Тема 1 основы построения цифровых систем передачи

Вопрос: Принцип временного разделения каналов, теорема Котельникова, выбор частоты дискретизации.

ЦСП строятся на основе временного разделения каналов (ВРК) и импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Принцип ВРК заключается в том, что в любой данный момент времени в линейном тракте многоканальной системы передачи передаются сигналы только по одному каналу (каналы работают поочередно с определенным временным интервалом). Достигается это за счет выполнения условий теоремы Котельникова.

Любой непрерывный сигнал с ограниченным спектром (от нижней частоты F_н до верхней частоты F_в) можно передать в виде дискретных отсчётов, следующих друг за другом с интервалом Δt. Амплитуда отсчетов повторяет амплитуду непрерывного сигнала, а частота следования называется частотой дискретизацией и находится в пределах: .

Эффективно передаваемая полоса частот (ЭППЧ) телефонного сигнала составляет 0,3-3,4 кГц, F_В = 3,4 кГц.

Рассмотрим 3 случая:

1. f_Д < 2 F_В. f_Д = 5 кГц. Непрерывный сигнал невозможно выделить на приеме.

2. f_Д = 2 F_В. f_Д = 6,8 кГц. Непрерывный сигнал можно выделить на приеме, но требуется фильтр с идеальным откликом.

3. f_Д > 2 F_В. f_Д = 8 кГц. Непрерывный сигнал выделяется на приеме, есть полоса расфильтровки.

n По результатам исследования можно сделать вывод: нам подходят 2 и 3 случай, но на практике берут fд > 2F_{c max}, оставляя полосу расфильтровки.

n Для телефонного канала установлено:

f_д = 8 кГц.

Т_д = 125 мкс

Рисунок 1.1 - Принцип ВРК

Задача: найти частоту дискретизации для канала ЗВ второго класса, со спектром (0,05…6,4 кГц).

Вопрос: Структура ЦСП с ИКМ-ВД. Этапы АЦП и ЦАП.

АИМ сигналы, полученные при ВРК передавать в линию нецелесообразно т.к. они имеют низкую помехоустойчивость. Для того чтобы передать многоканальный сигнал по линии его преобразуют в помехоустойчивый – цифровой, для этого выполняют аналого-цифровое преобразование (АЦП) на передаче и цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) на приеме.

Этапы АЦП.

1. Дискретизация (АИМ-1).

2. Квантование по уровню (АИМ-2).

3. Кодирование (ИКМ).

Дискретизация – разделение спектра на дискретные составляющие.

Квантование по уровню - это преобразование дискретных отсчётов в ближайшие разрешенные уровни. Для проведения квантования на ось амплитуд наносится шкала разрешения уровней 1,2,3… n.

В квантовании интервал между разрешенными уровнями называется шагом квантования. Если дельта по всей шкале является одинаковой то квантованию равномерное (линейное), если нет – нелинейное. Квантование сопровождается появлением ошибок квантования.

Недостатком равномерного квантования является большая ошибка при квантовании сигналов с малыми амплитудами. Чтобы получить достаточно хорошее качество необходимо иметь много уровней квантования (несколько тысяч), а это усложняет аппаратуру. Поэтому на практике применяют неравномерное квантование.

Отсчёты малой амплитуды при равномерном квантовании имеют низкую помехозащищенность (будут сливаться с шумами). Если уменьшать шаг увеличивается число уровней. Для уменьшения шумов квантования и применяют неравномерное (нелинейное) квантование.

Кодирование - это преобразование квантованных отсчётов в соответствующие кодовые комбинации. Наиболее простой двоичной код (0 и 1).Кодирование сводится к переводу числа из десятичной системы счисления в двоичную.

Число возможных комбинаций зависит от основания и значности кода.

Этапы ЦАП.

1. Декодирование (АИМ-2).

2. Восстановление непрерывного сигнала.

Принцип построения систем передачи с ИКМ.

Принцип построения ЦСП для одного направления передачи А-Б (Б-А аналогично) показан на рисунке 1.2. На рисунке изображены основные функциональные узлы аналого-цифрового оборудования тракта передачи ст. А, оборудование линейного тракта, аналого-цифрового оборудования тракта приема ст. Б. Рассмотрим назначение основных узлов функциональной схемы.

Рисунок 1.2 - ИКМ-ВД

Тракт передачи. ФНЧ ограничивает спектр разрешённого сигнала до 3,4 кГц с целью выбора наименьшей f_Д. М - модуляторы, выполняют дискретизацию, их выходы запараллелены, индивидуальные АИМ сигналы объединяются в групповой.

Кодер выполняет квантование и кодирование. На выходе кодера цифровой двоичный сигнал с тактовой частотой: УО - устройство объединения, объединяет основной сигнал (гр. ИКМ) с дополнительными СУВ (КПВ, ПВ) и синхросигналов от передатчиков СУВ и СС. Синхросигнал обеспечивает правильное распределение дискретных отсчётов по каналам на приёме. В УО формируется ВДЦ. ПК_пер - преобразователь кода, преобразует двоичный код в линейный.

Тракт линейный РЛ - регенератор линейный, выполняет регенерацию, то есть восстановление формы и параметров сигнала.

Тракт приема. РС - регенератор станционный. ПК_пр.- преобразует линейный код в двоичный. ВС - временные селекторы из гармоник АИМ выделяют дискретные отсчёты своего канала. ФНЧ - из спектра индивидуальных АИМ выделяют ЭППЧ.

ГО_пер и ГО_пр – генераторное оборудование передачи и приема - формируют управляющие сигналы. ЗГ – задающий генератор - формируют высокостабильные гармоники с f_Т, на приёме вместо ЗГ: выделитель тактовой частоты ВТЧ - выделяет из ИКМ сигнала тактовую частоту.

Вопрос: Формирование линейных цифровых сигналов и регенерация цифрового сигнала.

ИКМ сигнал это импульсный периодический сигнал, имеющий бесконечный спектр. Цифровой сигнал, проходя по линии, искажается из-за ограничения по частоте сверху и снизу. Эти искажения приводят лишь к помехам, что снижает помехоустойчивость.

Как известно, элементарные посылки цифрового сигнала, как и любого другого сигнала, ограниченного во времени, имеют бесконечный по частоте энергетический спектр. Постоянную составляющую и низкочастотную составляющую энергетического спектра цифрового сигнала оказывается невозможно передавать без искажений по ЦЛТ из-за влияния линейных трансформаторов и разделительных емкостей в усилительных каскадах регенератора. Это явление получило название ограничения полосы частот цифрового сигнала снизу. Аналогично, увеличение затухания кабельной цепи и уменьшение в регенераторах усиления с ростом частоты приводит к ограничению полосы частот цифрового сигнала сверху.

Из-за ограничения спектра частот сверху появляются межсимвольные искажения МСИ-1.При МСИ-1 «расползаются», попадают на другие такты, соответственны вместо «0» принимается «1» т.е. теряется достоверность. МСИ-2 появляется а результате ограничения спектра снизу. МСИ-2 это выбросы противоположной полярности, которые приводят к потери достоверности.

Рисунок 1.3 - Искажения цифрового сигнала в линии.

Кроме того цифровой сигнал подвергается к воздействию помех. На симметричных кабелях – это переходные помехи с других трактов этого же кабеля, на коаксиальных кабелях учитываются тепловые помехи и помехи отражений от неоднородностей. В целом помехи в коаксиальных кабелях меньше. Поэтому симметричные кабеля используются на скоростях до 8 Мбит/с (120 каналов), а коаксиальные кабели больше 8 Мбит/с.

Помехи по симметричному кабелю.

Основным видом помех являются переходные помехи. Они возникают вследствие конечности переходного затухания между парами кабеля в четверке и между четверками. Влияние помехи на передаваемый цифровой сигнал зависит от способа организации ЦЛТ. При однокабельной организации ЦЛТ преобладают переходные помехи на ближнем конце участка регенерации, а при использовании двухкабельной системы – переходные помехи на дальнем конце. Величина переходных помех определяется уровнем цифрового сигнала на передаче, переходным затуханием на ближнем или дальнем концах, а также видом энергетического спектра линейного цифрового сигнала и его скоростью передачи.

Другим существенным видом помех для ЦЛТ, организованных по симметричному кабелю, являются помехи от отраженных сигналов. Они возникают из-за несогласованности волновых сопротивлений кабеля и входных и выходных цепей регенераторов, а также из-за неоднородностей волнового сопротивления в местах стыка строительных длин.

Специфическим видом помех в ЦЛТ симметричного кабеля являются импульсные помехи, создаваемые коммутационными приборами автоматических телефонных станций (АТС). Этот вид помех является определяющим на регенерационных участках ЦСП местной сети, прилегающих к АТС. Для того, чтобы уменьшить мешающее воздействие импульсных помех пристанционные участки регенерации приходится делать укороченными (обычно в два раза по сравнению с номинальной длиной).

Помехи по коаксиальному кабелю.

Собственные (или тепловые) помехи являются основными в ЦЛТ, организованные при помощи коаксиальных кабелей связи. Характерная особенность коаксиальных цепей состоит в том, что с увеличением частоты резко возрастает величина переходного затухания между коаксиальными парами, поэтому при передаче по ним цифровых сигналов переходные помехи отсутствуют. Собственные помехи в коаксиальных ЦЛТ вызываются, в основном, хаотическим тепловым движением электронов в кабельных цепях и шумами усилительных элементов во входных цепях регенераторов. Величина собственных помех в коаксиальной паре зависит от скорости передачи цифровых сигналов и длины участка регенерации. В целом величина помех в ЦЛТ коаксиального кабеля оказывается намного меньше, чем в трактах симметричного кабеля.

Для уменьшения искажений, вносимых направляющей средой, а также для повышения достоверности передаваемой информации, двоичный цифровой сигнал при помощи преобразователей кода на передающей оконечной станции преобразуется в цифровой линейный сигнал. На приемной станции производится обратное преобразование линейного сигнала в двоичный цифровой сигнал при помощи преобразователя кода приема.

Коды ЦСП.

Рисунок 1.4 – Временные диаграмму кодов ЦСП.

Требования к линейному ИКМ сигналу.

1) Энергетический спектр должен быть ограничен сверху и снизу, быть узким располагается на низких частотах и не содержать постоянную составляющую.

2) В составе спектра частот должна быть составляющая с тактовой частотой fт.

3) Цифровой сигнал должен быть представлен в коде содержащим избыточность.

Регенерация цифрового сигнала.

Наиболее важной особенностью цифрового способа передачи сигналов является возможность восстановления формы искаженной импульсной последовательности при прохождении через направляющую среду, например, кабельную линию связи. Импульсная последовательность восстанавливается с помощью специальных устройств, называемых регенераторами, которые размещаются вдоль линии передачи цифрового сигнала.

Регенераторы в современных ЦСП выполняют три основные функции:

1. корректирование формы принимаемых импульсов;

2. выделение тактовой частоты из линейного цифрового сигнала;

3. полное восстановление формы и временных соотношений в линейном цифровом сигнале (этот процесс и называется регенерацией).

В кабельных ЦСП линейный сигнал чаще всего передается в виде комбинаций импульсов постоянного тока и пробелов что упрощает реализацию регенераторов. В то же время регенераторы кабельных систем являются наиболее распространенным элементом современных цифровых сетей.

Исходя из сказанного выше рассмотрим регенерацию цифрового сигнала, представляющего собой комбинацию импульсов и пробелов (единиц и нулей). Структура регенератора представлена на рисунке 1.5. Искаженный цифровой сигнал из кабельной цепи поступает на усилитель-корректор (УК), обеспечивающий частичную или полную коррекцию формы импульсов, и регистрируется решающим устройством (РУ). Решающее устройство представляет собой пороговую схему, которая срабатывает, если уровень сигнала на его входе превышает пороговый уровень РУ, и не срабатывает, если уровень входного сигнала меньше уровня порога.

Рисунок 1.5 - Принцип регенерации цифрового сигнала.

Пороговое напряжение может подаваться извне или вырабатываться в схеме РУ. При поступлении импульса на выходе РУ появляется управляющий сигнал, а в случае 0 состояние РУ не изменяется. Формирующее устройство (ФУ) обеспечивает формирование по сигналам РУ импульсов с принятыми для конкретной системы стандартными параметрами.

Вопрос: Плезиохронные и синхронные цифровые иерархии.

В рекомендациях МСЭ-Т представлено два типа иерархий ЦСП: плезиохронная цифровая иерархия (ПЦИ) и синхронная цифровая иерархия (СЦИ).

Длительность цикла составляет 125 мкс, т.е. в групповом сигнале в течение 1 с передаются по 8 000 байт из каждого канала. Байт включает восемь бит (разрядов). Это дает цифровой поток, имеющий скорость 8 × 8000 =64000 бит/с = 64 кбит/с. Цифровой поток со скоростью передачи 64 кбит/с называется основным цифровым каналом(ОЦК). Для объединения сигналов ОЦК в групповые высокоскоростные цифровые сигналы используется рассмотренный ранее принцип временного разделения каналов.

Плезиохронная цифровая иерархия имеет европейскую, североамериканскую и японскую разновидности.

Таблица 1.1 – Скорости ПЦИ.

Первая иерархия, порождённая скоростью 1544 кбит/с, давала последовательность: DS1 - DS2 - DS3 - DS4 или последовательность вида: 1544 - 6312 - 44736 - 274176 кбит/с. Это соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n=24, 4, 7, 6. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 24, 96, 672 и 4032 канала ОЦК.

Вторая иерархия, порождённая скоростью 1544 кбит/с, давала последовательность DS1- DS2 - DSJ3 - DSJ4 или последовательность 1544 - 6312 - 32064 - 97728 кбит/с (ряд приближённых величин составляет 1.5 - 6 - 32 - 98 Мбит/с), что, с учётом скорости DS0, соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n=24, 4, 5, 3. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 24, 96, 480 и 1440 каналов DS0.

Третья иерархия, порождённая скоростью 2048 кбит/с, давала последовательность Е1 - Е2 - Е3 - Е4 - Е5 или последовательность 2048 - 8448 - 34368 - 139264 - 564992 кбит/с (ряд приближённых величин составляет 2 - 8 - 34 - 140 - 565 Мбит/с), что соответствует ряду коэффициентов n=30(32)4, 4, 4, 4. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 30, 120, 480, 1920 и 7680 ОЦК.

Последние уровни первой (274 Мбит/с) и третьей (565 Мбит/с) иерархий не были рекомендованы в качестве стандартных.

Недостатки ПЦИ:

Первый недостаток -многообразие систем передач с различными скоростями требовало согласования систем передач, что в большинстве случаев решалось только переходом к аналоговой форме сигнала и переходу от одной системы передачи к другой. На магистральных международных системах передачи при этом ухудшалось качество передаваемого сигнала.

Второй недостаток. Другой способ согласования различающихся скоростей - добавление при передаче выравнивающих бит; при приеме эти биты изымаются. Добавления и изъятия усложняют промежуточный вывод отдельных каналов на транзитных участках. То есть не возможно выделить поток малой емкости из потока большей емкости без демультиплексирования.

Рисунок 1.6 - Схема объединения цифровых потоков европейской ПЦИ

Третий недостаток плезиохронных систем-небольшое количество служебной информации. Из­-за этого становится невозможной маршрутизация транспортных потоков, что существенно снижает способность транспортной сети к поддержанию связи во время отказов отдельных участков.

Для устранения этих недостатков в США разработана и принята система стандартов Синхронной оптической сети-Synchronous Optical Network (SONET). Эта система была принята в 1985 году комитетом T1/X1 ANSI [13-19], а в 1988 году она была адаптирована ITU-T к Европейским стандартам. Также была разработана единая версия синхронной цифровой иерархии-SONET/SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

СЦИ позволяет организовать универсальную транспортную систему, охватывающую все участки сети и выполняющую функции как передачи информации, так и контроля и управления. Она рассчитана на транспортирование всех сигналов ПЦИ, а также всех действующих и перспективных служб, в том числе и широкополосной цифровой сети с интеграцией служб (В-ISDN), использующей асинхронный способ переноса (АТМ).

Линейные сигналы СЦИ организованы в так называемые синхронные транспортные модули STM (Synchronous Transport Module) (Табл. 6.3). Первый из них - STM-1 - соответствует скорости 155 Мбит/с. Каждый последующий имеет скорость в 4 раза большую, чем предыдущий, и образуется побайтным синхронным мультиплексированием. Уже стандартизированы STM-4 (622 Мбит/с) и STM-16 (2,5 Гбит/с), ожидается принятие и STM-64 (10 Гбит/с).

Таблица 1.2 – Скорости СЦИ

Уровень	Модуль	Скорость передачи
	STM-1	155 Мбит/с
	STM-4	622 Мбит/с
	STM-16	2,5 Гбит/с

Синхронные сети имеют ряд преимуществ перед используемыми асинхронными, основные из них следующие:

1. упрощение сети;

2. надежность и самовосстанавливаемость сети;

3. гибкость управления сетью;

4. выделение полосы пропускания по требованию;

5. прозрачность для передачи любого трафика;

6. универсальность применения.

Вопрос: Структура потока Е1.

Е₁ - первичный цифровой поток, организуется объединением 30 ОЦК.

Рисунок 1.7 - Структура Е₁.

Канальные интервалы КИ₁-КИ₁₅, КИ₁₇-КИ₃₁ отведены под передачу информационных сигналов. КИ₀ и КИ₁₆ - под передачу служебной информации. Интервалы КИ₀ в четных циклах предназначаются для передачи циклового синхросигнала (ЦС), имеющего вид 0011011 и занимающего интервалы Р₂ - Р₈. В интервале Р1 всех циклов передается информация постоянно действующего канала передачи данных (ДИ). В нечетных циклах интервалы P₃ и Р₆ КИ₀ используются для передачи информации о потере цикловой синхронизации (Авар. ЦС) и снижении остаточного затухания каналов до значения, при котором в них может возникнуть самовозбуждение (Ост. зат). Интервалы Р₄, Р₅, Р₇ и Р₈ являются свободными, их занимают единичными сигналами для улучшения работы выделителей тактовой частоты.

В интервале КИ₁₆ нулевого цикла (Ц₀) передается сверхцикловой синхросигнал вида 0000 (Р₁ - Р₄), а также сигнал о потере сверхцикловой синхронизации (Р₆ - Авар. СЦС). Остальные три разрядных интервала свободны. В канальном интервале КИ₁₆ остальных циклов (Ц₁ - Ц₁₅) передаются сигналы служебных каналов СК₁ и СК₂, причем в Ц₁ передаются СК для 1-го и 16-го каналов ТЧ, в Ц₂ - для 2-го и 17-го и т.д. Интервалы Р₃, Р₄, Р₆ и Р₇ свободны.

Дата добавления: 2014-10-17