Общие принципы построения цифровых систем передачи

Оборудование цифровых систем передачи (ЦСП) состоит из оборудования формирования и приема цифровых сигналов и оборудования линейного тракта. Цифровые сигналы обычно формируются в оборудовании аналого-цифрового преобразования первичных ЦСП, на входы которых поступают аналоговые сигналы, и затем преобразуются в цифровую форму. Наи­большее распространение в мире получили ЦСП с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Цифровые сигналы также могут формироваться в оборудовании временного группообразования ЦСП более высокого уровня (вторичном, третичном и т.д.). В России принята европейская система иерархии ЦСП:

1. первичная ЦСП со скоростью цифрового потока 2048 кбит/с,

2.      вторичная ЦСП со скоростью цифрового потока 8448 кбит/с,

3.      третичная ЦСП со скоростью цифрового потока 34368 кбит/с,

4.      четверичная ЦСП со скоростью цифрового потока 139264 кбит/с и т.д.

Указанные иерархии известны под общим названием плезиохронная цифровая иерархия (Plesiochronous Digital Hierarchy - PDH). Развитие технологий скоростных телекоммуникаций на основе PDH привело к появлению систем синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy - SDH) [13].

Система передачи на первом уровне, например ИКМ-30, формирует первичный цифро­вой поток 2048 кбит/с и позволяет передавать 30 телефонных каналов тональной частоты (ТЧ).

Стандартный канал ТЧ, транслируемый с помощью метода ИКМ, при котором из исход­ного сигнала как бы "вырезаются" мгновенные значения каждые 125 мкс и кодируются 8-разрядной двоичной комбинацией, эквивалентен цифровому каналу со скоростью 64 кбит/с.

Для образования группового цифрового сигнала ИКМ требуется последовательное вы­полнение четырех процедур:

1.      дискретизация исходного сигнала по времени и формирование импульсного сигнала, модулированного по амплитуде,

2.      объединение этих индивидуальных сигналов в групповой сигнал с амплитудно-импульс­ной модуляцией (АИМ),

3.      квантование этого группового АИМ сигнала по уровню,



4.      кодирование отсчетов группового АИМ сигнала, в результате чего формируется группо­вой цифровой сигнал (рис. 2.1).

 

Рис. 2.1. Формирование группового цифрового сигнала

Процесс дискретизации заключается в получении дискретных отсчетов (мгновенных значений) исходного сигнала C(t) с периодом Т в соответствии с теоремой В.А.Котельникова (гл. 1). Обычно используется амплитудно-импульсная модуляция АИМ (рис. 2.2), при этом информация о мгновенных значениях исходного сигнала имеет вид амплитудно-модулированных импульсов S(t) (рис. 2.2 а). Такие импульсы можно получить, если на электронный ключ (ЭК) одновременно подавать исходный сигнал C(t) и прямоугольные импульсы P(t) с пе­риодом следования Т (рис. 2.2 б). Последовательность p(t) периодически включает ЭК, кото­рый соединен с общей шиной ОШ, при этом на выходе ЭК и в общей шине ОШ формируется амплитудно-модулированный сигнал S(t) (рис. 2.2 а).

Период следования импульсов АИМ Т=125 мкс. Ширина импульсов определяет энергию транслируемого сигнала: чем больше ширина, тем больше энергии исходного сигнала пере­носит последовательность сигналов АИМ S(t).



Рис. 2.2. Амплитудно-импульсная модуляция

Обычно ширину импульсов выбирают равной 0,5-10 мкс, что меньше периода следова­ния импульсов Т. Это позволяет по одной цепи одновременно и независимо передавать им­пульсы S(t), образованные при помощи модуляции от нескольких исходных сигналов. Для это­го должны вырабатываться различные последовательности прямоугольных импульсов P(t), сдвинутые во времени относительно друг друга (рис. 2.3 а). Тогда групповой АИМ сигнал бу­дет иметь вид, приведенный на рис. 2.3 б, где показано, к исходному сигналу какого канала (1...N) относится данный импульс.



Рис. 2.3. Формирование группового АИМ сигнала

Упрощенная схема АИМ модулятора может быть показана в виде, приведенном на рис. 2.4. В общей шине (ОШ) будет формироваться объединенный сигнал от N источников информации (например, телефонных аппаратов).


Для разделения сигналов от разных источ­ников предусмотрен защитный временной интервал, обычно его делают равным 0,3-3 мкс. При этом для передачи информации от одного источника отведен промежуток времени, рав­ный сумме длительности отсчета (длительности импульса последовательности P(t)) и дли­тельности защитного временного интервала. Этот промежуток времени называется каналь­ным интервалом.

 

Рис. 2.4. Упрощенная схема АИМ модулятора

Следует отметить, что на выходе модулятора (рис. 2.4) образуются АИМ сигналы перво­го рода (АИМ-1): амплитуда импульсов на выходе модулятора изменяется в соответствии с изменением амплитуды исходного сигнала C(t). Однако, такой сигнал неудобен для передачи, поэтому используют сигналы АИМ второго рода (АИМ-2).

Отличие АИМ-2 от АИМ-1 заключается в том, что амплитуда каждого импульса из группового АИМ сигнала АИМ-2 определяется мгновенным значением исходного сигнала в момент нача­ла отсчета и не изменяется за длительность времени отсчета, т.е. амплитуда будет неизмен­на. Разница между АИМ-1 и АИМ-2 несущественна, если ширина (длительность) импульсов последовательности P(t) много меньше периода следования Т.

На приемном конце процесс выделения из группового сигнала АИМ индивидуальных сигналов выполняется временными селекторами, представляющими собой такие же электронные ключи, как в модуляторе. Эти электронные ключи управляются такими же импульс­ными последовательностями, как в АИМ модуляторе на передающем конце.

Квантование группового АИМ сигнала по уровню применяется для упрощения процесса кодирования. Закодировать бесконечное число значений амплитуды АИМ сигнала технически затруднительно, поэтому используют разрешенное ограниченное число значений амплитуды АИМ сигнала. Квантование заключается в определении амплитуды дискретного сигнала каж­дого временного канала и сравнении с некоторыми разрешенными уровнями. При этом зна­чение амплитуды сигнала заменяется ближайшим разрешенным. Число разрешенных значе­ний зависит от вида передаваемого сигнала и определяет качество передачи.



Для этого составляется шкала квантования, определяемая минимальным и максималь­ным значением амплитуды исходного (модулирующего) сигнала. Расстояние между двумя со­седними разрешенными уровнями называется шагом квантования, величина которого опре­деляет искажения исходного сигнала при передаче: чем меньше шаг, тем меньше искажается сигнал. Однако уменьшение шага квантования приводит к увеличению числа уровней кванто­вания при неизменной длине шкалы квантования, что, безусловно, усложняет оборудование.

Если шаг квантования по всей шкале квантования остается постоянной величиной, то такое квантование называется равномерным. В современных системах передачи применяется неравномерное квантование с изменяющимся шагом квантования, что позволяет уменьшить шумы квантования и при этом не увеличить число уровней квантования. При неравномерном квантовании для сигналов с малой амплитудой шаг выбирается небольшим и увеличивается с возрастанием амплитуды сигналов.

Неравномерное квантование получают с помощью динамического сжатия сигнала. Для этого на передаче применяется специальное устройство с нелинейной амплитудной характе­ристикой - компрессор. На приемном конце сжатый сигнал как бы расширяется с помощью специального устройства - экспандера, имеющего амплитудную характеристику, обратную компрессору. Результирующая характеристика компрессора-экспандера, называемого ком­пандером, в этом случае не будет вносить нелинейных искажений, так как будет линейной.

В современных системах ИКМ амплитудные характеристики компрессора и экспандера имеют вид кусочно-ломаных кривых, содержащих 256 уровней квантования, для их кодирова­ния требуется 8 разрядов. Кодирование осуществляется за 8 тактов,

В системах передачи европейской иерархии используется логарифмическая характери­стика компандирования, так называемый А-закон:

y=sgn(x)[z/(1+lnA)],

где у и х - отношение амплитуд выходного и входного сигналов соответственно к вели­чине порога ограничения квантующего устройства (квантователя), z = А[х] для х, находящихся в интервале от 0 до 1/А, z=1 + lnA[x] для х, находящихся в интервале от 1/А до 1, А - пара­метр компрессии, А = 87,6.



Для транслирования номеров уровней на приемный конец применяется последователь­ное кодирование. Для кодирования часто используется равномерный двоичный код, при этом число уровней квантования будет равно 2n, где n - число элементов кода.

Рассмотрим процесс преобразования некоторого исходного аналогового сигнала C(t) в сигнал ИКМ (рис. 2.5). Сигнал C(t) модулирует некоторую последовательность импульсов P(t) с периодом следования импульсов Т. После дискретизации амплитуды дискретных сигналов округляются до ближайших разрешенных уровней (АИМ-2), при этом шкала квантования име­ет вид, показанный на рис. 2.5 а.

В процессе квантования по амплитуде передается не значение амплитуды отсчета (им­пульса, вырезанного из исходного сигнала), а закодированное значение ближайшего разре­шенного уровня k. В результате квантования значение амплитуды импульса изменяется (ок­ругляется в большую или меньшую сторону). При этом допускается ошибка, которая будет тем меньше, чем меньше выбран шаг квантования. При ИКМ передаются не значения ампли­туды, а номера ближайших разрешенных уровней: k=0, k=2, k=5, k=7, k=5, k=1, k=0 (рис. 2.5 б). Пусть для кодирования выбран трехэлементный двоичный код, тогда закодиро­ванные значения уровней будут: 000, 010, 101, 111, 101, 001, 000.

По линии связи передается цифровой сигнал в виде кодовых групп, представляющих сочетание импульсов одинаковой амплитуды и пауз (рис. 2.5 в). Каждая кодовая группа пере­дается по линии за время канального интервала.



Рис. 2.5. Преобразование аналогового сигнала в АИМ сигнал

На приемном конце по принятой информации восстанавливается исходный сигнал с не­которой погрешностью - кривая, показанная штриховой линией (рис. 2.5 г). Эта погрешность зависит от шага квантования и проявляется как искажение формы исходного сигнала (так на­зываемый шум квантования). В [14] приведена оценка качества речи, переданной с помощью ИКМ, в зависимости от числа разрешенных уровней квантования (табл. 2.1).




Таблица 2.1. Оценка качества речи при ИКМ передаче

Оценка качества речи	Число уровней квантования	Число элементов кода в кодовой группе
Очень плохое	8	3
Плохое	16	4
Удовлетворительное	32	5
Хорошее	64	6
Очень хорошее	128	7
Отличное	256	8

Из табл. 2.1 видно, что число уровней квантования, равное 256, является приемлемым, Такое число уровней имеют системы передачи ИКМ, применяемые на взаимоувязанной сети связи России.

Упрощенная структурная схема системы ИКМ-30 (оконечной станции) приведена на рис. 2.6. Условно можно выделить индивидуальное (ИО) и групповое (ГО) оборудование. В ИО осуществляется согласование оборудования с линейными окончаниями двухпроводных трак­тов, по которым поступают канальные исходные сигналы, а также дискретизация этих сигна­лов. В групповом оборудовании осуществляется квантование и кодирование канальных сигна­лов путем поочередного подключения к ИО каждого канала, а также объединение этих сигна­лов в групповой и формирование линейного сигнала.



Рис. 2.6. Упрощенная структурная схема оконечной станции ИКМ-30

В состав ИО входит дифференциальная система (ДС), согласующая двухпроводный и четырехпроводный тракты, усилители низких частот и фильтры нижних частот. Модулятор (М) осуществляет дискретизацию аналоговых сигналов в тракте передачи, а в тракте приема се­лектор (С) осуществляет выборку сигнала своего канала из группового сигнала. Модулятор и селектор представляют собой быстродействующие электронные ключи, которые управляются соответственно импульсными последовательностями Р1...РЗО.

В состав ГО входят: модулятор АИМ для группового сигнала, который осуществляет преобразование АИМ-1 в АИМ-2, кодер и декодер (ДЕК), устройства объединения (УО) и раз­деления (УР) информационных и служебных сигналов, регенераторы (Per), устройство фор­мирования линейного сигнала и линейные трансформаторы (ЛТр), с помощью которых пода­ется ток дистанционного питания (ДП) необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП).


В НРП осуществляется восстановление линейных сигналов, изменившихся после прохождения определенных кабельных участков. На рис. 2.6 не показано генераторное оборудование, со­стоящее из задающего генератора, блока деления частоты и распределителя импульсов. Не показаны блоки синхронизации и блоки передачи и приема сигналов управления (СУ) и ли­нейных сигналов, блоки служебной связи (СС) и блоки подачи сигналов телеконтроля линей­ного тракта. Телеконтроль линейного тракта и служебная связь осуществляются по отдельным парам кабеля.

В системе ИКМ-30 формируется 32 временных канала, из которых 30 - информацион­ные, а 2 предназначены для передачи: сигналов управления и линейных сигналов (16-й вре­менной канал), сигналов синхронизации (0-й временной канал). Подробно организация сверхциклов, циклов, канальных и тактовых интервалов рассмотрена в [15].

Для повышения эффективности систем связи в настоящее время применяются адаптив­ные варианты ИКМ, в которых регулируются основные параметры системы дискретизации - диапазон, шаг, начало отсчета шкалы квантования, временной интервал между отсчетами. При этом на приемной стороне сигнал восстанавливается по дискретным данным с использо­ванием определенного алгоритма [16, 17, 18]. Такие виды ИКМ широко используются в мало­канальных системах передачи (см. раздел 2.2).Такой же вид ИКМ используется в системе UPG-60 (см. гл. 4).

К линейным сигналам ЦСП при проектировании предъявляются следующие требования [19]:

1.      энергетический спектр передаваемых цифровых сигналов должен быть сосредоточен в относительной узкой полосе частот при отсутствии постоянной составляющей, что уменьшит межсимвольные искажения, повысит взаимозащищенность, обеспечит возможность совместной параллельной работы с аналоговыми системами передачи. Это позволяет увеличить дли­ну участка регенерации и повысить верность передачи;

2.      возможность контроля за коэффициентом ошибок без перерыва связи.



В системах ИКМ-30 применяется код с чередованием полярности импульсов - ЧПИ (AMI - Alternate Mark Inversion), представляющий собой двухполярный трехуровневый код с инвер­сией полярности сигнала на каждой второй передаваемой единице. Формирование передачи двоичного символа 1 происходит с помощью чередования сигналов, показанных на рис. 2.7 а и рис. 2.7 б, а 0 - с помощью сигнала "пассивная пауза" (рис. 2.7 в). Такой порядок позволя­ет устранить постоянную составляющую из спектра сигнала, так как средний уровень такого сигнала равен нулю.

При использовании кода ЧПИ упрощается процесс выделения хронирующего сигнала в ре­генераторах. Кроме этого, принимаемые сигналы позволяют осуществить проверку на четность: об­наружение двух последовательных импульсов од­ной полярности означает ошибку. Основным не­достатком кода ЧПИ является возможность появ­ления в передаваемой последовательности длин­ных серий 0, что отрицательно отражается на син­хронизации в регенераторах. Поэтому находят применение усовершенствованные коды.

Различают неалфавитные коды, в которых изменение статистических свойств исходной ин­формации происходит при определенных услови­ях, например, в модифицированном коде ЧПИ (HDB3 - High Density Bipolar code of order 3) при четырех подряд следующих нулях происходит их замена определенными сочетаниями: 000V или B00V так, чтобы число импульсов В между после­довательными V импульсами было нечетным. Если после замены  было передано нечетное число единиц, то для замены выбирается комбинация 000V, если число промежуточных единиц было четным, выбирается B00V. При последовательных заменах создаются нарушения с чередующимися полярностями (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Виды комбинаций импульсов в неалфавитных кодах

Полярность предыдущего импульса V	Вид комбинации для числа импульсов В после последней замены
	нечетного импульса	четного импульса
-	000-	+00+
+	000+	-00-

При таком кодировании не может быть последовательности, содержащей более трех нулей подряд, поэтому такой код также называют кодом с высокой плотностью единиц поряд­ка три - КВП-3 (HDB3).

В алфавитных кодах статистические свойства исходной информации меняются путем деления этой информации на группы, а затем преобразования по определенному правилу (алфавиту) этих групп, в результате чего получаются группы символов кода с другим основа­нием счисления и с новым числом тактовых интервалов. При этом передаются признаки гра­ниц групп символов кода для правильного восстановления на приеме.

В цифровых системах передачи для АЛ часто используются алфавитные коды 3В2Т, 4ВЗТ, 2B1Q. Первое число в названии обозначает число символов в кодируемой двоичной группе. Буква В (Binary) показывает, что для представления исходной информации использу­ется двоичное счисление. Следующее число - это число символов в группе кода. Последняя буква в обозначении кода показывает кодовое основание счисления: Т (Ternary) - троичное, Q (Quaternary) - четверичное. На рис. 2.8 показан пример двухуровневого кодирования двоич­ного сигнала в различных кодах.



Рис. 2.8. Примеры двухуровневого кодирования двоичного сигнала в различных кодах

Многоуровневые коды по сравнению с двухуровневыми позволяют получить более вы­сокие скорости передачи двоичных сигналов в линии. При многоуровневой передаче скорость двоичных сигналов будет равняться отношению логарифма по основанию 2 числа уровней к длительности тактового интервала Т [15]. На рис.2.9 показан пример 4-уровневого сигнала, при таком сигнале достигается передача битов на тактовый интервал, т.е. двух битов на один бод (бод - единица измерения скорости передачи символов, при этом скорость определяется как 1/Т). Следует подчеркнуть, что скорость передачи двоичных сигналов, измеряемая в би­тах, только тогда равна скорости передачи символов, когда передается 1 бит на один такто­вый интервал. Для примера, показанного на рис. 2.9, эти скорости не равны.



При многоуровневом линейном кодировании 2B1Q (например, в системах передачи TOPGAIN-4-NATEKS, РСМ-8ВА и др.), происходит преобразование двух двоичных символов в символ с четверичным кодовым основанием счисления.


Содержание раздела

---