Medii de transmitere pentru semnale

Medii de transmitere pentru semnale. Perturbatii
    4.1.1. Transmitere prin cablu metalic
    Prin caracterul sau digital (binar, tertiar), semnalul PCM este adecvat pentru medii de transmisiuni dintre cele mai diferite: cabluri metalice, cabluri fire optice, sisteme radioreleu, satelit, etc.
    Pentru circuitele de intercomunicatie, mijlocul tehnic cel mai des utilizat il reprezinta deocamdata cablul telefonic cu perechi simetrice avand conductoare cu diametrul de 0,5 pana la 1,2 mm. Pentru sistemele PCM se folosesc perechi cu conductoare de Cu, cu diametrul de 0,8 - 0,9 mm.
    Datorita efectului pelicular, atenuarea unei astfel de perechi creste proportional cu radicalul frecventei:

Fig. 4.1. Dependenta de frecventa a atenuarii unei perechi simetrice.
    Pentru transmisia semnalului PCM de cea mai mare importanta este valoarea pe care atenuarea o are la frecventa egala cu jumatatea vitezei, pentru semnalul de 2048 Kb/s frecventa de maxima (importanta) semnificatie este de aproximativ 1MHz.
    La aceasta frecventa, spectrul relativ de putere al unui semnal de linie AMI (sau HDB 3) are un maxim pronuntat (fig. 4.2).

    Fig. 4.2. Spectrele relative de putere ale unor semnale de linie ternale cu viteza de 2048 kbit/s.

    4.1.2. Zgomotul si distorsiunea totala
    Zgomotul constituie unul din cei mai importanti parametri din comunicatiile analog / digitale.
    Efectul zgomotului asupra calitatii transmisiunilor este diferit, in functie de tipul serviciului (telefonic, transmisii de date, etc.) si de proprietatile diverselor forme de zgomot implicate.
    In transmisiile telefonice zgomotul provoaca o 'mascare' a pragului de audibilitate care creste pe masura ce nivelul zgomotului devine mai important. In transmisiunile de date, efectul se manifesta prin erori la partea de receptie a modemului sau prin cresterea susceptibilitatii acestuia la alte imperfectiuni ale canalului.
    Conditiile in telefonie impuse zgomotului de fond in impulsuri sunt mai restrictive decat la transmisiunile de date. In cazul transmisiunilor de date la debite binare egale si mai mari de 14.400 b/s pe circuitele vocale, conditiile privind zgomotul de fond nu sunt de neglijat. Zgomotul reprezinta orice perturbatie care afecteaza un semnal util, prin insumare cu acesta.
    Charls I. Sippl defineste zgomotul in dictionarul 'Mac Millan Dictionary of Data Comunications':
a) variatii aleatoare ale uneia sau mai multor caracteristici, asociate unei marimi, cum ar fi: curentul I, tensiunea U etc.;
b) un semnal aleator cu proprietati statistice cunoscute ale distributiei de amplitudine si densitatii spectrale.

    4.1.3. Clasificarea zgomotului
Zgomotul de circuite analog/digital:
zgomot independent de semnalul util:
zgomot aleator (de fond):
- termic;
de semiconductor (alice);
de intermodulatie;
de joasa frecventa;
diafonie liniara;
convertor A/D (deplasarea punctului de zero);
zgomote datorate erorilor digitale.
b) semnale perturbatoare sinusoidale:
reziduri de purtatori;
fundamentala si armonicele retelei (prin cuplaje inductive si capacitive);
semnalizari (prin diafonie).
c) zgomot in impulsuri:
zgomot datorat erorilor digitale;
zgomot pe circuite echipate cu compandoare (cu semnul de activare);
zgomot distorsiune de esantionare (aliasing distorsion).
zgomot dependent de semnalul util:
zgomot (distorsiune) de cuantizare;
zgomot datorat erorilor digitale;
zgomot pe circuite ce contin compandoare;
zgomot de esantionare.

    4.1.3.1. Zgomotul aleator (de fond)
Cauze :
- zgomot termic sau de rezistenta (specific sistemului analogic pe cablu metalic sau radiorelee);
- zgomot de semiconductor (zgomot de alice);
- zgomot de intermodulatie (diafonie neinteligibila in sistemul FDM);
- zgomot de j.f (legea 1/f);
- zgomot datorat diafoniei liniare;
- zgomot datorat erorilor digitale (in repaus);
- zgomot datorat convertorului A/D ('of set' al caracteristicii de codare);
- zgomot datorat unor contacte imperfecte (ex. potentiometre defecte).

    4.1.3.2. Zgomot cu frecventa unica (tonuri perturbatoare)
Cauze :
- reziduuri de purtatori si combinatiile acestora in sistem (FDM);
semnal frecventa de semnalizare (prin diafonie);
- armonicele frecventei de retea (prin cuplaje inductive si capacitive).

    4.1.3.3. Zgomot in impulsuri
Cauze:
- fenomene de limitare si suprasarcina in sistemele FDM (distorsiuni de neliniaritate);
- diafonia in circuite cu semnale digitale;
- perturbatii din echipamente de climatizare ale centralelor telefonice;
- fenomene tranzitorii datorate comutarilor din sistemele de electroalimentare;
- motoare electrice (la pornire);
- lampi fluorescente;
- centrale Rotary;
- erori pe traseele digitale;
- zgomotul datorat unor contacte imperfecte.
    Din categoria zgomotului dependent de semnalul util (distorsionarea) fac parte: distorsiunea de cuantizare; zgomot datorat erorilor digitale; zgomot pe circuite echipate cu compandoare si zgomotul de esantionare (aliasing distortion).
    Cauze: conversia A/D si D/A si alte prelucrari digitale.
Diferenta dintre semnalul original si cel aproximat este denumita eroare (zgomot) de cuantizare.
Aceasta eroare este functia de semnalul de intrare si de parametrii sistemului, de exemplu de lungimea codului.
Efectuand raportul dintre semnalul de la intrarea codecului si zgomotul de cuantizare de la iesirea acestuia se obtine distorsiunea de cuantizare.
Prin definitie, se alege ca unitate de distorsiune de cuantizare (dqu) distorsiunea introdusa de un codec PCM de 8 biti (legea A sau ?) care este in conformitate cu recomandarile G. 711 si G. 712 . (qdu - Quantizing Distorsion Unit).

    Ilustrarea zgomotului de cuantizare: (fig. 4.3.)

semnal la intrare codec; b) semnal la iesire codecului;
c) zgomot cuantizare codecului.

    Fig. 4.3. Prezentarea semnalului de zgomot.

    4.1.3.4. Marimi utilizate pentru evaluarea zgomotului
a) Raportul semnal - zgomot (S/Z). (Signal to Noise ratio).
S - puterea cu care semnalul util ajunge la receptie.

S/Z = 20 log ; s/z = 10 log  . (4.1.)

    Legaturile telefonice de buna calitate au un raport semnal/zgomot de minim 40 dB. Pastrarea unui raport s/z se face cu eforturi tehnice si financiare considerabile.
    In cazul transmiterilor digitale, in speta a celor PCM, se permite ca la receptie sa aiba loc o regenerare a semnalului util.
    Regenerarea este posibila numai in anumite limite pe care le defineste simplu si intuitiv formula lui Shannon. Conform formulei, viteza de transmitere a semnalului digital este direct proportionala atat cu largimea de banda B a canalului cat si cu raportul semnal / zgomot (s/z).
C (bit/s) =  B (Hz)xE (dB) (4.2.)
Pentru viteza de 2048 Kb/s, largimea de banda necesara la s/z = 15 dB este:
B =  400 kHz, in timp ce la s/z = 30 dB largimea de banda este de numai = 200 kHz.

    Transmisia PCM fara erori este posibila incepand de la raportul s/z de 15 pana la 20 dB in timp ce pentru o transmisie analogica trebuie sa se realizeze insumat de la un capat la altul al conexiunii (legaturii) cel putin 40 - 50 dB. Concluzia este ca tehnica PCM devine utilizabila in zonele cu nivele ridicate de perturbatii electrice cum sunt marile orase, cai ferate electrificate, incinte industrializate, etc.

4.1.4. Calitatea transmisiilor semnalelor digitale
    4.1.4.1. Introducere

    Calitatea transmisiei semnalelor digitale prin sistemul de comunicatii digitale este apreciata prin doi parametri: rata erorilor si jitterul.
    Rata de eroare pe bit (BER- Bit Error Rate) se defineste prin raportul dintre numarul de simboluri receptionate eronat si numarul total de simboluri emise intr-un interval de timp definit. Se apreciaza ca pentru comunicatiile telefonice o rata a erorilor de 10E-6 este satisfacatoare.
    Eliminarea completa a erorilor pe circuitul vocal sau circuitul de date este practic imposibila. De aceea, sistemele de comunicatii se bazeaza in general pe tehnica detectiei si corectiei erorilor.
    Pentru evaluarea preciziei de transmitere a datelor se determina rata de eroare pe blocuri (Block Error Rate).
BLER = 

    Prin bloc se intelege o succesiune pseudoaleatoare cu lungime si structura standard. In cazul sistemelor digitale, variatiile momentelor semnificative ale semnalului digital fata de pozitia lor ideala in timp pot aparea in doua forme diferite:
- jitter;
- wander.
    Jitterul reprezinta variatii pe termen scurt ale momentelor semnificative ale semnalului digital. Mentiunea ca jitterul este 'de faza' devine inutila in transmisiunile digitale spre deosebire de cele analogice unde poate fi intalnita si notiunea de jitter de amplitudine.
    Variatiile de faza pe termen lung (wander) reprezinta variatii lente ale momentelor semnificative ale semnalului digital fata de pozitia lor ideala.

    4.1.4.2. Explicarea notiunilor
    Fenomenul de jitter este observabil la capatul oricarei sectiuni digitale atunci cand la capatul opus al acestuia se aplica un semnal digital.
    Examinand semnalul digital receptionat, inainte de regenerare, se observa o deplasare a fronturilor acestuia deoparte si de alta fata de pozitia ideala, avand ca referinta tranzitiile semnalului de tact.
    Daca semnalul de tact ar fi complet lipsit de jitter, atunci procesul de regenerare prin esantioane la mijlocul elementelor de semnal ar putea conduce la recuperarea fara jitter a semnalului digital.
    In acest caz, extensia maxima, a tranzitiilor semnalului inainte de regenerare este egala cu durata T a unui element de semnal, numit interval unitate si notat UI (unitate interval). Depasirea acestei valori conduce la o decizie eronata. In transmisiile digitale este uzual ca valoarea jitterului sa fie exprimata fie in intervale unitate (UI) fie in procente.
    Ilustrarea jitterului si procesul de regenerare ideal sunt prezentate in figura 4.4..

a). Regenerarea semnalului digital b). Definirea jitterului
    Fig. 4.4. Jitterul si procesul de regenerare ideal

    4.1.4.3. Originea jitterului si wanderului.

    Fig. 4.5. Ilustrarea jitterului la extremitatile unei sectiuni digitale.
Sursele de jitter sunt numeroase, cele mai reprezentative sunt:
a). regeneratorul digital
    Principial un regenerator reface semnalul digital de la intrare cu ajutorul unui semnal de tact, extras din acesta prin filtrare. Datorita imperfectiunilor de filtrare, semnalul de tact extras contine o modulatie de faza inerenta care este transmisa integral semnalului digital regenerat sub forma de jitter.
b). interferenta intre simboluri.
    Distorsiunile de atenuare de timp si propagare de grup introduse de suportul de transmisie digital si de alte componente insuficient egalizate modifica forma impulsurilor.
    Originea wanderului este cautata in :
    - variatia caracteristicilor mediului de transmisie;
    - variatia generatoarelor de tact din nodurile retelelor digitale.

    4.1.4.4. Nivelul absolut de putere si tensiune al zgomotului [dBm]
E: Noise level
F: Niveau de bruit
Nivelul absolut de putere al zgomotului se defineste ca si in cazul semnalelor prin raportul:
N_rz = 10 log  (4.3.)

Nivelul absolut de tensiune, in ipoteza unei sarcini R_s= 600 ohmi este:

N_u=20 log . (4.4.)

Daca R_s = 600 ? intre cele doua marimi este valabila relatia:

N [dBm] = N [dBu] + 10 log  (4.5.)

4.1.4.5. Nivel si putere de zgomot psofometric
In situatia masurarii zgomotului psofometric este valabila urmatoarea corespondenta:
Tabelul 4.1.

    Cel mai frecvent mod de exprimare a zgomotului in comunicatii este in dBmop si pWop, adica nivelul de putere si puterea zgomotului intr-un punct de nivel relativ OdBr.