На практиці часто потрібно здійснити одночасну передачу інформації від багатьох джерел по одному каналу до багатьох одержувачів, т. Е. Здійснити багатоканальну передачу. Слід сказати, що сучасні системи передачі інформації практично завжди багатоканальні.
Спосіб об'єднання окремих повідомлень в один груповий сигнал з подальшим поділом повідомлень на індивідуальні називається ущільненням або мультиплексированием. До класичних методів ущільнення відносяться частотне, тимчасове і кодове.
Сутність методів мультиплексування полягає в тому, що повідомлення від декількох джерел певним чином комбінуються в груповий сигнал і приймаються за допомогою одного приймача. Оскільки сучасна система зв'язку зазвичай є багатоканальної, необхідною частиною будь-якої системи передачі інформації служить мультиплексор (рис.9).
При тимчасовому мультиплексировании в умовному часовому інтервалі розміщують послідовно відрізки повідомлень, наприклад кодові послідовності кожного приватного каналу. Якщо при частотному мультиплексировании повідомлення від різних абонентів передаються одночасно по загальному каналу, при тимчасовому мультиплексировании передача здійснюється строго по черзі, т. Е. Смуга пропускання каналу надається повністю на певний інтервал часу кожному абоненту. На практиці зазвичай групи каналів об'єднуються в супергрупи і при кожному ієрархічному об'єднанні може застосовуватися різний спосіб модуляції несучої.
Так як принциповою основою багатоканальної цифрової системи передачі інформації є тимчасова шкала, яка визначає розстановку інформаційних і службових сигналів, з'єднання цифрових систем різної ємності в єдину мережу можливо лише за умови кратного відповідності тимчасових шкал різних систем і стандартизації групових сигналів і способів синхронізації. З цією метою розробляється ієрархія (підпорядкованість) цифрових систем.
Під рівнем цифрової системи розуміється число каналів або швидкість передачі. Ієрархія передбачає можливість утворення цифровими системами нижчого порядку системи вищого порядку. На одному рівні об'єднується фіксоване число цифрових сигналів системи нижчого рівня для освіти сумарного цифрового сигналу більш високого рівня.
Існує багато причин, що викликають необхідність стандартизації швидкостей передачі цифрової інформації. До них відносяться вимоги споживачів каналів до універсальності передавальної апаратури по відношенню до різних джерел інформації, необхідності планування розвитку мереж передачі даних з урахуванням старої і нової апаратури при гармонійному поєднанні систем, надійності і гнучкості мережі передачі даних. Завдяки дотриманню стандартів ієрархії можна здійснювати передачу цифрової інформації по комбінованим системам з використанням кабельних, радіо, супутникових, волоконно-оптичних і інших каналів.
Тут, мабуть, доречно коротко зупинитися на кодуванні телевізійних зображень. Труднощі уявлення телевізійних зображень в цифровій формі очевидні. Нехай на кожен елемент припадає один відлік сигналу, який необхідно перетворити в відповідну кодову комбінацію, номер якої визначається номером рівня квантування.
Число рівнів квантування відліків, виходячи з практики, приймається рівним 256, отже, для передачі телевізійного сигналу необхідні кодові комбінації з числом елементів n = log2 256 = 8.
Тепер неважко приблизно оцінити необхідну швидкість передачі або ширину спектра цифрових телевізійних сигналів. З теореми про вибірках відомо, що їх частота повинна бути дорівнює подвоєною верхньої частоті безперервного сигналу. Це означає, що для телевізійного сигналу зі стандартною смугою 6 МГц частота вибірок складе 12 МГц, і якщо в інтервалі між вибірками потрібно передавати 8-елементні кодові комбінації, то в секунду необхідно передавати 12 · 8 = 96 млн. Імпульсів, т. Е. працювати зі швидкістю 96 Мбіт / с. Отже, ширина спектра цифрового телевізійного сигналу дорівнює приблизно 100 МГц.
Таким чином, пристрої перетворення телевізійних сигналів повинні оперувати з імпульсами тривалістю менше 0,01 мкс. Кілька років тому подібна техніка тільки починала розроблятися.
З таблиці ієрархії рівнів цифрових систем слід, що потік імпульсів зі швидкістю близько 100 Мбіт / с можна передавати тільки по системам передачі 4-го рівня. Тому завдання зниження швидкості передачі цифрового телебачення, т. Е. Звуження смуги переданого сигналу, є найважливішою.
Один із способів зниження швидкості передачі телевізійних зображень ґрунтується на кодуванні зображень з прогнозом. До цього є серйозні підстави. Справа в тому, що статистичні спостереження телевізійних зображень показують, що ймовірність появи змін елементів зображення від кадру до кадру в середньому незначна. Так, при спостереженні досить динамічною картини граючих дітей 30% -на зміна елементів відбувається з ймовірністю 0,1, при спостереженні двох розмовляють людей 10% -на зміна елементів відбувається з імовірністю приблизно 0,01, а 40% -ва зміна елементів - з ймовірністю 0,001. До цього слід додати, що людське око має дуже низьку чутливість до різких змін кольорів, але досить добре реагує на сигнали яскравості. Все це служить доказом на користь методу, при якому кодуються і передаються тільки зміни в телевізійному зображенні від кадру до кадру, що і становить істота диференціальної імпульсно-кодової модуляції (ДІКМ).
Зміни в переданому сигналі визначаються в результаті порівняння вибірки сигналу в даний момент з її передбаченим значенням. Операція передбачення виконується на основі оцінки статистичних властивостей сигналу, що передається і значень вибірок в попередні моменти. З наведених у табл. 3 даних про цифрових телевізійних системах видно, що спосіб ДІКМ призводить до значного зниження швидкості цифрового потоку при практично незмінній якості.
У цифровій же кодованому вигляді поділ сигналів за допомогою спеціальних так званих "узгоджених" фільтрів є справою техніки.
Одна з особливостей методу кодового ущільнення сигналів полягає в тому, що сигнали повинні бути складними, т. Е. Складатися з великої кількості 0 і 1, а це означає, що при передачі інформації в реальному масштабі часу сигнали повинні бути короткими, а отже, широкосмуговими . Тому метод отримав в американській літературі назву Spread Spectrum Communication, т. Е. Зв'язок при розширенні спектра сигналів. В результаті того, що сигнали займають широкий спектр частот, передача інформації виходить прихованої і важко виявленої в зазвичай прийнятої ширині смуги частот. Це одне з головних достоїнств цього методу.
Пояснимо принцип кодового ущільнення сигналів. Припустимо, що кодові посилки 0 і 1 сигналу замінені спеціальними сигналами, що представляють собою певним чином складені послідовності імпульсів. Припустимо також, що такі сигнали ми вміємо генерувати, приймати і розрізняти. Тоді, якщо замість одного "інформаційного" імпульсу за цей же час передати, скажімо 1000 імпульсів спеціального сигналу, ширина спектра також збільшиться в 1000 разів. Тому сигнал займає широкий спектр частот. Тут, очевидно, буде потрібно застосування швидкодіючих інтегральних схем.
Тепер кілька слів про застосовувані спеціальних сигналах, які необхідно генерувати і розрізняти в приймальнику. Вони представляють найбільший інтерес. Ключовим моментом для розробки складних сигналів служить вид автокореляційної функції самого сигналу. Чи не втомлюючи читача складними поняттями з теорії передачі сигналів, скажімо, що чим більше сигнал по формі нагадує електричний шум, тим рівномірніше його спектр і тим гостріше у вигляді короткого імпульсу його автокореляційна функція, форму якої повторює сигнал на виході узгодженого фільтра приймача.
Свого часу були знайдені деякі сигнали, що нагадують за своїми характеристиками електричний шум. До таких сигналів відносяться імпульсні послідовності максимальної довжини або M-послідовності. Вони являють собою такий послідовний набір 0 і 1, при якому їх число виявляється майже рівним, а період повторення будь-яких поєднань відсутня. Виходить "псевдослучайная" послідовність 0 і 1, хоча структура даного сигналу строго визначена.
Імпульсна послідовність генерується n-розрядних регістром зсуву зі зворотним зв'язком, довжина послідовності, або найбільший період, дорівнює 2 n - 1. Для кожного значення n існують лінійні послідовності максимальної довжини. Наприклад, M-послідовність періоду n = 15 має вигляд 000100110101111. Існують послідовності з дуже великим періодом, наприклад, 1023 або ж 8191. Генерувати такі сигнали зараз не так важко.
Таким чином, можна організувати багатоканальну передачу, виділивши кожному джерелу повідомлень мінімум два сигнали з безлічі даної групи. Передача інформації відбувається в загальній смузі частот, кожен приймач виявляє свій сигнал, на який налаштований його узгоджений фільтр.
Системи з кодовим поділом особливо популярні в космічного зв'язку, у військовій зв'язку, де потрібно дотримуватися скритність передачі.