Глава 2.1 Импульсно-кодовая модуляция

К цифровым относятся системы передачи, в которых все виды сообщений передаются посредством цифровых сигналов.
Самый распространенный метод аналого-цифрового преобразования – это импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).
Преобразование аналогового сигнала в ИКМ осуществляется в три этапа.

1. Дискретизация. Аналоговый сигнал дискретизируется по времени в соответствии с теоремой Котельникова (смотри глава 1.1), при этом образуется последовательность отсчетов этого сигнала (рисунок 28). Этот процесс называется амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

а)

б)

Рисунок 28 – Сигнал, дискретный по времени

АИМ сигналы бывают двух видов. АИМ первого рода (рисунок 28, а)), когда вершины импульсов повторяют форму аналогового сигнала. АИМ второго рода (рисунок 28, б)), когда вершины импульсов плоские.

Спектральная плотность аналогового и дискретного сигналов представлена на рисунке 29. На приеме исходный сигнал выделяется фильтром нижних частот.

Рисунок 29 – Спектры исходного и АИМ сигналов.

Временная дискретизация непрерывных сигналов и восстановление их происходит с определенной погрешностью. Погрешность дискретизации связана с тем, что реальные сигналы имеют конечную продолжительность и, вследствие этого, неограниченный спектр. Ограничение спектра для выбора частоты дискретизации приводит к тому, что часть спектра оказывается отброшенной и не участвует впоследствии в восстановлении спектра. Этот процесс неизбежен.

На приеме исходный сигнал выделяется фильтром нижних частот. Относительная ширина расфильтровки фильтра:

Это возможно лишь в том случае когда (F_Д - F_В) буде выше F_В.

При выборе F_Д учитываются два фактора:

• фильтр нужно сделать проще;
• F_Д должно быть не много больше 2 F_В.

Поэтому F_Д= (2,2 ÷2,4) F_В. Для цифровых систем передачи F_Д= 8 кГц – стандартная частота.

В результате дискретизации мы получаем сигнал дискретный по времени и непрерывный по амплитуде.

2. Квантование по уровню. На втором этапе осуществляется квантование АИМ сигнала по амплитуде. При этом весь диапазон значений сигнала разбивается на допустимые уровни квантования. При этом интервал между двумя ближайшими уровнями квантования называют шагом квантования и обозначают .

На данном этапе импульсы квантованного по времени АИМ сигнала, заменяются импульсами, амплитуда которых совпадает с ближайшим допустимым уровнем квантования.

Квантованный по амплитуде сигнал можно однозначно записать последовательностью цифр, характеризующих высоту импульсов этого сигнала в условных единицах (шагах квантования). Например в нашем случае квантованный сигнал можно представить в следующей последовательности цифр: ( 2, 5, 7, 7, 7, 5, 3) D (рисунок 30). Причем по данной последовательности уже не возможно точно восстановить форму исходного сигнала, т.к. амплитуда квантованного сигнала принимает лишь определенные значения, отличные от истинных. Квантование сигналов сопровождается определенной погрешностью, которая тем меньше, чем меньше шаг квантования. Разность между исходным и квантованным сигналами называется шумом квантования (ξ_кв).

(2.2)

Максимальная ошибка квантования не должна превышать половины шага квантования.

(2.3)

Рисунок 30 – Квантование по уровню

3. Кодирование На третьем этапе осуществляется преобразование многоуровнего цифрового сигнала в многоразрядный двоичный сигнал, т.е. ИКМ сигнал. При этом каждому импульсу многоуровнего сигнала, в зависимости от его амплитуды, ставится в соответствие кодовая комбинация, состоящая из m разрядов. Количество разрядов двоичного кода определяется числом амплитудных градаций М. Если максимальное значение кодируемого сигнала равно U_{с max} , то:

, (2.4)

где k равно 2 для двухполярного сигнала или равно 1 для однополярного сигнала.

Например, одноразрядным двоичным числом m=1, можно записать только два состояния 0 или 1, двухразрядным m=2 - четыре состояния, т.е. М = 4. Связь между числом разрядов m и числом возможных состояний М определяется соотношениями:

M=2^m , (2.5)

, (2.6)

В нашем примере используется 8 уровней квантования (0,1,2,3,4,5,6,7) (смотрите рисунок 30), следовательно, минимальное число разрядов должно быть равно 3 (m=log₂8=3).

Множество используемых кодовых комбинаций называется кодом. Простейшим кодом является натуральный двоичный код, у которого кодовые комбинации представляют собой запись номера уровня квантования в двоичной системе счисления. Такая запись имеет вид

, (2.7)

где а принимает значения 0 или 1; m – число разрядов в кодовой группе.

Такой код используется при кодировании однополярных сигналов. Например, в нашем случае (на рисунке 30), первый отсчет закодируем так:

2 = 0·2² + 1·2¹+0·2⁰=2. Соответствующая кодовая комбинация имеет вид 010.

Следующий отсчет закодируем: 5 = 1·2² + 0·2¹+1·2⁰=4+1. Кодовая комбинация: 101.И так далее.

Для двухполярных сигналов используется симметричный код, где старший знак разряда несет информацию о знаке.

Контрольные вопросы

1. Как получается цифровой сигнал при ИКМ?
2. Отчего зависит частота дискретизации?
3. Чем отличается АИМ сигнал первого и второго рода?
4. Зачем нужно квантование по уровню?
5. Что такое шаг квантования?
6. От чего зависит ошибка квантования?
7. От чего зависит разрядность кодового слова?

Глава 2.2 Плезиохронная цифровая иерархия (PDH)

Системы передачи с большим числом каналов стоятся по принципу временного объединения цифровых потоков. При этом системы с большим числом каналов (системы высшего порядка) строятся на основе нескольких систем с меньшим числом каналов (системы низшего порядка), путем использования нескольких ступеней объединения. Что позволяет применять в СП с ИКМ разной канальности типовое преобразовательное оборудование.

Скорость передачи цифровых потоков систем строго регламентируется. Скорость передачи группового сигнала В определяется как:

В = fд× m×N , (2.8)

где fд - частота дискретизации (для канала ТЧ - 8 кГц); N - число канальных интервалов в цикле (при расчетах полагают, что оно равно числу каналов ТЧ); m - разрядность кодового слова. Из формулы видно, что скорость передачи одного канала определяется как В1к = fд× m, при условии, что m = 8, В1к = 64 кБит/с.

Основу плезиохронной цифровой иерархии составляют первичные цифровые потоки (ПЦП). В нашей стране в качестве первичной принята СП ИКМ-30 (30 - число каналов), со скорость передачи ПЦП 2048 кБит/с.

Скорость вторичного цифрового потока (ВЦП) составляет 8448 кБит/с. Этот поток организуется путем объединения четырех ПЦП в аппаратуре вторичного временного группообразования (АВВГ), и соответственно содержит 120 каналов.

Скорость третичного цифрового потока (ТЦП) равна 34,368 Мбит/с. Данный поток формируется путем объединения четырех ВЦП, с помощью аппаратуры третичного временного группообразования (АТВГ), и содержит 480 каналов.

Скорость цифрового потока четверичных ЦСП равна 139,264 Мбит/с. Формируется данный поток, путем объединения четырех ТЦП, с использованием аппаратуры четверичного временного группообразования (АЧВГ).

Линейные сигналы всех ступеней ЦСП формируются соответствующей оконечной аппаратурой линейного тракта (ОЛТ).

В таблице 2 представлены ступени иерархии ЦСП, соответствующие им скорости передачи и аппаратура.

Таблица 2

Ступени иерархии ЦСП	Условное обозначение	Скорость передачи, кбит/с	Количество каналов ТЧ	Аппаратура ЦСП	Участок сети
первичная	ПЦП	2048	30	ИКМ-30	ГТС
вторичная	ВЦП	8448	30x4 =120	ИКМ-120	ГТС ВЗ
третичная	ТЦП	34 368	120x4=480	ИКМ-480	МС ВЗС
четверичная	ЧЦП	139 262	480x4 =1920	ИКМ-1920	МС ВЗС

ГТС - городская телефонная сеть;
ВЗС - внутризоновая сеть;
МС - магистральная сеть.

Контрольные вопросы

1. Как строится иерархия цифровых систем передачи?
2. От чего зависит скорость передачи цифрового потока?
3. Сколько ступеней имеет плезиохронная цифровая иерархия?

Глава 2.3 Структурная схема оконечной станции ЦСП с ИКМ

Формирование линейного сигнала в ЦСП с ИКМ может быть осуществлено либо путем непосредственного кодирования, либо путем объединения нескольких ЦП низшего порядка.

Рисунок 31- Структурная схема оконечной станции ЦСП с ИКМ

Структурная схема оконечной станции ЦСП с ИКМ с непосредственным кодированием представлена на рисунке 31. Передающее оконечное оборудование осуществляет дискретизацию входных аналоговых сигналов, временное объединение полученных дискретных отсчетов, их квантование, кодирование и преобразование ДЦС в на выходе кодера в форму, удобную для передачи по линии.

Приемное оконечное оборудование осуществляет обратное преобразование, т.е. из последовательности кодовых посылок восстанавливает непрерывный аналоговый сигнал.

Все устройства оконечной станции, кроме ФНЧ, который ограничивает спектр сигнала частотой 3,4 кГц, и электронных ключей (ЭКл), осуществляющих дискретизацию сигнала, являются групповыми. Фильтр нижних частот и электронный ключ относятся к индивидуальному оборудованию.

Передающая часть

Электронные ключи работают под воздействием управляющих импульсов, поступающих от ГО пер, которые замыкают ЭКл на короткое время. Таким образом на выходе ключа, появляется дискретный отсчет мгновенного значения входного аналогового сигнала. Частота следования данных отсчетов определяется теоремой Котельникова и выбирается равной 8 кГц. В результате дискретизации вместо непрерывного сигнала на входе Экл получается АИМ сигнал. Период следования отсчетов - 125 мкс (рисунок 32,а)).

При этом в интервале времени между отсчетами сигнала одного канала, располагаются отсчеты сигналов других каналов системы. Осуществляется это путем сдвига импульсных последовательностей, управляющих Экл других каналов на время Тк = 1/ fд N, где N - общее число каналов. Таким образом, на входе кодера образуется групповой АИМ - сигнал (рисунок 32,б)). Кодер преобразует этот сигнал в цифровую форму, выполняя сначала операцию квантования по амплитуде, а затем кодирования. На выходе кодера образуется двоичный цифровой сигнал (рисунок 32, в)).

Рисунок 32 – Временные диаграммы, поясняющие работу ЦСП с ИКМ

Формирующее устройство (ФУ) или устройство объединения (УО) объединяет этот сигнал с сигналами управления и взаимодействия между АТС (СУВ) и синхросигналом (СС).

Преобразователь кода (ПКпер) преобразует двоичный цифровой сигнал в сигнал, который будет удобно передавать по линии.

Линейный трансформатор (ЛТр) согласует сопротивления аппаратуры и кабеля, а также служит для подачи дистанционного питания на НРП. С выхода ЛТр сигнал может быть передан в систему временного группообразования или мультиплексор более высокого порядка, или на стойку линейного оборудования (СЛО) СП.

Приемная часть

Регенератор оконечной приемной станции (ОР) восстанавливает пришедший с линии цифровой сигнал по форме и временному положению. ПКпр преобразует данный сигнал в ДЦС, а также выделяет тактовую частоту, которая управляет работой генераторного оборудования приемной части (ГОпр). Декодер преобразует групповой ИКМ сигнал в групповой АИМ - сигнал. Временные селекторы (ВС) выделяют сигналы, соответствующие данному каналу. ВС работают под управлением импульсов, поступающих от ГОпр, с частотой fд. ФНЧ восстанавливает исходный сигнал из последовательности отсчетов.

Приемник синхросигнала (ПрСС) выделяет синхроимпульсы из группового двоичного цифрового сигнала, с помощью которых осуществляется согласованная во времени работа ГОпер и ГОпр, а также выделяет сигналы СУВ. Приемник СУВ распределяет эти сигналы по отдельным каналам. Далее рассмотрим подробнее работу генераторного оборудования и кодирующих устройств.

Контрольные вопросы

1. Какие узлы входят в состав аппаратуры оконечной станции системы передачи ИКМ?
2. Какие преобразования осуществляются в передающей части системы передачи?
3. Какие устройства оконечной станции являются групповыми, а какие индивидуальными?
4. Зачем нужны сигналы СУВ?
5. Зачем нужны синхросигналы?
6. Можно ли обычный двоичный сигнал сразу предавать в линию?

Глава 2.4 Кодирующие устройства

Назначение кодера – преобразование АИМ сигнала в двоичную систему исчисления, которая будет кодировать номер ближайшего разрешенного уровня для сигнала с АИМ второго рода. Обратное преобразование осуществляется декодером. В зависимости от принципа действия различают кодеры счета, взвешивающие кодеры и матричные кодеры. В зависимости от амплитудной характеристики кодера различают линейные кодеры и нелинейные кодеры. В кодере осуществляется две операции:

• квантование
• кодирование

Линейные кодеры

Линейные кодеры имеют амплитудную характеристику с равномерным шагом квантования (рисунок 33).

Рисунок 33 – Амплитудная характеристика с равномерным шагом квантования

Как было показано выше, амплитуды квантованных сигналов отличаются от исходных, в результате чего возникают искажения, создающие помехи на приемном конце. Эти помехи называются шумами квантования. Средняя мощность шума квантования равна:

, (2.9)

Рассмотрим принцип действия взвешивающего кодера. Схема кодера представлена на рисунке 34.

Рисунок 34 – Линейный кодер

Алгоритм работы кодера подобен тому, как предмет взвешивают на весах, только в данном случае уравновешиваются эталонные напряжения и напряжения соответствующие амплитуде АИМ сигнала.

На схеме ИЭ - источник эталонов положительных и отрицательных напряжений.

Uэт ₁ = 2 ^m-2 ;

Uэт ₂ = 2 ^m-3 ;

…

Uэт _{m - 1} = 2 ¹ ;

Uэт _m = 2 ⁰ ;

К - компаратор (схема сравнения);

ЛУ - логическое устройство, на него от генераторного оборудования подаются управляющие импульсы;

ПК - преобразователь из параллельного кода в последовательный.

Компаратор К определяет полярность отсчета и разность между суммой эталонных напряжений и амплитудой кодируемого сигнала. В зависимости от знака этой разности на выходе формируется либо 1, если Uc < Uэт, либо 0, когда Uc > Uэт. Логическое устройство записывает решение компаратора после каждого такта кодирования, формирует структуру кодовой группы в параллельном двоичном коде и управляет ключами ИЭ. Работой всех устройств управляет последовательность импульсов от ГО.

Структура кодовой группы формируется на выходах 0,1,2, ... m ЛУ. Перед началом кодирования выходы ЛУ устанавливаются в состояние 0. Перед каждым тактом кодирования выходы ЛУ последовательно переводятся в состояние 1. Например, если на первом такте на выходе компаратора появляется 0 (т.е. Uc > Uэт=0, т.к. еще не подключено никаких эталонных напряжений), то на нулевом выходе ЛУ появляется 1 и подключается источник положительных эталонных напряжений. Появление 1 на первом выходе ЛУ подключит Uэт ₁, на втором - Uэт ₂, и т.д. При этом величина отсчета сигнала выражается в виде суммы определенного набора эталонных напряжений:

где аi - кодовый символ i-того разряда.

Рассмотрим на примере. Пусть необходимо закодировать Uаим =77,7 мВ, при шаге квантования равном 1 мВ. Кодер кодирует в восьмиразрядном коде. Первый разряд определяет знак сигнала.

Uэт ₁ = 2 ^8-2 = 64 мВ;

Uэт ₂ = 2 ^8-3 = 32 мВ;

Uэт ₃ = 2 ^8-4 = 16 мВ;

…

Uэт ₇ = 2 ⁰ = 1 мВ.

1такт : определяем знак;

2такт: сравниваем Uаим = 77,7мВ с Uэт = 64 мВ, т.к. Uаим > Uэт, то на выходе компаратора формируется 0, и состояние 1 первого выхода ЛУ сохраняется;

3такт: подключается второй эталон и сравниваем Uаим = 77,7мВ с Uэт = 64 + 32 = 96 мВ, т.к. Uаим < Uэт, то на выходе компаратора формируется 1, и второй выход ЛУ переводится в состояние 0;

4такт:подключается третий эталон и сравниваем Uаим = 77,7мВ с Uэт = 64 + 16 = 80 мВ, т.к. Uаим < Uэт, то на выходе компаратора формируется 1, и третий выход ЛУ переводится в состояние 0;

5такт: подключается четвертый эталон и сравниваем Uаим = 77,7мВ с Uэт = 64 + 8 = 72 мВ, т.к. Uаим > Uэт, то на выходе компаратора формируется 0, и состояние 1 четвертого выхода ЛУ сохраняется;

6такт: подключается пятый эталон и сравниваем Uаим = 77,7мВ с Uэт = 64 + 8 + 4 = 76 мВ, т.к. Uаим > Uэт, то на выходе компаратора формируется 0, и состояние 1 пятого выхода ЛУ сохраняется;

7такт: подключается шестой эталон и сравниваем Uаим = 77,7мВ с Uэт = 64 + 8 + 4 + 2 = 78 мВ, , т.к. Uаим < Uэт, то на выходе компаратора формируется 1, и шестой выход ЛУ переводится в состояние 0;

8такт: подключается седьмой эталон и сравниваем Uаим = 77,7мВ с Uэт = 64 + 8 + 4 + 1 = 77 мВ, т.к. Uаим > Uэт, то на выходе компаратора формируется 0, и состояние 1 седьмого выхода ЛУ сохраняется.

Таким образом, величину отсчета сигнала можно записать как (с учетом знака):

Uc = 1× 64 + 1× 32 + 0× 16 + 0× 8 + 1× 4 + 0× 2 + 1× 1 = 78 мВ.

То есть на выходах ЛУ будет сформирована кодовая группа 11001101 (с учетом знака). По окончании кодирования отсчета ГО переводит кодер в исходное состояние.

Видно, что Uаим Uкв. При этом ошибка квантования составляет больше, чем /2 = 0,5 мВ. Поэтому при приеме добавляют /2, тогда в нашем случае ошибка будет не 0,7 мВ, а 0,2 мВ.

Нелинейный кодер

Одним из параметров, характеризующих качество аналого-цифрового преобразования сигнала, является отношение средней мощности сигнала к средней мощности шума квантования. Средняя мощность шума квантования при равномерной шкале не зависит от уровня сигнала. То есть для низких по уровню сигналов помехозащищенность будет мала. Для увеличения помехозащищенности таких сигналов можно увеличит число уровней квантования, т.е. уменьшить шаг квантования, но тогда увеличится разрядность кодового слова.

Для обеспечения приблизительно одинакового, не зависящего от уровня сигнала заданного отношения сигнал - шум и уменьшения числа разрядов в кодовой группе используется неравномерное кодирование. В этом случае шаг квантования увеличивается по мере увеличения амплитуды квантуемого сигнала. Амплитудная характеристика нелинейного кодера представлена на рисунок 35. Каждый предыдущий отрезок делится пополам и таких отрезков должно быть 8. U_вых тоже делиться на 8 частей, но одинаковых по величине. В результате получаем 8 сегментов. Аналогичным образом строится характеристика для отрицательной области значений входного сигнала.

В современных системах нелинейные кодеры имеют 13 сегментную амплитудную характеристику. Строго говоря всего 16 сегментов - по 8 в положительную и отрицательную областях, но 4 центральных сегмента имеют одинаковый шаг квантования и поэтому их объединили в один сегмент. Каждый сегмент имеет свой шаг квантования, всего 16 шагов внутри сегмента. Внутри сегмента шаг квантования равномерный (смотри таблицу 3).

Кодирование происходит за 8 тактов:
1такт(P): определяется знак входного сигнала (положительный или отрицательный);
2, 3, 4 такты(XYZ): кодируется номер сегмента;
5,6,7,8 такты(ABCD): кодируется номер уровня квантования в пределах сегмента.

Алгоритм определения номера сегмента представлен в таблице 4.

Рисунок 35 – Амплитудная характеристика нелинейного кодера

Таблица 3

номер сегмента	код сегмента	значения эталонов при кодировании в пределах сегмента				шаг кванто-вания	эталон нижней границы сегмента
0	000	1Δ	2Δ	4Δ	8Δ	1Δ	Δ
1	001	1Δ	2Δ	4Δ	8Δ	1Δ	16Δ
2	010	2Δ	4Δ	8Δ	16Δ	2Δ	32Δ
3	011	4Δ	8Δ	16Δ	32Δ	4Δ	64Δ
4	100	8Δ	16Δ	32Δ	64Δ	8Δ	128Δ
5	101	16Δ	32Δ	64Δ	128Δ	16Δ	256Δ
6	110	32Δ	64Δ	128Δ	256Δ	32Δ	512Δ
7	111	64Δ	128Δ	256Δ	512Δ	64Δ	1024Δ

Таблица 4

= Umax / 2¹¹ = Umax / 2048.

Структурная схема нелинейного кодера представлена на рисунке 36 .

Рисунок 36 – Структурная схема нелинейного кодера

Кодер содержит компаратор (К), блок выбора и коммутации эталонных токов (БЭК), источники положительных (ИЭ₁) и отрицательных (ИЭ₂) эталонных токов, компрессирующую логику (КЛ), цифровой регистр (ЦР) и преобразователь кода (ПК). Принцип работы компаратора описан ранее при рассмотрении линейного кодера.

Назначение источников эталонов (ИЭ) такое же, как и в линейном кодере. Однако в отличие от него нелинейный кодер содержит 11 ключей, а веса, подключаемые ими эталонных напряжений равны (q0), 2 (q1), 4 (q2), 8 (q3), 16 (q4), 32 (q5), 64 (q6), 128 (q7), 256 (q8), 512 (q9) и 1024 (q10). После каждого такта кодирования решение компаратора записывается в цифровой регистр (ЦР). Который выбирает полярность ИЭ и управляет работой цифровой логики, которая в сою очередь преобразует 7-разрядный код в 11-разрядный и формирует в блоке выбора и коммутации эталонных напряжений (БКЭ) ИЭ, определяя величины эталонов, подключаемых на вход 2 компаратора. ПК преобразует параллельный код в последовательный.

Рассмотрим алгоритм кодирования на примере. Пусть необходимо закодировать положительный отсчет с амплитудой 120 . Данный отсчет подается на вход компаратора. Первый выход ЦР выдает 1, а все остальные выходы - 0. Таким образом подключается ИЭ положительной полярности. Так как отсчет положительной амплитуды, то на выходе компаратора 0 и состояние 1 на первом выходе ЦР сохранится.

1 такт: 10000000 начало такта

10000000 конец такта

Затем на выходе 2 ЦР формируется 1 и на вход 2 компаратора подается эталонное напряжение нижней границы четвертого сегмента, равное 128 (что соответствует 1 на выходе q7). Так как 128 > 120 , то на выходе К появится 1, которая переведет состояние выхода 2 ЦР в 0.

2 такт: 11000000

10000000

Теперь 1 появится на третьем выходе ЦР. На 2 вход К подается эталонное напряжение нижней границы второго сегмента, равное 32 (что соответствует 1 на выходе q5). Так как 32 < 120 , то на выходе компаратора появится 0 и на третьем выходе ЦР сохранится 1.

3 такт: 10100000

10100000

На следующем этапе 1 появится на четвертом выходе ЦР. На вход компаратора будет подаваться эталонное напряжение 64 (что соответствует 1 на выходе q6). Т.к. 64 < 120 , то на выходе К сформируется 0 и четвертый выход ЦР сохранит состояние 1.

4 такт: 10110000

10110000

Таким образом, за последние три такта мы определили номер сегмента 011 (3-й сегмент). Теперь необходимо определить номер уровня квантования внутри сегмента. Для этого 1 подается на пятый выход ЦР. На вход К поступает эталонное напряжение 64 + 32 = 96 (что соответствует 1 на выходе q5 и q6), т.к. 96 < 120 , то на выходе К сформируется 0 и пятый выход ЦР сохранит состояние 1.

5 такт: 10111000

10111000

Затем на шестом выходе ЦР формируется 1, и на вход К поступает эталонное напряжение, равное 64 + 32 + 16 = 112 (что соответствует 1 на выходе q5, q6 и q4), т.к. 112 < 120 , то на выходе К сформируется 0 и шестой выход ЦР сохранит состояние 1.

6 такт: 10111100

10111100

На следующем такте 1 формируется на седьмом выходе ЦР и на второй вход компаратора поступает эталонное напряжение, равное 64 + 32 + 16 + 8 = 120 (что соответствует 1 на выходах q5, q6, q4 и q3), т.к. 120 = 120 то на выходе К сформируется 0 и седьмой выход ЦР сохранит состояние 1.

7 такт: 10111110

10111110

На последнем 8 такте на восьмом выходе ЦР сформируется 1 и на вход К поступит эталонное напряжение, равное 64 + 32 + 16 + 8 + 4 = 124 (что соответствует 1 на выходах q5, q6, q4, q3 и q2), т.к. 124 > 120 , то на выходе К сформируется 1 и восьмой выход ЦР перейдет в состояние 0.

8 такт: 10111111

10111110

Таким образом, за 5,6,7,8 такты сформирован двоичный сигнал 1110, что соответствует 14 уровню квантования.

Следовательно, отсчет с амплитудой 120 в симметричном двоичном 8-ми разрядном коде выражается как 10111110.

Если при кодировании возникает ошибка квантования, то добавляют напряжение коррекции, равное половине шага квантования в данном сегменте, например, в нашем случае оно равно 2 .

Контрольные вопросы

1. Какие виды кодеров можете назвать?
2. Почему рассматриваемые в параграфе коды называются взвешивающими?
3. В чем основное отличие линейного кодера от нелинейного?
4. Как компенсируются ошибки квантования в кодерах?
5. Как строятся линейные кодеры?
6. Как строятся нелинейные кодеры?
7. Поясните этапы кодирования нелинейного кодера.

Глава 2.5 Генераторное оборудование

Генераторное оборудование (ГО) необходимо для получения импульсных последовательностей, используемых для :

• управления работой узлов аппаратуры;
• для синхронизации соответствующих узлов передающей и приемной станций;
• для определения порядка и скорости обработки сигналов в тракте передачи и приема.

Структура управляющих сигналов вырабатываемых ГО определяется структурой цикла и сверхцикла системы передачи.

Рисунок 37 – Структурная схема ГО первичной ЦСП

В задающем генераторе (ЗГ) формируется гармонический высокостабильный сигнал с тактовой частотой fт=2048кГц (для первичной ЦСП). Формирователь тактовой последовательности (ФТП) вырабатывает основную импульсную последовательность с частой следования fт и скважностью Q=2.

Эта частота поступает на распределитель разряда (РР), который формирует m импульсных последовательностей, где m разрядность кода. Эти импульсные последовательности используются для правильного определения каждого разряда комбинации, при выполнении операций кодирования и декодирования.

Распределитель канальный (РК) формирует N импульсных последовательностей, где N – число каналов в системе передачи.

Распределитель цикловой (РЦ) формирует S импульсных последовательностей, где S – число циклов в сверхцикле.

Выделитель тактовой частоты (ВТЧ) устанавливается на приемном конце ЦСП и выделяет тактовую частоту из принимаемого сигнала, с тем чтобы обеспечить равенство управляющих импульсных последовательностей на передаче и приеме, то есть обеспечить синхронный режим работы генераторного оборудования на приеме и передаче.

Определим частоты на выходе делителей для системы ИКМ-30, если тактовая частота равна fт = 2048 кГц. Тогда:

fр = fт / m = 2048 / 8 = 256 кГц;

fк = fр / (N+ Nд) = 256 / 32 = 8 кГц;

fсц = fк / S = 8 / 16 = 0,5 кГц.

Далее представлены диаграммы работы ГО.

Уменьшим масштаб.

ДК управляется последовательностью импульсов с выхода 1 блока ДР. Уменьшим масштаб рисунка, чтобы изобразить импульсы на выходах Ц1...Ц15.

Контрольные вопросы

1. Назначение генераторного оборудования.
2. Как стоится генераторное оборудование?
3. Какие импульсы формируются на его выходах?
4. Какой сигнал выходит с задающего генератора?
5. Основное назначение всех узлов генераторного оборудования?

Глава 2.6 Синхронизация в цифровых системах передачи

Процессы кодирования и декодирования и правильного распределение сигналов по каналам возможны лишь в том случае, когда приходящая из линии импульсная последовательность и формируемые генераторным оборудованием приема управляющие импульсные последовательности будут строго совпадать по частоте и по фазе. То есть генераторное оборудование приема должно работать синхронно с генераторным оборудованием на передаче. Это достигается при помощи специальных устройств синхронизации.

В системах с ИКМ различают тактовую и цикловую синхронизацию. Частным случаем цикловой синхронизации можно считать сверхцикловую синхронизацию.

Тактовая синхронизация обеспечивает равенство скорости обработки сигналов на приемных и передающих оконечных станциях. Тактовая частота выделяется из спектра принимаемого цифрового сигнала при помощи выделителей тактовой частоты (ВТЧ). Это обеспечивает полное совпадение частот импульсных последовательностей на приеме и на передаче.

К устройствам тактовой синхронизации (УТС) предъявляются следующие требования:

1. Высокая точность подстройки частоты и фазы управляющего сигнала в приемной части оборудования.
2. Малое время вхождения в синхронизм.
3. Сохранение синхронизации при кратковременных перерывах связи.

Цикловая синхронизация. Циклом передачи называется совокупность сигналов, передаваемых за период дискретизации (F_Д= F_ц). для правильного декодирования и распределения канальных сигналов необходимо точно определить во времени начало каждого цикла и начала каждой кодовой группы в цикле. Это достигается с помощью цикловой синхронизации для работы, которой в состав каждого цикла вводиться специальный синхросигнал. Цикловой синхросигнал (ЦСС) должен отличаться от информационной кодовой группы.

Отличие синхросигнала

1. Цикловой синхросигнал имеет постоянную частоту повторения, если вводиться в каждом цикле, то это частота цикла.
2. Цикловой синхросигнал имеет постоянную структуру. Например для ИКМ-30 он имеет вид: 0011011.

После включения системы передачи проходит какое-то время пока аппаратура передачи и приема не начнет работать синхронно. Этот интервал называется временем вхождения в синхронизм. Под воздействием помехи возможен сбой синхронизации и происходит поиск синхронизации. Допустимое время поиска синхронизма ограничено временем нарушения работы системы СУВ (сигналов управления и взаимодействия), при котором может произойти разъединения абонентов ГТС. Это время не должно превышать нескольких миллисекунд.

Система цикловой синхронизации содержит приемник и передатчик синхросигнала. Передатчик формирует в передающей части кодовую группу определенной структуры, расположенную в начале цикла передачи. В приемнике осуществляется опознавание кодовых групп, структура которых совпадает со структурой синхросигнала, и вырабатывается информация о принадлежности опознанных кодовых групп предаваемому синхросигналу.

Контрольные вопросы

1. Для чего нужна синхронизация в цифровых системах передачи?
2. Какие виды синхронизации рассматривались в главе?
3. Назначение тактовой синхронизации?
4. Назначение цикловой синхронизации?
5. Какие требования предъявляются к устройствам тактовой синхронизации?
6. Как отличается цикловой синхросигнал от информационного?
7. В чем заключается цикловая синхронизация пердающей и приемной части?

Глава 2.7 Цифровой линейный тракт. Требования к линейным кодам. Линейные коды

Цифровой линейный тракт (ЦЛТ) – это совокупность устройств, обеспечивающий формирование линейного ИКМ сигнала, его передачу и прием. Цифровой линейный тракт как тракт системы передачи должен содержать среду распространения цифрового сигнала и устройства, обеспечивающие требуемое качество передачи. На рисунке 38 приведена структурная схема ЦЛТ.

Рисунок 38 – Структурная схема ЦЛТ

КО – каналообразующее оборудование
ОВГ – оборудование временного группообразования
ОЛТ – оборудование линейного тракта
РП – регенерационные пункты
ОС – оконечная станция
НРП – необслуживаемый регенерационный пункт
ОРП - обслуживаемый регенерационный пункт

После получения группового сигнала на выходе ОВГ его необходимо передать по линии связи. Групповой сигнал при этом представляет собой однополярную двухуровневую последовательность импульсов. Спектр данной последовательности содержит дискретную и непрерывную составляющие. При этом 90% энергии содержится в первом лепестке.

Так как на входе и выходе линейных устройств стоят трансформаторы, которые не пропускают постоянной составляющей и низкие частоты, то спектр сигнала будет ограничен снизу, что вызовет размывание импульсов, и как следствие, взаимное влияние соседних импульсов - межсимвольные помехи второго рода (рисунок 39, б)). Полоса частот линейного тракта также ограничена и сверху, так как затухание линии увеличивается с ростом частоты, что вызывает межсимвольные помехи 1-го рода (рисунок 39, а)). Таким образом, однополярный двоичный цифровой сигнал неприемлем для передачи по ЦЛТ.

Рисунок 39 – Влияние ограничения полосы частот на форму двоичного цифрового сигнала в линейном тракте

Исходя из вышесказанного, к линейным цифровым сигналам (ЛЦС) предъявляют следующие требования:

1. Энергетический спектр сигнала должен быть как можно уже, в нем должна отсутствовать постоянная составляющая, и ослаблены низкочастотные и высокочастотные составляющие.

Причем желательно, чтобы максимум спектра лежал в области низких частот, что позволяет увеличить длину участка регенерации, так как в области более высоких частот затухание кабеля увеличивается.

Чем уже полоса частот сигнала, тем уже полоса пропускания усилителя и следовательно меньше мощность собственных помех. Отсутствие постоянной составляющей устраняет межсимвольные помехи 2-го рода, а также позволяет использовать симметрирующие трансформаторы и обеспечивать дистанционное питание регенераторов постоянным током.

2. Наличие тактовой частоты в спектре. А если ее нет, то способ ее получения должен быть не сложный.

3. Наличие избыточности в ЛЦС, что позволяет обнаружить ошибки.

Еще одним недостатком двоичного цифрового сигнала является то, что при его передаче невозможно обнаружить ошибки.

Исходя из этих требований, формируют ЛЦС.

В настоящее время наиболее распространенными являются следующие коды ЦЛС:

• Биполярный код, называемый также квазитроичным кодом или кодом с чередованием полярности (ЧПИ). В данном коде осуществляется чередование импульсов положительной и отрицательной полярности при преобразовании единичных символов исходной двоичной последовательности, вне зависимости от количества нулей между ними (рисунок 40)

Рисунок 40 – Коды ЦЛС

При этом в энергетическом спектре кода ЧПИ исключается постоянная составляющая (рисунок 41). В спектре отсутствует частота fт. Поэтому при выделении из сигнала тактовой частоты, необходимо преобразовать код ЧПИ в двоичный цифровой сигнал, спектр которого содержит тактовую частоту.

Рисунок 41 – Энергетические спектры кодов ЧПИ и HDB-3

Наличие чередования полярности позволяет легко обнаружить ошибки. Недостатком данного кода, является то, что длительные последовательности нулей приводят к сбою тактовой синхронизации. С целью устранения этого недостатка было разработано несколько модификаций кода ЧПИ, наибольшее распространение среди которых получил код HDB - 3.

• Биполярный код с высокой плотностью единиц (HDB - 3 или КВП-3). В данном коде последовательность нулей заменяется вставкой, либо 000V - если, число единиц между двумя вставками четное, либо 000V - если, число единиц между двумя вставками нечетное. При этом символ В имеет полярность противоположную полярности предшествующей единицы, а символ V - полярность, такую же, как у предшествующей единицы (рисунок 40).

• Биполярные коды понижающие тактовую частоту передаваемого сигнала. Например, это коды вида nBkM. Принцип данного кодирования в следующем: двоичная последовательность делится на группы по n символов, а затем каждая группа заменяется другой последовательностью из k символов. Если М = В - то двоичная последовательность; если М = Т, то троичная последовательность; если М = Q, то четверичная последовательность и т.д.

Например, применяются коды 3В2Т, т.е. три символа двоичной последовательности заменяются двумя символами троичной последовательности (рисунок 42).

Рисунок 42 – Пример кода 3В2Т

Кодовая таблица:

В	1 1 0	1 0 1	0 1 1	0 1 0
Т	-1 1	-1 0	0 1	1 -1

Достоинство данных кодов в том, что: 1) можно понизить тактовую частоту в n/k раз; 2) можно сбалансировать сигнал за счет соответствующего построения кодовой таблицы; 3) исключить большие серии нулей.

Следует отметить, что межсимвольные помехи присущи не только двоичным цифровым сигналам, но и квазитроичным сигналам. На внутризоновых сетях, где используются симметричные кабели, присутствуют также помехи от линейных переходов.

Контрольные вопросы

1. Каковы особенности передачи цифровых сигналов по линейным трактам?
2. Укажите причины возникновения искажений цифрового сигнала 1-го и 2-го рода. Каким образом эти искажения влияют на помехозащищенность?
3. Каков алгоритм формирования ЧПИ и HDB-3?
4. Какие основные требования предъявляются к цифровым линейным сигналам?

Глава 2.8 Регенерация цифрового сигнала

Так как сигнал, проходя по линии связи, искажается, то его необходимо восстановить. Устройство, которое восстанавливает форму сигнала и усиливает его, называется регенератором. Регенераторы устанавливаются на НРП и ОРП в ЦЛТ.

Упрощенная структурная схема регенератора для однополярных импульсов представлена на рисунке 38.

Рисунок 38 – Структурная схема регенератора

ДП - дистанционное питание;
КУ - корректирующий усилитель;
К - корректор;
ПУ - пороговое устройство;
ФУ - формирующее устройство;
ВТЧ - выделитель тактовой частоты.

Сигнал, проходя по линии связи, искажается, при этом у него уменьшается амплитуда сигнала, и появляется длительное последействие. Корректор корректирует форму импульсов, при этом на его выходе получаем импульсы колоколообразной формы. В момент наивысшей амплитуды колоколообразного импульса, срабатывает ключ (КЛ), причем частота срабатывания ключа равна тактовой частоте сигнала. ПУ сравнивает напряжение импульса сигнала с выхода ключа, с пороговым напряжением и принимает решение о том, что принято 0 или 1. С выхода ПУ сигнал поступает на ФУ, которое формирует импульсы заданной амплитуды и длительности. Временные диаграммы работы регенератора представлены на рисунке 39.

Рисунок 39

Сформированный регенератором сигнал повторяет сигнал на входе цепи с некоторой ошибкой. Причиной ошибок является шум, под действием которого в ПУ может произойти ложная замена символа 0 на 1, или наоборот. Качество работы регенератора оценивается коэффициентом ошибок Кош, который определяется как отношение количества ошибочно принятых символов Nош к общему количеству символов N , переданных за время измерения Тизм:

Кощ = Nош / N .

Коэффициент ошибок, измеренный за большой отрезок времени называют вероятностью ошибки Рош. Чем больше участков регенерации, тем больше накапливается ошибок, следовательно, суммарная вероятность ошибки растет. Например, при одинаковых длинах регенерационных участков:

Рош = n Рошi,

где n - число регенераторов.

Контрольные вопросы

1. Укажите причины, приводящие к появлению ошибок на выходе регенератора?
2. От чего зависит величина коэффициента ошибки регенератора?
3. Как влияет число регенерационных участков на коэффициент ошибки ЦЛТ?
Каким образом в регенераторах осуществляется тактовая синхронизация?

Глава 2.9 Нормирование качества передачи по каналам и трактам ЦСП

Нормирование параметров ЦСП осуществляется посредством создания номинальных цепей цифровой первичной сети ЕВСС. Основной параметр, определяющий качество связи по цифровым каналам - вероятность ошибки Рош. Допустимую вероятность ошибки для различных участков цифровой первичной сети ЕВСС можно определить, исходя из следующих требований:

• цифровые каналы ЕВСС должны обеспечить возможность организации международной связи;
• вероятность ошибки при передаче цифрового сигнала между двумя абонентами не должна превышать Рош ≤ 10^-6.

Согласно рекомендациям МСЭ-Т схема организации международной связи соответствует показанной на рисунке 40 . Допустимая вероятность ошибки между абонентами равна 10^-6.

Рисунок 40 - Требования к вероятности ошибок при международном соединении

Номинальная цепь национального участка соответствует сети показанной на рисунок 41

Рисунок 41 - Номинальная цепь основного цифрового канала при организации международного соединения

Вероятность ошибки Р_ош.нац = 0,4× 10^-6 равномерно распределена между участками номинальной сети, т.е. Р_маг = Р_вз =Р_мест = Р_аб = 10^-7. Учитывая, что в ЦСП вероятности ошибки суммируются, получим условное значение вероятности ошибки на 1 км линейного тракта:

Р_маг.км = 10^-7/ 10000 = 10^-11;

Р_вз.км = 10^-7/ 600 = 1,67× 10^-10;

Р_{мест.км} = 10^-7/ 100 = 10^-3.

Зная эти величины можно определить требования к линейным регенераторам ЦСП. Допустимая вероятность ошибки на один регенератор составляет:

Р_{доп.рег} = Р_1км × L_ру,

где Lру -длина регенерационного участка.

Контрольные вопросы

1. Исходя из каких требований определяется допустимая вероятность ошибки?
2. Как определяется допустимая вероятность ошибки на один регенератор?

Глава 2.10 Расчет длины участка регенерации для ЦСП, работающих по коаксиальному или симметричному кабелю

Как было сказано ранее, существуют следующие типы станций ЦСП: оконечные пункты (ОП), обслуживаемые регенерационные пункты (ОРП) и необслуживаемые (НРП).

Расстояние между ОРП - ОП или ОРП-ОРП называется секцией дистанционного питания и задается в паспортных данных систем передачи.

Расстояние между ОП-НРП, НРП-НРП или ОРП-НРП называется длиной регенерационного участка. Номинальная длина регенерационного участка для температуры грунта tгр = 20° С задается в технических данных аппаратуры, например для ИКМ-30 она равна 3 км, для ИКМ-120 - 5км, для ИКМ-480 - 3 км. Длина участка при температуре грунта отличной от 20° С может быть определена по формуле:

где А_ном.ру , А_{макс.ру}, А_мин.ру - номинальное, максимальное и минимальное значение регенерационного участка, согласно техническим данным системы передачи; _tмакс - километрическое затухание кабеля на расчетной частоте fр при максимальной температуре грунта по трассе линии. Обычно fр = fт /2, где fт - тактовая частота ЦСП.

Километрическое затухание кабеля определяется по формуле:

_tмакс = t₀[1 - (t° _o - t° _макс )],

где t₀ - километрическое затухание кабеля при температуре t° o (из справочника); - температурный коэффициент затухания, равный 2× 10^-3 1/град.

Расчет количества регенерационных участков внутри секции дистанционного питания можно осуществить по формуле:

где L_секц - длина секции дистанционного питания, км; L_ном.ру - номинальная длина регенерационного участка, км; П - функция целой части.

Укороченные или удлиненные участки не должны превышать длин l _{макс. ру}, l_{мин. ру} определенных ранее. При невозможности выполнения этого условия допускается увеличивать на один число НРП и организовывать два укороченных РУ, при этом располагать их следует перед ОРП или ОП.

Контрольные вопросы

1. Какие участки линейного тракта называются регенерационными участками?

2. Какие участки линейного тракта называются секциями дистанционного питания?
3. От чего зависит длина регенерационного участка?

Глава 2.11 Формирование цикла передачи ЦСП

В данном параграфе рассмотрим, как происходит формировании структуры цикла передачи на примере СП ИКМ-30. Данная система передачи предназначена для получения соединительных линий между различными АТС путем организации 30 каналов ТЧ, а также в качестве каналообразующего оборудования для ЦСП высшего порядка.

Цикл передачи ИКМ-30 представлен на рисунке 42.

Рисунок 42 – Цикл передачи ИКМ-30

Цикл передачи состоит из последовательно следующих друг за другом сверхциклов, каждый из которых содержит 16 циклов (Цо – Ц₁₅). Циклы разделяются на 32 канальных интервала (Кио – КИ₃₁), каждый из которых включает 8 разрядов. Длительность цикла равна 125 мкс, что соответствует частоте дискретизации 8 кГц. Длительность сверхцикла равна, соответственно, 2 мс, длительность канального интервала – 3,9 мкс, а длительность разряда – 0,488 мкс.

Отсчет циклов в сверхцикле начинается с Цо, в котором передается сверхцикловой синхросигнал (СЦС) в виде комбинации 0000 в разрядах Р1…Р4 КИ16, остальные разряды равны соответственно 1, Y, 0, 1, разряд Р6 используется для передачи сигнала о нарушении сверхцикловой синхронизации на противоположную станцию.

Передача сигналов СУВ для каждого телефонного канала осуществляется один раз в сверхцикле. При этом в каждом цикле, начиная с Ц₁ и заканчивая Ц₁₅, в КИ₁₆ передаются СУВ для двух каналов. Например СУВ первого телефонного канала (ТК₁) располагается в КИ₁₆ первого цикла на позициях Р1 и Р2, в этом же цикле в КИ₁₆, только на позициях Р5 и Р6, располагается СУВ для ТК₁₆; СУВ ТК₃ – в Ц₃ КИ₁₆ на позициях Р1 и Р2; СУВ ТК₂₀ – в Ц₅ КИ₁₆ на позициях Р5 и Р6.

Отсчет канальных интервалов в цикле начинается с Кио, содержащего цикловой синхросигнал вида 0011011, передаваемый в Р2…Р8 четных циклов сверхцикла. Разряд Р1 в Кио всех циклов используется для передачи дискретной информации со скоростью 8 кБит /с. Символ разряда Р3 в Кио нечетных циклов используется для передачи сигнала о нарушении циклового синхронизма на противоположную станцию, а символ разряда Р6 используется для передачи сигнала автоматического контроля остаточного затухания канала (по ТК₂₃).

Все остальные 30 канальных интервалов (кроме КИ₀ и КИ₁₆) используются для организации телефонных каналов. В них на позициях Р1….Р8 записывается кодовая комбинация амплитуды отсчета, соответствующего канала, получаемая на выходе кодирующего устройства.

Контрольные вопросы

1. Как строится временной цикл и сверхцикл ЦСП?
2. Поясните, как передаются сигналы СУВ?
3. Где передаются синхросигналы в цикле ЦСП?
4. Где передается сверхцикловой синхросигнал?

Глава 2.12 Объединение цифровых потоков

ЦСП с большим числом каналов строятся путем объединения цифровых потоков систем передачи более низкого порядка. При этом используется стандартное группообразование.

Объединение цифровых потоков может быть осуществлено поразрядным (или посимвольным), поканальным (по кодовым группам каналов) и посистемным методом (по циклам потоков объединяемых систем). Наибольшее распространение получил первый метод.

Побитный (посимвольный) метод объединения ЦП.

В этом случае импульсы группового сигнала объединяемых систем укорачиваются и в образовавшиеся интервалы между разрядными импульсами одной системы поочередно вводятся импульсы второй, третьей и четвертой систем, также добавляется еще синхросигнал и могут добавляться различные служебные символы.

Побайтный (поканальный) метод объединения ЦП.

В данном случае потоки объединяются по 8 символов (8 бит = 1 байт), т.е. объединяются канальные интервалы. При побайтном объединении цифровых потоков сужаются и распределяются во времени интервалы, отводимые для кодовых групп.

Наиболее простым и широко применяемым способом является способ побитного объединения.

Структурная схема оконечной станции при любом способе объединения цифровых потоков может быть представлена в виде, показанном на рисунке 45.

Рисунок 45 – Принцип построения оборудования временного группообразования

Блоки цифрового сопряжения (БЦСпер) передающего оборудования содержат выделитель тактовой частоты (ВТЧ), запоминающее устройство (ЗУ) и временные дискриминаторы (ВД). ВТЧ выделяет импульсы тактовой частоты из объединяемых потоков, которые управляют процессом записи этих потоков в ЗУ. Частота записи равна тактовой частоте объединяемого ЦП (fз=fт). Считывание осуществляется импульсными последовательностями, вырабатываемыми ГОпер, частота считывания, при этом, равна:

fсч = fт.гр./N,

где fт.гр - тактовая частота группового объединенного ЦП; N - число объединяемых ЦП. Во время работы системы передачи ВД осуществляют контроль за взаиморасположением импульсов записи и считывания. Считанные импульсы и синхросигнал (с выхода ПерСС) объединяются в оборудовании временного объединения (ВО), с выхода которого импульсные последовательности поступают в линию.

На приемной станции ВТЧ выделяет тактовую частоту объединенного ЦП, которая управляет работой ГОпр. ПрСС выделяет синхросигнал объединенного ЦП. Оборудование временного разделения (ВР) распределяет групповой поток по соответствующим БССпр, в которых эти потоки записываются в ЗУ. Считывание осуществляется с тактовой частотой объединяемых ЦП, вырабатываемой ГОпр.

Цикловая синхронизация используется для правильного распределения цифровых потоков на приемном конце.

Объединение ЦП может производится синхронно и асинхронно. При синхронном методе генераторное оборудование объединяемых цифровых потоков и объединенного ЦП должны быть синхронизированы. При асинхронном методе этого не требуется. При синхронном способе блок БЦС будет называться БСС (блок синхронного сопряжения), а при асинхронном - БАС (блок асинхронного сопряжения).

Объединение ЦП осуществляется путем записи этих потоков в запоминающее устройство (ЗУ) и последующего их считывания. Импульсы считывания должны иметь длительность, равную длительности импульсов цифрового потока системы объединения и должны быть разнесены во времени относительно друг друга на тактовые интервалы этого потока.

Так как цикл передачи группового сигнала кроме информационных символов содержит также служебные сигналы, то скорость передачи объединенного ЦП больше суммарной скорости передачи объединяемых ЦП, т.е.:

fт.гр > fт× N.

Например, для получения ВЦП с тактовой частотой 8448 кГц, объединяются четыре ПЦП, тактовая частота которых равна 2048 кГц. В этом случае fз = 2048 кГц, а fсч = 8448 / 4 = 2112 кГц, что больше, чем fз.

Таким образом из-за несоответствия частот записи и считывания временной интервал между моментами записи и считывания меняется после считывания каждого импульса на величину t = Тз - Тсч, где Тз - период записи информационных импульсов, а Тсч - период их считывания.

Рассмотрим на примере. Пусть отношение Тсч / Тз равно 13 /16 (рисунке 46).

Рисунок 46 – Временные диаграммы, поясняющие принцип возникновения временных сдвигов и неоднородностей

Видно, что в этом случае импульсы считывания будут опережать импульсы записи. И через определенное число считанных импульсов наступит момент, когда ячейки памяти будут свободны и появятся нулевые символы, которые называют временными сдвигами.

Количество информационных символов между соседними временными сдвигами определяется как:

R = П [ Тсч / (Тз - Тсч)] = П[ fз / (fсч - fз)],

где символ П обозначает округление до ближайшего целого.

Тогда период временных сдвигов определяется как:

Твс = (R +1)× Тсч.

При синхронном способе объединения отношение Тсч / (Тз - Тсч) будет целым числом, и следовательно в считанной последовательности интервалы между временными сдвигами будут постоянными. Такую последовательность импульсов называют однородной. В асинхронных системах из-за нестабильности тактовых частот это отношение дробное и величина его меняется во времени. В этом случае через определенное число временных сдвигов количество импульсов между соседними временными сдвигами изменится и появится неоднородность. Период неоднородностей определяется разностью:

[ Тсч / (Тз - Тсч)] - П[ Тсч / (Тз - Тсч)] = ± ( 1/ L ),

где L- количество временных сдвигов между двумя неоднородностями.

Для нашего примера:

• количество информационных символов между двумя временными сдвигами:

R = П[13 / (16 - 13)] = П[13 / 3] = 4.

• период неоднородности равен:

4 1/3 - 4 = 1 / 3, т.е. между двумя неоднородностями 3 временных сдвига.

Неоднородность в данном случае будет выражаться в том, что между временными сдвигами будет не 4 информационных символа, а 5. В этом случае один символ нужно изъять и передать на определенном месте в цикле передачи группового потока. Это называют отрицательным согласованием скоростей (ОСС).

Если неоднородность будет выражаться в том, что число информационных импульсов уменьшиться, при этом знак разности в будет отрицательным, то необходимо будет производить положительное согласование скоростей (ПСС), которое заключается в том, что в последовательность вводится дополнительный тактовый интервал (дополнительный символ). Информация о ПСС и ОСС передается на приемный конец, где происходит восстановление сигнала.

Используя ПСС и ОСС считанный поток делают однородным, т.е. временные сдвиги будут повторяться на строго определенном месте в цикле передачи. Временные сдвиги можно группировать и использовать для передачи дополнительной информации, например для передачи синхросигнала и др. (рисунок 47).

Рисунок 47

Например, в ВЦП число информационных символов между двумя временными сдвигами равно: R = 2048 / (2112 - 2048) = 32. Объединим временные сдвиги в исходном потоке и тогда в объединенном потоке получим группу временных сдвигов, на месте которой мы можем передать дополнительную информацию.

Таким образом, в цифровом потоке при синхронном объединении временные сдвиги имеют постоянную частоту следования. При асинхронном объединении период временных сдвигов за счет появления неоднородностей меняется, и положение временных сдвигов при появлении неоднородностей нужно корректировать. С этой целью при асинхронном сопряжении предусматривается передача дополнительных служебных сигналов о наличии и виде согласования скоростей передачи.

Контрольные вопросы

1. Какими способами можно объединить цифровые потоки?
2. В чем отличия объединения синхронных и асинхронных цифровых потоков?
3. Как производится выравнивание скоростей записи и считывания при объединении асинхронных цифровых потоков?
4. Поясните как производиться положительное и отрицательное согласование скоростей?

Глава 2.13 Цифровые системы передачи для местных сетей. Построение СП ИКМ-30

Построение СП ИКМ-30.

Данная СП предназначена для получения пучков соединительных линий между городскими АТС, городскими и пригородными АТС путем организации 30 каналов ТЧ на кабелях типа ТПП. Данная СП используется также в качестве каналообразующего оборудования для ЦСП высшего порядка.

Тактовая частота равна 2048 кГц.

Схема организации связи с помощью СП ИКМ-30 показана на рисунок 48.

Рисунок 48 – схема организации связи с помощью СП ИКМ-30

Цикл передачи СП ИКМ-30 был рассмотрен в главе 2.11.

Построение СП ИКМ - 120

СП ИКМ-120 предназначена для работы на местных и внутризоновых сетях при использовании симметричного кабеля, и позволяет организовать 120 каналов ТЧ при скорости группового ЦП 8,448 Мбит/с, кроме того можно организовать передачу дискретной информации по четырем цифровым каналам с суммарной пропускной способностью 32 кбит/с. Структурная схема организации связи при использовании ИКМ-120 показана на рисунок 49.

Рисунок 49 - Схема организации связи с помощью СП ИКМ-120

В оборудовании ВВГ используется как положительное, так и отрицательное согласование скоростей. Объединение ЦП, сформированных в ИКМ-30, может происходить либо синхронно, либо асинхронно.

В аппаратуре ИКМ-120 предусмотрена также возможность аналого-цифрового преобразования вторичной группы (312...552) и ее совместная передача вместе с одним ПЦП в линию. В этом случае может быть организовано только 90 каналов ТЧ.

Структура ВЦП или цикла передачи ИКМ-120 представлена на рисунок 50.

Рисунок 50 – Цикл передачи ИКМ-120

Цикл передачи ИКМ-120 содержит 1056 импульсных последовательностей. Период цикла составляет 125 мкс. Цикл разбит на четыре группы по 264 импульса в каждой, причем 256 из них являются информационными, а восемь - для передачи синхросигнала (СС), команд согласования скоростей (КСС), символов служебной связи и дискретной информации.

В первой группе на позициях 1...8 передается цикловый синхросигнал вида 10111000. Во второй группе на позициях 1...4 передаются первые символы КСС, а на позициях 5...8 сигналы служебной связи. Вторые символы КСС передаются на позициях 1...4 в третьей группе, а 5...8 позиции используются для передачи дискретной информации. В четвертой группе на позициях 1...4 передаются третьи символы КСС, а на позициях 5...8 в одном цикле передаются информационный символы при отрицательном согласовании скоростей, а в другом - сигналы аварии и вызов по служебной связи. На 9...12 импульсной позиции данного цикла могут передаваться либо символы объединяемых ЦП, либо символы положительного согласования скоростей.

Глава 2.14 Цифровые системы передачи для внутризоновых и магистральных сетей

Построение ИКМ - 48

СП ИКМ - 480 предназначена для работы по коаксиальным кабелям и позволяет организовать 480 каналов ТЧ, и кроме того, можно организовать четыре канала для передачи дискретной информации со скоростью 16 кбит/с и канал служебной связи со скорость передачи 32 кбит/с. Скорость передачи группового потока составляет 34 368 кбит/с. Структурная схема представлена на рисунок 51.

Рисунок 51 – Структурная схема ИКМ-480

Групповой поток осуществляется путем асинхронного или синхронного объединения ВЦП в оборудовании третичного временного группообразования (ТВГ).

В ИКМ-480 предусмотрено АЦП третичной стандартной группы (812...2044 кГц) и ее передача совместно с одним ВЦП в линию.

Цикл передачи ИКМ-480 или ТЦП представлен на рисунок 52.

Рисунок 52 – Цикл передачи ИКМ-480

Цикл передачи составляет 2148 импульсных позиции. Цикл разделен на три группы, каждая из которых содержит 716 импульсных позиции.

В первой группе на позициях 1...12 передается цикловой синхросигнал вида 111101000000. Во второй группе на позициях 1...4 передаются первые символы КСС, на позициях 5 и 6 передаются символы цифровой служебной связи, на позициях 7 и 8 - сигналы аварии и вызова по служебной связи, на позициях 9..12 - вторые символы КСС. В третьей группе на позициях 1...4 передаются третьи символы КСС, на 5...8 позициях - сигналы дискретной информации, на 9...12 позициях - информационные сигналы при отрицательном согласовании скоростей, на 13...16 позициях - информационные сигналы при положительном согласовании скоростей. На всех остальных позициях передаются информационные символы объединяемых ЦП.

Контрольные вопросы

1. Область применения и основные технические данные системы передачи ИКМ-30
2. Как строиться временной цикл системы передачи ИКМ-30?
3. Построение схемы организации связи системы передачи ИКМ-480?
4. Область применения и основные технические данные системы передачи ИКМ-480
5. Как строиться временной цикл системы передачи ИКМ-480?
6. Построение схемы организации связи системы передачи ИКМ-480?
7. Область применения и основные технические данные системы передачи ИКМ-120
8. Как строиться временной цикл системы передачи ИКМ-120?
9. Построение схемы организации связи системы передачи ИКМ-120?

Глава 2.15 Синхронная цифровая иерархия

Наиболее важными функциями цифровой технологии передачи являются аналого-цифровое преобразование, мультиплексирование и передача цифровых сигналов. С внедрением цифровой технологии были созданы предпосылки для интеграции услуг, таких как телефонная связь, телекс, передача данных и телефакс. Для этих целей в рамках МСЭ-Т (Международный союз электросвязи - телекоммуникации) были разработаны системы передачи с определенными скоростями передачи бит (таблица 5).

Таблица 5 - Системы передачи цифровых сигналов

Плезеохронная цифровая иерархия (PDH)
Количество каналов со скоростью 64 кбит/с	Скорость передачи бит, Мбит/с
30 120 480 1920	2,048 8,448 34,369 139,264
Синхронная цифровая иерархия (SDH)
Уровень синхронных транспортных модулей	Скорость передачи бит, Мбит/с
STM-1 STM-4 STM-16 STM-64 STM - N	155,52 622,08 2488,320 9953,28 N×155,52 Мбит/с

Уровни SDH обеспечивают возможность транспортировки цифровых сигналов из плезеохронной цифровой иерархии. SDH разработана в 1988 году. В дальнейшем SDH полностью вытеснит PDH.

Недостатки PDH.

1.Трудность выделения и введения компонентных цифровых потоков. Например для того, чтобы выделить ПЦП (2,048 Мбит/с) из ЧЦП (139,268 Мбит/с), необходимо несколько ступеней преобразования

В СП SDH доступ к компонентным потокам осуществляется программно.

2.Малая избыточность каналов, необходимая для контроля качества и управления сетью.

3.ЦСП PDH разных фирм изготовителей часто не могут работать совместно, т.к. не достаточно стандартизированы. Например, применены различные способы согласования скоростей.

4.Системы выравнивания скоростей асинхронных потоков мало надежны.

5.Большое время вхождения в синхронизм.

Достоинства SDH.

1.Вся сеть системы синхронизируется от единого эталонного генератора. При этом облегчается процесс мультиплексирования и демультиплексирования.

2.Упрщается ввод и вывод компонентных потоков.

3.Повышается надежность функционирования сети за счет внедрения кольцевых структур.

4.Вводится большое число дополнительных каналов (заголовков), с помощью которых осуществляется передача информации о неисправности сети, аварийное управление, конфигурирование сети, административное управление (контроль оплаты), контроль качества.

5.Единый интерфейс (совокупность требований к электрическим и оптическим сигналам SDH), единая схема мультиплексирования.

Глава 2.16 Основные принципы мультиплексирования в SDH

Использование синхронной иерархии ни в коей мере не предполагает исчезновение иерархических плезиохронных уровней; напротив, аппаратура SDH должна обеспечить объединение и передачу сигналов PDH.

Архитектуру мультиплексирования рассмотрим на примере формирования STM-1. Сама архитектура представлена на рисунке 53.

Рисунок 53 – Архитектура мультиплексирования в SDH

Рекомендации G.708 и G.709 комитета ITU-T предусматривают использование следующих элементов реализации данной архитектуры:

С – контейнер;

VC – виртуальный контейнер;

TU – транспортный блок;

TUG – группа транспортных блоков;

AU – административный блок;

STM – синхронный транспортный модуль.

Заметим, что каждый элемент однозначно определяет структуру цикла передачи, состоящую из байтов, которые могут быть либо информационными, либо служебными байтами.

Контейнер – это структура элементарного временного кадра, состоящего из информационных битов и битов контроля аппаратуры асинхронной сети с разной скоростью передачи: 2 Мбит/с, 34 Мбит/с, 140 мбит/с.

Контейнеры распознаются по букве С, за которой следуют, в зависимости от обстоятельств, одна или две цифры.

Например: С-11 – контейнер для первичного потока американской иерархии (1,5614 Мбит/с); С-12 – контейнер для первичного потока европейской иерархии (2,048 Мбит/с).

Виртуальный контейнер. Структура виртуального контейнера VC формируется так: к полезной нагрузке, содержащейся в контейнере С, добавляется служебная информация, называемая трактовым заголовком (Path Overhead, POH). В VC12 заголовок занимает один байт. В VC4 заголовок занимает девять байт.

Эта служебная информация позволяет осуществлять:

• проверку непрерывности связи;
• оценку вероятности ошибки;
• индикацию аварии;
• индикацию наличия оборудования.

VC12 – контейнер низкого порядка. VC3 и VC4 – контейнеры высокого порядка.

Транспортный блок (ТU) – это структура временного кадра, которая создается для согласования между иерархическими уровнями низкого и высокого порядков. Этот блок составляется из виртуального контейнера VC и указателя (Pointer, PTR)(1 байт), отмечающего начало виртуального контейнера в транспортном блоке. Кроме того, указатель содержит информацию о согласовании (или выравнивании) скорости “подачи” виртуального контейнера и скорости его “размещения” в транспортном блоке. Функцией транспортного блока является подготовка к объединению однородных виртуальных контейнеров в группы.

Группа транспортных блоков (TUG) – это структура, создаваемая посредством объединения однородных цифровых потоков, находящихся в транспортных блоках низкого иерархического уровня, в одну группу. Мультиплексирование цифровых потоков осуществляется по принципу объединения байтов (“байт за байтом”).

Административный блок (AU) – это структура, которая служит для размещения групп транспортных блоков (TUG) или виртуальных контейнеров (VC) высокого порядка в синхронном транспортном модуле STM-1.Данный блок содержит полезную нагрузку, размещенную, например, в виртуальном контейнере высокого иерархического порядка (VC4) и служебную информацию, состоящую из указателя (PTR) (9 байт). Указатель позволяет идентифицировать виртуальный контейнер VC, когда тот помещен в структуру цикла STM-1, и осуществлять согласование скоростей.

Синхронный транспортный модуль (STM) состоит из полезной нагрузки, которой является административный блок (AU), и служебной информации, названной секционным заголовком (Section Overhead, SOH) и содержащей:

• цифровой синхросигнал;
• байты оценки вероятности ошибок;
• каналы для передачи сигналов управления;
• идентификатор STM-1;
• служебные каналы со скоростью передачи 64 кбит/с.

Секционный заголовок состоит из 2-х частей: R-SOH – заголовок регенерационной секции (27 байт), M-SOH - заголовок мультиплексорной секции (45 байт).

Структура STM-1 состоит из 9 строк и 270 столбцов и имеет протяженность 125 мкс.

Рисунок 54 – Структура транспортного модуля STM-1

В RSOH расположены следующие байты заголовка:

А1 и А2 – байты циклового синхросигнала. А1: 11110110; А2: 00101000.

В1 – контроль ошибок на регенерационной секции, подсчитанной по всему предыдущему кадру STM-1.

J0 – идентификатор структуры STM-1 в кадре STM-N.

D1,D2,D3 – байты, используемые как каналы передачи данных для передачи управляющей информации.

Е1 – байты для организации речевого служебного канала.

F1 – байт для организации канала управления.

Х – байты национального использования.

В MSOH расположены следующие байты заголовка:

В2 – контроль ошибок на мультиплексорной секции, подсчитанной по всему предыдущему кадру STM-1 за исключением байтов SOH в строках 1,2 и3.

Е2 – байты для организации речевого служебного канала.

D4…D12 – байты, используемые как каналы передачи данных для передачи управляющей информации.

К1,К2 – байты сигнализации об автоматических защитных переключениях.

Z1,Z2 – каналы передачи данных для будущих применениях.

М1 – байт, используемый для указания ошибок на удаленном терминале (FEBE)

S – байт, используемый для указания типа синхронного сигнала

Х – байты национального использования.

Пустые байты резервные для будущих стандартов.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные функции указателей.
2. Перечислите основные функции заголовков.
3. Какой метод мультиплексирования используется в SDH?
4. Сколько байт занимает полезная нагрузка в STM-1?