mf_s≥(2∆f) log₂M, (1.4)

bu erda Naykvist mezonlari f_s>2∆f, M>A_max/A_N, ishlatilgan ekanligini e’tiborga olgan holda va (1.2) tenglamani log₂10≈3,33 bilan birga olgan holda

B>(∆f/3)SNR, (1.5)

bo‘ladi.

Bu erda SNR detsibel (dB) birliklarida ifodalanadi. Tenglama (1.5) ∆f tarmoq kengligi analog signalning raqamli tarzda taqdim etilishi uchun zarur bo‘lgan eng kichik bit tezligi va maxsus SNR ni ta'minlaydi. SNR> 30 dB bo‘lsa, talab etilgan bit tezligi 10 (∆f) dan oshib ketadi, bu raqamli signallarning tarmoq kengligi talablarining sezilarli darajada oshishini ko‘rsatadi. Ushbu o‘sishga qaramay, raqamli format deyarli barcha optik aloqa tizimlari uchun ishlatilgan. Ushbu tanlov raqamli uzatish tizimlarining ustunlik bilan ishlashi tufayli amalga oshiriladi. Yorug‘lik to‘lqinlari tizimlari, tizim imkoniyatlarini (masalan, ~ 10⁵ faktor orqali) mikroto‘lqin tizimlariga taqqoslaganda shunday katta o‘sishini taqdim etadi, bu esa ba'zi tarmoq kengligi yaxshilangan ishlashi sababli sotilishi mumkin.
Tenglama. (1.2.4) da, telefonda xosil qilinadigan ovozli signalning raqamli signalga aylanishini ko‘rib chiqilgan.  Analog audio signali ∆f=3.1 kHz tarmoq kengligi ega 0.3-3.4 kHz oralig‘idagi chastotalarni o‘z ichiga oladi va taxminan 30 dB SNRga ega. (1.5) tenglama B>31 kb/s ekanligini bildiradi. Amalda, raqamli audio kanali 64 kb/sek da ishlaydi. Analog signal 125 µs (namunaviy tezligi f_s = 8 kHz) oralig‘ida namunaqa bolinadi va har bir namuna 8 bit bilan ifodalanadi. Raqamli video signallari uchun talab qilinadigan bit tezligi 1000 faktordan ko‘proqdir. Analog televizion signal taxminan 50 dB bo‘lgan SNR da 4MGts tarmoq kengligiga ega bo‘ladi. (1.5) tenglamaga ko‘ra eng kichik bit tezligi - 66 Mb/s dir. Amalda, raqamli video signal 100 Mb/s bit tezligi talab etadi yoki (MPEG-2 kabi) standart format yordamida siqilgan bo‘ladi.