Author: Каламов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН
ТАДЖИКСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени академика М.С. Осими
Конспект лекций
по дисциплине
“Цифровые системы передач”
Душанбе - 2015

УДК 621.395.049 (07) «Утверждаю»
Председатель МС
__________ Сангов М.М.
«_____»___________2015
Каламов А.К. Конспект лекций по дисциплина «Цифровые системы передачи» для студентов по специальности 450103-02 – «Сети связи и системы коммутации». Издательство ТТУ, Душанбе 2013.- 87с. Рекомендовано к изданию МС ТТУ имени академика М.С. Осими протокол №___ от ____________ 2015г.
Конспект лекций по дисциплина «Цифровые системы передачи» разработан в соответствии с программой предмета «Цифровые системы передачи» и соответствует государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования направления подготовки дипломированных специалистов по специальности 450103-02 — “Сети связи и система коммутация” очной и заочной форм обучения.
В данном пособии рассматриваются вопросы формирования канальных цифровых сигналов с помощью импульсно-кодовой модуляции, основы построения оборудования формирования первичного цифрового потока, построения линейных цифровых трактов телекоммуникационных систем плезиохронной цифровой иерархии (PDH), а также вопросы построения сети на базе синхронная цифровая иерархия (SDH) и волоконной – оптические системы передачи (ВОСП).
Рецензенты: Химатов М.Х – генеральный директор ОАО «Точиктелеком».
Шеров П.—дотцент ТТУ им. Академик М. Осими.
© Каламов Азизмамад Курбонмамадович
СОДЕРЖАНИЕ
Перечень условных обозначений и сокращений….……..………..……....….….6
Введение….………………………………………………………..…................….7
ЛЕКЦИЯ №1. Цифровые системы передачи (ЦСП) ….………..………...…...9
1.1 Особенности построения цифровых систем передачи..….…………..…..9
1.2 Основные понятия и определения.………………………………....…….10
1.3 Классификация цифровых систем передачи.…………………….…...….12
ЛЕКЦИЯ №2 Иерархии цифровых систем передачи. ..................................….15
2.1 Плезиохронная цифровая иерархия (ПЦИ)……………...………........….15
2.2 Физический уровень Е1 (G.703)..…………………………………......…..17
2.3 Схема взаимодействия аппаратуры. …………………………….........….17
2.4 Основные характеристики интерфейса Е1.….……………………….......19
2.5 Уровни сигналов, электрические параметры интерфейса,
форма импульса………………………………………………..……...…...…21
2.6 Канальный уровень Е1 (G.704)………………………………..……...…..23
ЛЕКЦИЯ № 3. АЦП и ЦАП…………………………………………..…............26
3.1 Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование
сигнала в ЦСП ИКМ-ВРК. .…………………….…………...……...…......26
3.2 Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)…………………........……….….38
3.3 Групповой ИКМ сигнал………………………...…………...…....…...…..41
ЛЕКЦИЯ №4 . Структурная схема оконечной станции и основные .
узлы оборудование ЦСП……………………………………..………..,….....48
4.1 Обобщенная структурная схема оконечной станции цифровой
системы передачи с ИКМ-ВРК.………………………………......,,……..….48
4.2 Основные функциональные узлы цифровых систем передачи
с ИКМ-ВРК………………………………...………………………….,…..….53
4.3 Генераторное оборудование цифровых систем передачи…...…...…..,...56
4.3.1 Общие принципы построения генераторного оборудования……....56
4.3.2 Задающие генераторы. ………………………………...………........61
ЛЕКЦИЯ № 5.Формирование структуры цикла передачи ЦСП…..……..…..64
ЛЕКЦИЯ № 6.Принципы временного группообразования (ВГ) в ЦСП...…..67
6.1 Способы мультиплексирования цифровых потоков………………..….67
6.2 Асинхронное объединение цифровых потоков………………………...71
6.3 Формирование структуры цикла передачи ЦСП высших ступеней ПЦИ……………………………………………………………………..………..83
6.3.1 Цикл передачи ЦСП ИКМ-120………………………………...…….84
6.3.2 Цикл передачи ЦСП ИКМ-480…………………………….………...87
6.3.3 Цикл передачи ЦСП ИКМ-1920……………………..…..….……….89
ЛЕКЦИЯ № 7. Системы передачи ИКМ-30 и ИКМ-120…………….….…….92
7.1 Аппаратура ИКМ-30………………………….………………..………..92
7.2 Аппаратура ИКМ-120……………………………………………..…….97
ЛЕКЦИЯ №8.Тактовая, цикловая и сверхцикловая синхронизация ЦСП…………………………………………………………………………….104
8.1 Синхронизация в цифровых системах передачи…………………….104
8.2 Тактовая синхронизация.……………………………………………...105
8.3.Тактовая сетевая синхронизация. Фазовые дрожания………..……...113
ЛЕКЦИЯ № 9. Линейный тракт цифровых систем передачи……………..116
9.1 Линейный тракт цифровых систем передачи по электрическим
кабелям…………………………………………………………………..116
10. ЛЕКЦИЯ № 10. Формирование кодов и цифровых линейных трактов
(ЦЛТ) и оценка их параметров…………...……………………………….122
10.1 Линейные коды………………………………………………………...122
10.2 Коды с высокой плотностью единиц……...………………………...128
ЛЕКЦИЯ № 11. Регенерация сигналов в ЦЛТ.……………....……………....133
11.1 Принципы построения и классификация регенераторов…………...133
11.2 Обобщенная структурная схема типового регенератора……..…….137
ЛЕКЦИЯ 12. Синхронная цифровая иерархия ………………...……...……..143
12.1 Особенности плезиосинхронной цифровой иерархии……….…..…….143
12.2 Общая характеристика синхронной цифровой иерархии (SDH).…...142
12.3 Структура цикла передачи STM-1.………………………………...…..149
12.4 Обобщённая схема мультиплексирования потоков в SDH…….….....151
12.5 Схема формирования модуля STM-1 из потоков Е1, Е3, Е4…..……..155
12.6 Подробная схема формирования модуля STM-1 из потоков Е1...…...156
12.7 Маршрутный заголовок (POH)…………………………...………..…..159
12.8 Секционные заголовки (SOH) и указатель (PTR) ….………………....160
12.9 Формирование модулей STM-N….……………..………………….......163
12.10 Функциональные модули сетей SDH…………………….…….…….166
12.11 Топология сетей SDH…………………………………………...…….173
12.12 Методы повышения отказоустойчивости синхронных потоков…...175
ЛЕКЦИЯ №13. Волоконной – оптические системы передачи (ВОСП).....178
13.1 Обобщенная структурная схема цифровой ВОСП…….…..…..……178
13.2 Источники оптического излучения……………………..………..…..187
13.3 Приемники оптического излучения………………………..………...192
13.4 Принципы построения двухсторонних линейных трактов ЦВОСП………………………………………………………………………..194
13.5 Методы уплотнения волоконно-оптических линий связи...……….199
Список литературы…..…………………………………..…………………..211
.
Перечень УслОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ и сокращений
БАС – блок асинхронного сопряжения
ПД – передатчик
ПМ – приемник
АЦО – аналого-цифровое оборудование
ЦЛТ – цифровой линейный тракт
КСС – команды согласования скоростей
ДП – дистанционное питание
МСИ – межсимвольные искажения
ПСП – псевдослучайная последовательность
ЧПИ – код с чередующейся последовательностью единиц
КВП – код высокой плотности единиц
ВТЧ – выделитель тактовой частоты
PDH – плезиосинхронная цифровая иерархия
SDH – синхронная цифровая иерархия
STM – синхронный транспортный модуль
С-n – контейнер уровня n
VC-n – виртуальный контейнер уровня n
TU-n – трибный блок уровня n
TUG-n – группа трибных блоков уровня n
AU-n – административный блок уровня n
AUG – группа административных блоков
SOH – секционные заголовки
PTR – указатель (пойнтер)
SMUX – синхронный мультиплексор
ТМ – терминальный мультиплексор
АДМ – мультиплексор ввода/вывод
ВВЕДЕНИЕ
В современном мире средства связи являются неотъемлемой частью экономики и нашего быта. Причем развитие телекоммуникаций идет по пути глобализации (создание глобальных информационных сетей) и одновременно по пути персонализации (доведение разнообразных услуг до каждого пользователя). В этих условиях существенно возрастает роль телекоммуникационных сетей и систем, которые непрерывно развиваются на базе новых технологий с широким использованием цифровых методов обработки и передачи информации, новой элементной базы.
Для сети связи Таджикистан так же характерны интенсивная цифровизация, внедрение новых технологий таких, как PDH, SDH, ATM, xDSL и др., современной аппаратуры систем передачи, построенной на базе микропроцессоров и вычислительной техники. В современных системах связи широко используются новые эффективные методы обработки и передачи информации. В этих условиях для качественной подготовки специалистов по направлению «Телекоммуникации» необходимо использовать современную техническую литературу и особенно учебники, учебные пособия. К сожалению, до настоящего времени дисциплина «Цифровые системы передачи» недостаточно обеспечена современной, изданной в последние 5-10 лет, технической литературой и учебниками. В определенной мере существующий пробел в обеспеченности учебной литературой дисциплины «Цифровые системы передачи» может быть устранен изданием данного конспекта лекций.
Новые возможности цифровых коммутаторов и технических средств транспортной среды (возможность реализации мощных транспортных сетей на базе ВОЛС и мультиплексоров SDH) предъявляют новые требования к планированию и проектированию городских телефонных сетей. Современные сети должны быть цифровыми, имметь гибкую структуры. Легко управляемую структуру и при этом обеспечивать возможность совместной работы аппаратуры разных фирм-изготовителей как на сети одного оператора, так и при взаимодействии нескольких операторов.
Развитие инфокоммуникационного сектора в мире происходит одновременно по нескольким направлениям. При этом в области телекоммуникаций и информации оно характеризуется созданием глобальных систем и сетей, основу которых составят цифровые системы передачи (ЦСП) различного назначения с широким использованием современных оптоволоконных технологий и цифровых систем коммутации различного вида и уровня. Важное место в построении и развитии инфокоммуникационного сектора нашей страны отводится республиканской программе Электронная правительства, одной из задач которой является расширение подготовки специалистов по инфокоммуникационным технологиям.
Содержание конспекта лекций соответствует программе учебной дисциплины «Цифровые системы передачи», которая изучается студентами дневной и заочной форм обучения специальностей направления «Телекоммуникации». В соответствии с учебной программой в конспекте лекций излагается материал, посвященный вопросам объединения и разъединения цифровых потоков в системах плезиосинхронной цифровой иерархии (PDH), вопросам формирования и оценки эффективности линейных кодов, регенерации цифровых линейных сигналов в процессе передачи и приема по цифровому линейному тракту, принципам построения и функционирования систем синхронной цифровой иерархии (SDH).
ЛЕКЦИЯ №1. Цифровые системы передачи (ЦСП)
1.1 Особенности построения цифровых систем передачи.
Основной тенденцией развития телекоммуникаций во всем мире является цифровизации сетей связи предусматривающая построение сети на базе цифровых методов передачи и коммутации. Это объясняется следующими существенными преимуществами цифровых методов передачи перед, аналоговыми:
1. Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) этих символов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации.
2. Слабая зависимость качества передачи от длины линии связи. В пределах каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов оказываются ничтожными. Длина регенерационного участка и оборудование регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остаются практически такими же, как и в случае передачи на малые расстояния. Так, при увеличении длины линии в 100 раз для сохранения неизменным качества передачи информации достаточно уменьшить длину регенерационного участка на несколько процентов.
3. Стабильность параметров каналов ЦСП. Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной характеристик и др.) определяются, в основном, устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства составляют незначительную часть оборудования ЦСП, стабильность параметров каналов в таких системах значительно выше чем в аналоговых. Этому также способствует отсутствие в ЦСП влияния загрузки системы на параметры отдельных каналов.
4. Эффективность использования пропускной способности каналов для передачи дискретных сигналов. При вводе дискретных сигналов непосредственно в групповой тракт ЦСП скорость их передачи может приближаться к скорости передачи группового сигнала. Если, например, при этом будут использоваться временные позиции, соответствующие только одному каналу ТЧ, то скорость передачи будет близка к 64 кбит/с, в то время как в аналоговых системах она обычно не превышает 33,6 кбит/с.
5. Возможность построения цифровой сети связи. Цифровые системы передачи в сочетании с цифровыми системами коммутации являются основой цифровой сети связи, в которой передача, транзит и коммутация сигналов осуществляются в цифровой форме. При этом параметры каналов практически не зависят от структуры сети, что обеспечивает возможность построения гибкой разветвленной сети, обладающей высокими показателями надежности и качества.
6. Высокие технико-экономические показатели. Передача и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать оборудование на единых аппаратных платформах. Это позволяет резко снижать трудоемкость изготовления оборудования, значительно снижать его стоимость, потребляемую энергию и габариты. Кроме того, существенно упрощается эксплуатация систем и повышается их надежность. Требования к ЦСП определены в рекомендациях МСЭ-Т серий G. и М.
1.2 Основные понятия и определения.
Цифровой системой передач (ЦСП) называется комплекс технических средств, предназначенный для образования цифровых каналов и трактов и линейного тракта, обеспечивающего передачу цифровых сигналов электросвязи. Канал электросвязи – это тот индивидуальный путь между двумя абонентами или оконечными абонентскими устройствами, расположенными в пространстве, по которому передается сигнал электросвязи. Независимо от вида передаваемых сообщений любая сеть предоставляет абонентам канал электросвязи, по которому и осуществляется передача информации. Таким образом, канал электросвязи предоставляет собой технические средства и среду распространения (кабель, световод, волновод, РРЛ и т. д. ), на основе которых формируется путь для передачи сигналов электросвязи между абонентами.
Цифровым сигналом электросвязи, или просто цифровым сигналом, называется сигнал электросвязи, параметры которого характеризуются конечным множеством возможных дискретных значений и описываются функцией дискретного времени. Переход от одного возможного значения к другому происходит скачкообразно в строго определенные моменты времени, интервалы между которыми равны или кратны выбранному единичному интервалу времени – периоду дискретизации TД. Дискретным значением сигнала, или его отсчетом, называется величина сигнала, оцениваемая на коротком интервале (длительности отсчета), в пределах которого сигнал изменяется лишь на незначительную, пренебрежимо малую величину. В дальнейшем будем пользоваться термином отсчет. Цифровой сигнал может быть многоуровневым, т.е. в интервале изменений параметра может иметь конечное множество дискретных состояний. Сигнал может быть, напремер, двухуроневым, т.е. представлять собой случайную последовательность токовых (1) и бестоковых (0) посылок. Трехуровневый сигнал представляет случайную последовательность символов (+1), (-1), (0) или импульсов положительной, отрицательной полярности и бестоковых посылок.
Единицей технической оснащенности ЦСП является типовой или основной цифровой канал (ОЦК) со скоростью передачи сигналов 64 кбит/с. Кроме того, различают: первичный цифровой канал (ПЦК), вторичный цифровой канал (ВЦК), третичный цифровой канал (ТЦК) и четверичный цифровой канал (ЧЦК).
Цифровой типовой тракт – комплекс технических средств, обеспечивающий организацию основных цифровых каналов со скоростью передачи, соответствующей данному тракту, структура и параметры которого соответствуют принятым нормам. Цифровой линейный тракт – комплекс технических средств, обеспечивающий передачу цифровых сигналов со скоростью, соответствующей данной ЦСП.
1.3 Классификация цифровых систем передачи.
Цифровые системы передачи классифицируются по следующим признакам 1. По принципам разделения каналов различают ЦСП:
- с временным разделением каналов (ЦСП с ВРК);
- с частотным разделением каналов (ЦСП с ЧРК), имеющие специальное оборудование, преобразующее многоканальный (групповой) сигнал систем передачи с частотным разделением каналов (СП с ЧРК) в цифровой сигнал и обратно.
2. По способам формирования канальных сигналов различают ЦСП:
- с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ);
- с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);
- с фазо-импульсной модуляцией (ФИМ);
- с импульсно-кодовой модуляцией и временным разделением каналов (ЦСП ИКМ-ВРК);
- с импульсно-кодовой модуляцией и частотным разделением каналов (ЦСП ИКМ-ЧД);
- с дифференциальной импульно-кодовой модуляцией и временным разделением каналов (ДИКМ-ВРК);
- на основе дельта-модуляции с ВРК или ЧД.
3. По способам объединения цифровых потоков с целью формирования цифровых каналов и цифровых трактов более высокого порядка различают:
- ЦСП ИКМ-ВРК с асинхронным объединением цифровых потоков или систем плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) – Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH);
- ЦСП ИКМ-ВРК с синхронным объединением цифровых потоков или систем синхронной цифровой иерархии (СЦИ) – Synchronous Digital Hierarchy (SDH).
Процесс объединения нескольких входных цифровых потоков нижнего уровня (компонентных потоков ) в одинпоток более высокого уровня для его передачи по одному выходному или агрегатному каналу (потоку) называется мультиплексированием.
4. В зависимости от среды распространения сигналов электросвязи различают ЦСП:
- по электрическим (металлическим) симметричным и коаксальным кабелям;
- по волоконно-оптическим кабелем;
- по радиорелейным и спутниковым линиям передачи.
5. По месту ЦСП в структуре первичных сетей Взаимоувязанной сети связи различают ЦСП:
- для местных первичных сетей;
- для внутризоновых первичных сетей;
- для магистральных первичных сетей;
- для сетей абонентского доступа;
В настоящее время в нашей стране создается цифровая первичная сеть (ЦПС) ,представляющая базовую сеть типовых универсальных цифровых каналов передачи и сетевых трактов или транспортную сеть, образованную на базе сетевых узлов (СУ), сетевых станции (СС) и соединяющих их линий передачи. На основе ЦПС создаются разнообразные цифровые вторичные сети (ЦВС). Сетевые узлы и станции представляют собой комплекс оборудования ЦСП различных сетевых технологий, предназначенный для формирования и перераспределения цифровых каналов и трактов и подключения ЦВС.
6. По числу ОЦК различают:
- малоканальные ЦСП с числом каналов N ≤ 30;
- среднекальные ЦСП с числом каналов N ≤ 480;
- многоканальные ЦСП с числом каналов N ≥ 1920.
Контрольные вопросы.
1. Предназначение цифровые систем передачи (ЦСП).
2. Понятие о цифровым сигналом электросвязи.
3. Что является единицей технической оснащенности ЦСП?
4. Что такое цифровой типовой тракт?
5. По каким признаками классифицируются цифровые системы передачи .
ЛЕКЦИЯ №2 Иерархии цифровых систем передачи.
2.1 Плезиохронная цифровая иерархия (ПЦИ).
Структура первичной сети предопределяет объединение и разделение потоков передаваемой информации, поэтому реализуемые на ней системы передачи строятся по иерархическому принципу. Применительно к цифровым системам этот принцип заключается в том, что число каналов ЦСП, соответствующее данной ступени иерархии, больше числа каналов ЦСП предыдущей ступени в целое число раз.
Аналоговые системы передачи с ЧРК также строятся по иерархическому принципу, но в отличие от ЦСП для них ступенями иерархии являются не сами системы передачи, а типовые группы каналов.
Цифровая система передачи, соответствующая первой ступени иерархии, называется первичной; в этой ЦСП осуществляется прямое преобразование относительно небольшого числа первичных сигналов в первичный цифровой поток. Системы передачи второй ступени иерархии объединяют определенное число первичных потоков во вторичный цифровой поток и т. д
В рекомендациях МСЭ-Т представлено два типа иерархий ЦСП: плезиохронная цифровая иерархия(ПЦИ) и синхронная цифровая иерархия(СЦИ).Первичным сигналом для всех типов ЦСП является цифровой канал со скоростью передачи 64 кбит/с, называемый основным цифровым каналом(ОЦК). Для объединения сигналов ОЦК в групповые высокоскоростные цифровые сигналы используется принцип временного разделения каналов.
Появившаяся исторически первой плезиохронная цифровая иерархия имеет европейскую, североамериканскую и японскую разновидности, приведенные в таблице 2.1.
Таблица 2.1 Рис.2.1 Иерархии цифровых систем передачи:
а) европейская; б) североамериканская
Для цифровых потоков ПЦИ применяют соответствующие обозначения. Для североамериканской и японской ПЦИ применяется обозначение T (иногда DS), для европейской ПЦИ — Е. Цифровые потоки первого уровня обозначаются соответственно Т-1 и E-1, второго Т-2 и Е-2 и т. д. К использованию на сетях связи РТ принята европейская ПЦИ.
2.2 Физический уровень Е1 (G.703).
Основным стыком, используемым для взаимного подключения блоков и систем ЦСП, является интерфейс по рекомендации G.703 МСЭ-Т. Рекомендация МСЭ-Т G.703 «Физические и электрические характеристики интерфейсов цифровой иерархии» впервые была опубликована в 1972, доработана в 1984 и опубликована в окончательной редакции в 1988 году.
Формально данный стандарт основан на следующих рекомендациях МСЭ-Т: G.702 «Скорости передачи цифровой иерархии» (ПЦИ); G.704 «Структура синхронных кадров, основанных на первичном и вторичном уровнях»; Интерфейс G.703 предназначен для обслуживания сетей с обеими цифровыми иерархиями — ПЦИ и СЦИ. Физический уровень Е1 включает в себя описание электрических параметров интерфейсов Е1 и параметров сигналов передачи, включая структуру линейного кода.
2.3 Схема взаимодействия аппаратуры.
Предусмотрены три схемы взаимодействия аппаратуры:
Сонаправленный интерфейс (СНИ) (codirectionalinterface). Информационный и синхросигнал передаются от одного терминала к другому, причем терминалы равноправны и симметричны (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2
Разно направленный интерфейс (РНИ) (contradirectionalinter-face).Терминалы неравноправны. Синхросигнал передается от управляющего к управляемому. Информационные сигналы симметричны (рисунок 2.3).
Рисунок 2.3
Интерфейс с центральным тактовым генератором (ЦГИ) (centralizedclockinterface). Синхросигналы поступают от центрального тактового генератора, информационные сигналы симметричны (рисунок 2.4).
Рисунок 2.4
2.4 Основные характеристики интерфейса Е1. Тип линейного
кодирования.
Согласно G.703 основные характеристики интерфейса следующие: Скорость передачи -2048 кбит/с ±50 ppm (1 ppm (pointpermilli-on) = 10—6), таким образом, допускается отклонение частоты передаваемого сигнала (2048 кГц) ± 102,4 Гц.
Используемые типы кодирования: HDB-3 (стандартизирован), либо AMI (код с чередованием полярности импульсов). Использование кода AMI в настоящее время уже не рекомендуется, однако, ряд старых цифровых систем передачи могут использовать этот код.
AMI — Код с чередованием полярности импульсов
Это наиболее простой формат линейного кодирования. AMI расшифровывается как инверсия альтернативного бита. Этот формат использует инверсию каждой следующей 1 (смотрите рисунок 2.4).
В большинстве случаев AMI не используется, поскольку этот формат линейного кодирования приводит к частым потерям синхронизации в случае длинных последовательностей нулей.
Рисунок 2.4 — Пример кода AMI
HDB-3 — код высокой плотности единиц
Рисунок 2.5 — Пример кода HDB-3
Формат линейного кодирования HDB-3 был специально разработан для решения проблем синхронизации, возникающих в случае использования AMI. В формате HDB-3 за последовательностью из четырех последовательных нулей следует двух импульсная вставка «плюс импульс — минус импульс». Оборудование на удаленном конце принимает поток Е1 и заменяет двух импульсные вставки на последовательность нулей, восстанавливая исходную последовательность данных. Таким образом, код HDB-3 обеспечивает большую плотность импульсов в потоке, что дает лучшие параметры синхронизации по принимаемому сигналу. На рисунке 2.5 в качестве примера приведено кодирование по HDB-3 последовательности 1000 0000.
Существуют определенные правила таких вставок. Тип вставки определяется полярностью последнего инвертированного бита и количеством битов последовательности предыдущей вставки. Если это количество четное, вставляется В00V; где полярность В — противоположная предыдущему импульсу, а полярность V — такая же, как и В. Если количество битов нечетно, то вставка имеет вид 000V, при этом полярность V такая же, как и непосредственно предшествовавшего импульса. На рисунке 3.6 представлен алгоритм вставки импульса в последовательность нулей кода HDB-3.
Рисунок 2.6 — Алгоритм формирования кода HDB-3
2.5 Уровни сигналов, электрические параметры интерфейса,
форма импульса.
Помимо параметров частоты сигнала и типа линейного кодирования стандарт определяет следующие нормы на электрические параметры интерфейса, приведенные в таблице 2.2.
Как видно из таблицы 2.2, существуют два стандарта на параметры физического интерфейса Е1: симметричный интерфейс на 120 Ом и коаксиальный (несимметричный) интерфейс 75 Ом. Им соответствуют значения пикового напряжения в 3В и 2,37В. Следует отметить, что оба типа интерфейсов могут реально встретиться в отечественной практике. Симметричный интерфейс 120 Ом получил наибольшее распространение в Европе и является официальным стандартом для России. Интерфейс 75 Ом получил широкое распространение на американоканадском рынке. В России этот интерфейс не рекомендован к применению, тем не менее, в практике эксплуатации оборудования цифровых систем передачи американских и канадских фирм производителей он может встретиться.
Рисунок 2.7 — Формы идеального и реального импульсов
Таким образом, типичный уровень сигнала импульсов потока Е1 с импедансом интерфейса 75 Ом или ± 2.37 В (для сигнала бинарной 1) или 0 В (для 0), а для симметричного интерфейса 120 Ом — ±3В (для сигнала бинарной 1) или 0 В (для 0). Реальный сигнал обычно находится в пределах ±10 % от этой величины. В идеальном случае передаваемый импульс является совершенно симметричным. Однако в реальной практике импульс сильно трансформируется при его генерации и передаче по каналу Е1. На рисунке 2.7 представлены формы идеального и реального импульсов, которые передаются по каналу Е1.
Форма импульса должна соответствовать стандартной «маске», описанной в рекомендации ITU-T G.703, приведенной на рисунке 2.8.
Рисунок 2.8 — Стандартная «маска» импульса
2.6 Канальный уровень Е1 (G.704).
Параметры канального уровня потока Е1 включают в себя цикловую и сверхцикловую структуру потока, описание процедур контроля ошибок по цикловому избыточному коду (CRC), а также описание процедур мультиплексирования и демультиплексирования каналов ТЧ в поток Е1. Рассмотрим цикловую структуру потока Е1 и встроенные процедуры контроля ошибок.
Структура первичного группового сигнала потока Е1 приведена на рисунке 9. Данный поток называется первичным цифровым потоком и организуется объединением 30-ти информационных каналов.
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 (ЦСС), 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 повышения устойчивости устройств тактовой синхронизации.
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.
Контрольные вопросы.
1. История появления первой плезиохронная цифровая иерархия.
2. Скорость передачи основным цифровым каналом(ОЦК).
3. Физический уровень Е1 (G.703).
4. Схема взаимодействия аппаратуры.
5. Основные характеристики интерфейса Е1.
6. Тип линейного кодирования .
7. Формы идеального и реального импульсов
ЛЕКЦИЯ № 3. АЦП и ЦАП
3.1 Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование сигнала
в ЦСП ИКМ-ВРК.
Модуляция - это процесс преобразования одного или нескольких информационных параметров несущего сигнала в соответствии с мгновенными значениями информационного сигнала. В результате модуляции сигналы переносятся в область более высоких частот. Использование модуляции позволяет:
- согласовать параметры сигнала с параметрами линии;
- повысить помехоустойчивость сигналов;
- увеличить дальность передачи сигналов;
- организовать многоканальные системы передачи (МСП с ЧРК).
Модуляция осуществляется в устройствах модуляторах. Условное графическое обозначение модулятора имеет вид:
Рисунок 3.1 - Условное графическое обозначение модулятора
При модуляции на вход модулятора подаются сигналы:
u(t) — модулирующий, данный сигнал является информационным и низкочастотным (его частоту обозначают W или F);
S(t) — модулируемый (несущий), данный сигнал является неинформационным и высокочастотным (его частота обозначается w0 или f0);
Sм(t) — модулированный сигнал, данный сигнал является информационным и высокочастотным.
В качестве несущего сигнала может использоваться:
гармоническое колебание, при этом модуляция называется аналоговой или непрерывной;
периодическая последовательность импульсов, при этом модуляция называется импульсной;
постоянный ток, при этом модуляция называется шумоподобной.
Так как в процессе модуляции изменяются информационные параметры несущего колебания, то название вида модуляции зависит от изменяемого параметра этого колебания.
1. Виды аналоговой модуляции:
амплитудная модуляция (АМ), происходит изменение амплитуды несущего колебания;
частотная модуляция (ЧМ), происходит изменение частоты несущего колебания;
фазовая модуляция (ФМ), происходит изменение фазы несущего колебания.
2. Импульсная модуляция
Импульсная модуляция — это модуляция, при которой в качестве несущего сигнала используется периодическая последовательность импульсов, а в качестве модулирующего может использоваться аналоговый или дискретный сигнал.
Поскольку периодическая последовательность характеризуется четырьмя информационными параметрами (амплитудой, частотой, фазой и длительностью импульса), то различают четыре основных вида импульсной модуляции:
амплитудно-импульсная модуляция (АИМ); происходит изменение амплитуды импульсов несущего сигнала;
частотно-импульсная модуляция(ЧИМ), происходит изменение частоты следования импульсов несущего сигнала;
фазо-импульсная модуляция(ФИМ), происходит изменение фазы импульсов несущего сигнала;
широтно-импульсная модуляция(ШИМ), происходит изменение длительности импульсов несущего сигнала.
Временные диаграммы импульсно-модулированных сигналов представлены на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 - Временные диаграммы сигналов при импульсной модуляции
Рис 3.3
При АИМ происходит изменение амплитуды несущего сигнала S(t) в соответствии с мгновенными значениями модулирующего сигнала u(t), т. е. огибающая импульсов повторяет форму модулирующего сигнала (рисунок 3.2, в).
При ШИМ происходит изменение длительности импульсов S(t) в соответствии с мгновенными значениями u(t) (рисунок3.2, г).
При ЧИМ происходит изменение периода, а соответственно и частоты, несущего сигнала S(t) в соответствии с мгновенными значениями u(t) (рисунок 3.2, д).
При ФИМ происходит смещение импульсов несущего сигнала относительно их тактового (временного) положения в немодулированной несущей (тактовые моменты обозначены на диаграммах точками Т, 2Т, 3Т и т. д.). ФИМ сигнал представлен на рисунке 3.2, е.
Аналого-цифровое преобразование (АЦП) сигналов является одной из важнейших составляющих цифровых систем. Аналого-цифровое преобразование обычно состоит из следующих последовательных операций: дискретизация, квантование, кодирование, а также мультиплексирование. .
3.4 а) Сигнал, дискретный по времени, б) сигнал дискретный по амплитуде.
Рис.3.5. Сигнал, дискретный по времени и амплитуде.
Рис.3.6 Метод получения цифрового сигнала.
Блок АЦП включает устройства, осуществляющие аналого-цифровое преобразование сигналов в направлении передачи, а блок ЦАП - цифро-аналоговое в направлении приема.
Рис.3.7.Обобщенные структурные схемы канальных АЦП и ЦАП.
В основе построения ЦСП с ВРК лежат теорема Найквести-Котельникова, которая гласит: непрерывный во времени сигнал c(t), спектр которого ограничен полосой частот от 0 до FВ, полностью определяется последовател ностью своих мгновенных значений, которые берутся в точках, отсчитываемых через:
TД ≤ 1/2FВ (3.1 а)
Или с частотой
f д ≥ 2 Fв (3.1 в)
Процесс преобразования непрерывного во времени и ограниченного по спектру сигнала c(t) в сигнал c(nTд), определенный в точках отсчета Tд, 2Tд …nTд – называется дискретизациейTд.
Значения сигнала c(nTд) в точках отсчета называются дискретами или отсчетами. Поэтому теорему Найквиста-Котельникова в технической литературе часто называют теоремой отсчетов, а интервал времени между двумя соседними отсчетами называется периодом дискретизации.
Значение теоремы отсчетов состоит в том, что если необходимо передать непрерывный и ограниченный по спектру сигнал c(t), то необязательно передавать его непрерывно, а достаточно передать его отдельные мгновенные значения, взятые через интервал времени Tд (рис.3.8)
Рис. 3.8. Дискретизация непрерывного сигнала.
Между отсчетами сигнала одного канала можно передавать отсчеты сигналов других каналов. Процесс дискретизации можно переставить как отсчеты процесс амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) сигналом c(t) (рис.3.8) периодической последовательности прямоугольных импульсов (ПППИ) f0(t)с амплитудой Am , длительностью и и периодом Tд или частотой f = 1/ Tд(рис.3. 9)
Рис.3.9. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов.
Для канала тональной частоты (КТЧ), у которого Fн = 300 Гц и Fв = 3400 Гц, частота дисретизации должна удовлетворять условию f> 2 Fв = 6800 Гц. Для упрощения и удешевления ФНЧ, необходимых для ограничения полосы частот первичного сигнала перед его дискретизацией в тракте передачи ЦСП, а также в тракте приема для модуляции АИМ сигнала (востановления дискретизированного сигнала), необходимо выбрать оптимальное значение полосы расфильтировки Fр. Это значение брать оптимальное значение равно Fр= 1200 Гц. Из этого следует : частота дискретизации f д = 2 Fв+ Fр = 2 ×3400 + 1200 = 8000 Гц, а период дискретизации Tд = 1 / f д = 1 / 8000 = 125 мкс.
Различают амплитудно-импульсную модуляцию первого рода (АИМ-1) и второго рода (АИМ-2). При АИМ-1 мгновенное значение импульсов отсчетов на их длительности τи изменяется в соответствии с изменениями модулирующего (дискретизируемого) сигнала.При АИМ-2 значение импульса определяется только значением сигнала в тактовой точке ПППИ (рис.3.8 .) и остается постоянной на всей длительности импульса отсчета и . Таким образом, импульсы отсчетов при АИМ-2 имеют плоскую вершину (см. рис. 3.9). При достаточно большой скважности импульсов ПППИ q> 10 сигналы АИМ-1 и АИМ-2 идентичны по спектрам. Процесс дискретизации, или амплитудно-импульной модуляции, т.е. формирование каналного АИМ сигнал c(nTд) осуществляется в индивидуальном АИМ тракте, обобщенная функциональная схема которого приведена на рис.3.10
Рис. 3.10. Функциональная схема индивидуального АИМ тракта.
Работа схемы заключается в следующем. На вход АИМ тракта поступает первичный (относительно широкополосный) сигнал c(t). С целью формирования эффективно-передаваемой полосы частот КТЧ и удовлетворения условиям теоремы Найквиста-Котельникова полоса частот первичного сигнала ограничивается фильтром нижних частот (ФНЧ). Далее ограниченный по спектру сигнал поступает на усилитель низкой частоты (УНЧ), предназначенный для компенсации потерь мощности сигнала, обусловленных его ограничением по спектру, процессами дискретизации и преобразования АИМ-1 в АИМ-2 . На выходе УНЧ получаем сигна c(t), параметры которого удовлетворяют условиям его дискретизации на передаче и демодуляции на приеме. С выхода УНЧ сигнал c(t) поступает на каналный амплитудно-импульсный модулятор (КАИМ) или дискретизатор, на другой вход которого с распределителя канальных импульсов поступает ПППИ, следующая с тактовой частотой fд или с периодом Тд. На выходе КАИМ получаем дискретный сигнал c(nTд). (см.рис.4.3.) . Затем N индивидуальных каналных АИМ сигналов объединяются в общий групповой (многоканальный) АИМ сигнал и поступают в тракт передачи ЦСП. На выходе тракта передачи ЦСП из группового АИМ сигнала с помощью канального слектора КС , управляемого ПППИ, поступающей от РКИ, выделяется индивидуальный АИМ сигнал c(nTд) соответствующего канала. С помощью ФНЧ осуществляется его демодуляция (см. рис.3.10) . Непрерывный сигнал с выхода ФНЧ поступает на УНЧ, который обеспечивает номинальное значение сигнала c(t) на выходе канала. Процессы дискретизации, демодуляции и временного разделения каналов иллюстрирует рис.3.11
Рис.3.11. Временные диаграммы функционирования АИМ индивидуального тракта.
Для упрощения показаны только три канала, на которые поступают сигналы c1(t), c2(t) и c3(t) . После прохождения через фильтры нижних частот (ФНЧ) и усилители низкой частоты (УНЧ) эти сигналы преобразуются в сигналы c1(t), c2(t) и c3(t), удовлетворяющие требованиям теоремы Найквиста – Котельникова (рис. 3.5). На амплитудно-импульсные модуляторы (КАИМ) каждого канала от распределителя канальных импульсов (РКИ) поступают периодические последовательности импульсов f01(t), f02(t), f03(t), частоты дискретизации fд (рис. 3.12).
Рис.3.12. Временные диаграммы работы генераторного оборудования.
Периодические послеовательности импульсов, управляющие работой канальных амплитудно-импульсных модуляторов и канальных селекторов, формируются генераторным оборудованием передачи ГОпер и приема. В состав ГО входят : задающий генератор ЗГ, формирующий периодическую последовательность импульсов (рис. 3.10); распределитель канальных импульсов (РКИ), который формирует периодические последовательности импульсов f0(t) 1-го, 2-го и т.д. до N-го каналов, смещенные относительно друг от друга на защитный интервал, необходимые для управления канальными амплитудно-импульными модуляторами и канальными селекторами.(см. рис.3.10).
На выходе КАИМ каждого из каналов (см.рис.3.12) формируются АИМ-1 сигналы, которые преобразуются в АИМ-2 сигналы и объединяются в групповой (многоканальный) АИМ синнал С∑(t), который передается по групповому АИМ тракту. С целью обеспечения синхронной работы канальных амплитудно-импульсных модуляторов и селекторо в групповой тракт передачи вводятся синхроимпульсы СИ. Формирование СИ, осуществляется передатчиком синхросигнала Пр.СС. Сигнал с выхода Пр.СС синхронизирует генераторное оборудование приема ГОпр с генераторным оборудованием передачи ГОпер.
Полоса частот, необходимая для передачи группового АИМ сигнала, может быть определена на основе следующих рассуждений: период дискретизации равен Tд = 1/fд=N×и; для передачи импульса длительностью и достаточна полоса частот fи = 1/и. После соответствующих преобразований формула для Тд и fи получим
fи = N×fд 3.2
т.е. необходима полоса частот от 0 до fгв = fи , где fГВ – верхняя граничная частота полосы пропускания группового АИМ тракта.
С учетом защитного интервала, естественно, полоса частот для передачи группового АИМ сигнала несколько выше. Переходные процессы в групповом АИМ тракте, обусловленные конечной шириной его полосы пропускания, приводят к взаимным влияниям между каналами.
3.2 Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).
Передача квантованных значений сигнала с помощью коротких импульсов различной высоты называется амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ). Под импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) понимается передача непрерывных функций при помощи двоичного кода. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) позволяет представить непрерывный аналоговый сигнал в форме последовательности равноотстоящих друг от друга импульсов (дискретизация по времени), амплитуда которых представлена двоичным кодом (квантование по уровню). Подобное преобразование позволяет существенно повысить надежность передачи и хранения сигнала.
При кодовой модуляции необходимо передать числа, выражающие величину квантованных отсчетов. Для этого можно воспользоваться двоичным кодом. Числа, подлежащие передаче, надо записать в двоичной системе счисления – это и даст необходимые кодовые комбинации. При помощи n - значных двоичных чисел можно представить чисел. Благодаря квантованию количество чисел, подлежащих передаче, сводится до конечной величиныN . Если принять шаг квантования за единицу, то будет означать наибольшее квантованное значение. Количество знаков в двоичной кодовой комбинации равно. Если n – не целое, то оно округляется до ближайшего целого числа. На рис.5.1 показаны преобразования аналогового сигнала (а) в АИМ (б) и ИКМ (в) для n = 4. Процесс импульсно-кодовой модуляции состоит из трех этапов: выборки, квантования (оцифровки) и кодирования.
Выборка аналогового сигнала осуществляется с частотой 8000 раз в секунду. Такая частота не противоречит теореме Найквиста, согласно которой для корректного восстановления аналогового сигнала количество выполняемых замеров должно в два раза превышать максимальное значение полосы пропускания канала. Поскольку для речевого канала это значение равно 4 кГц, то выборка должна осуществляться именно с частотой 8000 раз в секунду.
При выборе шага квантования (или числа ) следует учитывать два фактора. С одной стороны, увеличение числа ступеней квантования увеличивает точность передачи сигнала, с другой – требует удлинения кодовой комбинации (n). Так для телефонной передачи установлено, что удовлетворительное качество передачи достигается при , т.е. при семизначном коде.
Рис.3.13.Преобразования аналогового сигнала (а) в АИМ (б) и ИКМ (в)
При квантовании сигнала значения полученных замеров округляются до некоторых заранее определенных значений, что приводит к уменьшению количества используемых амплитуд.
Какой же ценой достигается этот выигрыш? Если при АИМ за каждый тактовый интервал (отсчет) передается один импульс, то при ИКМ за тот же интервал должны быть переданы n импульсов. При неизменной скважности каждый из этих n импульсов в n раз короче (см. рис. 3.14), а, следовательно, ширина спектра сигнала в n раз больше, чем ширина спектра сигнала АИМ. Таким образом, за увеличение отношения сигнал – помеха мы расплачиваемся расширением полосы.
Рис. 3.14. Схема импульсно-кодовой модуляции.
3.3. Групповой ИКМ сигнал.
В цифровых системах передачи с импульсно-кодовой модуляцией и временным разделением каналов (ЦСП ИКМ-ВРК) квантующие и кодирующие (кодеры или аналого-цифровые преобразователи – АЦП) усройства является, как правило, групповыми. Цифровой сигнал на выходе АЦП представляетслучайную последовательность кодовых групп, состоящих из элементарных посылок токовых (импульс- 1) и бестоковых (пробель-0), и называется групповым ИКМ сигналом(рис.3.15.). Обычно применяют равномерные коды, т.е. число посылок m (разрядность кода) в каждой кодовой группе одинаково.
Рис.3.15. Групповой ИКМ сигнал.
На временном интервале длительностью, равной периоду дисретизации Тд, применительно к групповому ИКМ сигналу, называему дилительностью цикла Тц , размещается Nк каналов или канальных интервалов – КИ. Каждый КИ содержит m-разрядную кодовую комбинацию, представляющую случайную последовательность элементарных посылок токовых (импульс- 1) и бестоковых (пробель-0). Длительность элементарной посылки равна длительности импульса τи. Период дискретизации равен
ТД = m×Nк× τи (3.3)
Для передачи импульса длительностью τи достаточно тракта с шириной полосы пропускания ∆f = 1/ τи . Подставив в (1) τи = 1/∆f и ТД =1/fДи выполнив несложные преобразования, получим ширину полосы прпускания, необходимую для передачи группового ИКМ сигнала
∆fикм =fД×m×Nк (3.4)
За время, равное длительности периода дискретизации ТД , должно быть передано m×Nк двоичных символов, что соответствует скорости цифрового потока
СИКМ =m×Nк/ Т Д = fД × m×Nк=∆fИКМ, бит/с (3.5)
СИКМ = 8000×8×32 = 2048 кбит/с.
Скорость цифрового потока одного цифрового канала равна Ск = fД×m. Для основного цифрового канала m = 8и f д= 8000 Гц, что соответствует скорости
Соцк= fд× m= 8000 × 8 = 64 кбит/с.
Групповой многоканальный ИКМ сигнал на выходе АЦП представляет первичный цифровой поток.Совокупность устройств формирования первичного цифрового потока называется аналого-цифровым оборудованием(АЦО). Более мощные цифровые потоки образуются путем объединения нескольких менее мощных. Совокупность устройств объединения цифровых потоков называется оборудованием временного группообразования (ОВГ) или временного мультиплексирования (ВМ).
На выходе АЦО или ОВГ (ВМ) формируется групповой импульсно-кодовый сигнал, представляющий последовательность импульсов, параметры которых являются случайными величинами. Обычно ИКМ сигнал представляется собой однополярную двухуровневую последовательность. Интервал времени Т, отводимый для передачи одной импульсной посылки (импульса или пробела), называется тактовым интервалом (рис.3.16 6). Длительность импульса (пробела) τи может быть меньше тактового интервала (рис.3.16,а) или равна ему, т.е. τи = Т (рис.3.16,б). Величина 1/T называется тактовой частотой. В основном находят применение ИКМ, для которых Т/ τи = 2 (рис.3.16,а).
Рис.3.16. Длительность импульса меньше тактового импульса (а) и равна тактовому интервалу (б).
Энергетический спектр такого сигнала при одинаковой вероятности появление единиц и нулей р1 = р0 = р =0,5 в любом разряде кодовой комбинации и независимости отдельных символов друг от друга может быть представлен формулой
(3.6)
где функция S() – модуль спектральной плотности единочного импульса – определяет форму непрерывной части энергетического спектра и огибающей его дискретной части; – дисперсия амплитуд последовательности; а0 – среднее значение импульсной последовательности;δ –дельта- функция. Энергитический спектр G(ω) последовательности прямоугольных импульсов (именно это имеет место на выходе АЦО или ОВГ) предстален на рис.3.17.
Рис.3.17.Дискретная (а) и непрерывная (б) части энергетического спектра ИКМ сигнала при T/τи = 2 и р = 0,5.
Нули непрерывной части энергетического спектра ИКМ сигнала Gн(ω) (кривая 1 на рис.3.17 б) и огибающей дискретной части Gд(ω) расположены в точках ωk=2πk/τи , где k = 1,2,… при Т/ τи =2 и ωk=4 πk/Т.
Таким образом, дискретная часть спектра содержит постоянную составляющую и нечетные гармоники тактовой частоты. Первая гармоника может быть выделена узкополосным фильтром и использована для синхронизации.
Недостатки такого сигнала:
Относительно большая мощность высокочастотных составляющих дискретной и непрерывной частей спектра. Это приводит к заметным переходным влиянием между отдельными цепями и межсимвольным искажением (переходные помехи первого рода);
Большой удельный вес низкочастотных составляющих непрерывной части спектра, что приводит к значительным межсимвольным искажениям и переходным влияниям второго рода.
Эти недостатки усугубляются тем фактом, что реальные направляющие среды (линии связи) обладают свойствами полосового фильтра, т.е. не передают низкие частоты от 0 до какой – то верхней граничной частоты fн и не передают частоты от какой-то верхней граничной частоты fв и до бесконечности. Ограничение спектра частот сигналов при их прохождении по линии связи усиливает межсимвольные искажения и может привести к ошибкам при приеме ИКМ сигнала и его декодировании . Для устранения этих искажений ИКМ сигнал преобразуется в линейный цифровой сигнал, энергетический спектр которого наилучшим образом согласован с параметрами передачи линии связи (рис.5.5.б, кривая 2). Процесс формирования линейного цифрового сигнала называется линейным кодированием, а форма представления цифрового сигнала – линейным кодом. Устройства, преобразующие код ИКМ сигнала в линейный код и обратно, называется преобразователями кода тракта передачи (ПКпер ) и такта приема (ПКпр).
Контрольные вопросы.
Необходимость процесса дискретизации при построении передачи с временным разделением каналов (СП с ВРК).
2. Назовите основные условия теоремы Найквиста-Котельникова.
3. Определить период дискретизации речевого и телевизионного сигналов, занимающих полосы частот 0,2…6.8 кГц и 0,0000050 …6,5 МГц.
4. Амплитудно-импульсная модуляция, спектральный состав АИМ-1 и АИМ-2, их отличия и сходства.
5. Функциональная схема индивидуального АИМ тракта.
6. Определить минимальное значение частоты дискретизации Fд сигнала, для которого Fи = 60 кГц и Fв = 108 кГц.
7. Необходимость квантования отсчетов. Виды квантования.
8.Типы кодов, применяемых для кодирования отсчетов АИМ-2 сигналов.
9. Необходимость процесса дискретизации при построении передачи с временным разделением каналов (СП с ВРК).
10. Назовите основные условия теоремы Найквиста-Котельникова.
11. Определить период дискретизации речевого и телевизионного сигналов, занимающих полосы частот 0,2…6.8 кГц и 0,0000050 …6,5 МГц.
12. Амплитудно-импульсная модуляция, спектральный состав АИМ-1 и АИМ-2, их отличия и сходства.
13. Функциональная схема индивидуального АИМ тракта.
14. Определить минимальное значение частоты дискретизации Fд сигнала, для которого Fи = 60 кГц и Fв = 108 кГц.
15. Необходимость квантования отсчетов. Виды квантования.
16. Типы кодов, применяемых для кодирования отсчетов АИМ-2 сигналов.
17. Что понимается под импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ)
18. Из каких этапов состоит процесс импульсно-кодовой модуляции .
19. Понятие групповой ИКМ сигнал.
20. Назначение оборудованием временного группообразования (ОВГ).
21. Что называется тактовым интервалом.
22. Недостатки ИКМ сигнала.
23. Понятие линейный код.
ЛЕКЦИЯ №4 . Структурная схема оконечной станции и основные узлы оборудование ЦСП.
4.1 Обобщенная структурная схема оконечной станции цифровой системы передачи с ИКМ-ВРК.
Рассмотренные этапы формирования группового ИКМ сигнала (дискретизации, квантование, кодирование) и соответствующего ему линейного цифрового сигнала (линейное кодирование) реализуются оборудованием оконечной станции.
Обобщенная структурная схема оконечной станции ЦСП с ИКМ-ВРК для формирования каналов тональной частоты (КТЧ) на основе цифровых каналов приведена на рис. 4.1. Основными функциональными узлами ЦСП с ИКМ-ВРК являются:
1)индивидуальный АИМ тракт;
а) аналого – цифровое оборудование (АЦО);
б) оборудование временного группообразования (ОВГ);
в) оборудование линейного тракта оконечной станции (ОЛТ-ОП).
АИМ индивидуальный тракт - предназначен для осуществления процесса дискретизации аналового сигнала или амплитудно-импульсной модуляции при передаче и демодуляции АИМ сигнала на приеме. Оснавными элементами АИМ индивидуального тракта являются :
УДЛпер,УДЛпр- удлинители тракта передачи и тракта приема соответственно , предназначенные для установки номинальной величины остаточного затухания канала и номинальной диаграммы уровней передачи при обработке сигналов;
УНЧ пер – усилитель низкой частоты тракта передачи, предназначен для компенсации потери мощности входного аналогового сигнала при его ограничении по спектру и в процессе его дискретизации (амплитудно-импульсной модуляции);
УНЧ пр – усилитель низкой частоты тракта приема при демодуляции АИМ сигнала; Д-3,4 – фильтр нижних частот (ФНЧ) тракт передачи предназначен для ограничения полосы частот входного аналогового сигнала с целью выполнения требований теоремы Найквиста – Котельникова и формирования эффективно передаваемой полосы частот КТЧ; ФНЧ Д-3,4 в тракте приема выполняет демодуляцию АИМ сигнала; выделяет спектр исходного сигнала из спектра АИМ сигнала; КАИМ – канальный амплитудно – импульсный модулятор (ДИСКРЕТИЗАТОР) осуществляет дисретизацию аналогового сигнала периодической последовательностью импульсов f(t) с периодом следования Tд , поступающей от ГО – генераторного оборудования; КС- канальный селектор, предназначенный для выделения индивидуального канального АИМ сигнала из многоканального группового АИМ сигнала.
Аналого-цифровое оборудование тракта передачи осуществяет процесс цифровой обработки группового АИМ-1 сигнала, полученного на выходе УОКС – устройства объединения Nk канальных сигналов (индивидуальных АИМ-1 сигналов), с целью формирования группового ИКМ сигнала. С выхода УОКС АИМ-1 сигнал поступает а АЦП – аналого-цифровой преобразователь, где над групповым АИМ-1 сигналом осуществляюся следующие операции:
преобразование АИМ-1 в АИМ-2;
квантование;
кодирование по А- или μ – законам компандирования
Рис.4.1. Обобщенная структурная схема оконечной станции ЦСП с ИКМ-ВРК. АИМ сигнала на приеме.
С выхода АЦП групповой ИКМ сигнал поступает в ФПЦС – формирователь первичного цифрового сигнала или потока (ПЦП), состоящего из кодовых комбинаций отсчетов отдельных каналов и сигналов , соответствующих различным видам цикловой и сверхцикловой синхронизации (СС), сигналов упраления и взаимодействия (СУВ) , срвисных сигналов и сигналов передачи данных.
Цикловая синхронизация обеспечивает синхронную работу КАИМ на передаче и КС на приеме. СУВ обеспечивают функционирование приборов автоматических телефонных станций. Временные соотношения между различными составляющими ПЦП отображаются его временной структурой.
Оборудование временного группообразования (ОВГпер) или временого мультиплексирования тракта передачи осущестяляет формирование вторичного цифрового потока (ВЦП) на основе объединения Nп первичных цифровых потоков и т.д.
Оборудование линейного тракта оконечной станции (ОЛТ-ОС) осуществляет формирование с помощью преобразователя кода передачи (ПКпер) линейного цифрового сигнала, энергетические параметры которого максимально согласованы с параметрами передачи линии связи: электрического или оптического кабеля, радиорелейной или спутниковой линии передачи. В ОЛТ-ОС осуществляется не только преобразование кода группового ИКМ сигнала на выходе ОВГпер в код линейного цифрового сигнала, но спомощью станционного регенератора передачи (СРпер) импульсам линейного цифрового сигнала придается форма, обеспечивающая их минимальные межсимвольные искажения. Оборудование линейного тракта оконечной станции (ОЛТ-ОС) тракта приема осуществляет:1)с помощью станционного регенератора приема (СРпр) полное восстановление-регенерацию линейного цифрового сигнала и преобразование формы его импульсов в прямоугольную;
2)преобразование кода линейного цифрового сигнала с помощью преобразователья кодаприема (ПКпер) в код группового цифрового ИКМ сигнала.
Оборудование временного группообразования (ОВГпр) или временного мультиплексирования тракта приема осуществляет разделение группового ИКМ сигнала на составляющие его цифровые потоки.Оборудование цифровой обработки сигналов и временного группообразования тракта передачи и приема должно работать синхронно. Для этого на приеме из группового ИКМ сигнала с помощью устройства выделения тактовой частоты (УВТЧ) выделяется периодическая последовательность импульсов, следующих с тактовой частотой соответствующего цифрового потока, и подается на генераторное оборудование приема (ГО), осуществляя его тактовую синхронизацию.
Аналого-цифровое оборудование тракта приема осуществляет процесс обработки группового цифрового ИКМ сигнала, полученного на выходе ОВГ, с целью получения из него группового АИМ-2 сигнала. С выхода распределителя первичного цифрового сигнала (РПЦС) групповой ИКМ сигнала поступает на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), где происходит его декодирование, т.е. формируется групповой АИМ-2 сигнал. С помощью устройства разделения канальных сигналов (УРКС) и канальных селекторов (КС) осуществляется выделение канального АИМ сигнала. Для обеспечения синхронной и синфазной работы оборудования из группового ИКМ сигнала с помощью распределителя первичного цифрового сигнала (РПЦС) выделяется синхросигнал, соответствующим образом обрабатывается приемником синхросигнал (ПрСС), и осуществляет синхронизацию генераторного оборудования (ГО). Для нормальной работы приборов автоматических телефонных станций (АТС) с помощью РПЦС выделяются сигналы управления и взаимодействия (СУВ), которые обрабатываются приемником (ПрСУВ) и подаются на соответствующие приборы АТС
4.2. Основные функциональные узлы цифровых систем передачи
с ИКМ-ВРК.
1.Канальные амплитудно-импульсные модуляторы и слекторы (КАИМ-КС) являются основными элементами индивидуального АИМ тракта передачи и приема и представляют собой электронные ключи ЭК (рис.4.2), срабативающие от управляющих импульсов амплитудойUy, следующих с частотой дискретизации fД, длительность которых меньше периода следования-дискретизации TД т.е. скважность q= TД/<20.
Рис.4.2. Электронный ключ – аналог КАИМ-КС.
Основные требования, предъявляемые к КАИМ-КС, сводятся к следующему:
- формирование коротких периодических импульсов-отсчетов из аналогового входного сигнала (обычно первичного);
- сохранение значений этих сигналов в течение заданного промежутка времени;
- малое сопративление в замкнутом состоянии и большое сопротивление в разомкнутом;
- достаточное подавление импульсного управляющего напряжения Uy.
- величина затухания, вносимого КАИМ-КС в тракт передачи АИМ сигналов , жестко нормируется, что требует применения специальных методов дискретизации и демодуляции;
- переходные влияния и шумы, вносимые КАИМ-КС в тракты передачи и приема, должны быть минимальными.
2.Кодеры и декодеры с линейной шкалой квантования.
Кодеры цифровых систем передачи с ИКМ-ВРК предназначены для преобразования АИМ сигналов после их квантования в цифровую форму. Операции квантования и кодирования в современных ЦСП и ИКМ-ВРК обычно совмещаются. Если квантование осуществляется с постоянным шагом (равномерное), то такие кодеры называются кодерами с линейной шкалой квантования, если же шаг квантования изменяется (нелинейое квантование), то такие кодеры называются кодерами с нелинейной шкалой квантования. В ЦСП с ИКМ применяются кодеры с нелинейной шкалой квантования, но при их построении на первой ступени кодирования используются кодеры с линейной шкалой квантования.
Различные типы кодеров, использующихся в ЦСП с ИКМ-ВРК, по принципу их действия разделяют на три группы:
С преобразованием кодируемой величины во временной интервал (кодеры последовательного счета);
Поразрядного сравнения (взвешивающие кодеры);
Cкодовым полем (матричные кодеры).
Кодеры последовательного счета. Структурная схема одного из вариантов кодера последовательного счета приведена на рис.4.3., а временные диаграммы, поясняющие принцип его работы показаны на рис.4.4.
Рис.4.3. Функциональная схема кодера последовательного счета.
Рис.4.4 Временные диаграммы работы кодера последовательного счета.
Квантованный АИМ сигнал (рис.4.3 – 1) поступает на преобразователь АИМ сигнала в широтно-импульсно-модулированный сигнал АИМ-ШИМ (рис.4.3 .точка 1) , где преобразуется в импульсы ШИМ сигнала одинаковой амплитуды, но различной длительности (рис.4.3 точка2).
Длительность импульсов ШИМ сигнала пропорциональна амплитуде импульсов входного АИМ сигнала (рис.4.3 – 2). Эти импульсы поступают на схему И, на другой вход которой от генератора тактовых импульсов (ГТИ) поступают короткие эталонные импульсы с постоянным периодом следования (рис.4.3, точка 3 и рис.4.3 – 3). Пока схема И открыта благодаря воздействию ШИМ импульса, на ее выходе формируется пакет эталонные импульсов (рис.4.3, точка 4 и рис.4.3 – 4).
Длительность пакета пропорциональна длительности ШИМ импульса, а следовательно число импульсов в пакете пропорционально амплитуде квантованного входного АИМ сигнала. Количество импульсов, входящих в пакет, подсчитывается двоичным счетчиком (цепочка последовательно соединенных триггеров Тг1,…Тгm, где m–разрядность кодовой комбинации). Результат счета устанавливается на кодовых выходах счетчика Q1…Qm и выражает двоичный эквивалент кодируемого сигнала в параллельном коде, который с помощью формирователя кода преобразуется в последовательный код (рис.4.3. точка 6 и рис.4.3 - 6). Импульсы сброса от ГТИ (рис.4.3,точка 5 и рис.4.3 – 5) поступают на вход двоичного счетчика и возвращают его в исходное состояние после формирования каждой кодовой комбинации. В кодере такого типа погрешности кодирования вызываются нестабильностью частоты ГТИ, нелинейностью преобразования АИМ-ШИМ, ошибками работы двоичного счетчика и конечной разрешающей способностью схемы И.
4.3 Генераторное оборудование цифровых систем передачи.
4.3.1 Общие принципы построения генераторного оборудования.
Для работы функциональных блоков ЦСП с временным разделением каналов на всех этапах цифровой обработки сигналов, мультиплексирования и демультиплексирования цифровых потоков, формирования линейного цифрового сигнала, обеспечения синхронного вида управляющие сигналы, параметры которых строго регламентированы во времени. Формирование управляющие сигналов осуществляется генераторным оборудованием (ГО), которое выполняется отдельно для передающей ГОпер и приемной ГОпр частей оконечных станций.
Генераторное оборудование обеспечивает формирование и распределение импульсных последовательностей, управляющих процессами дискретизации, кодирования-декодирования, временного группообразования, ввода-вывода символов служебных сигналов на определенные позиции цикла передачи и т.д. От ГО необходимо получить импульсные последовательности со следующими основными частотами:
- частотой дискретизации Fд (обычно равной 8 кГц);
- тактовой частотой первичного цифрового потока(ПЦП), равной
fт= 1/ Tт = Fд*m* Nки, 4.1
где m – число элементов в кодовой комбинации, Nки – число канальных интервалов ПЦП и равной
fт = Fд*m* Nки = 8*8*32 = 2048 кГц.
- частотой следования кодовых комбинаций (канальных интервалов), равной
- тактовыми частотами цифровых потоков более высокого порядка, получаемыми в результате объединения определенного числа цифровых потоков более низкого порядка.
Рассмотрим построение ГО первичной цифровой системы, для которой необходимые импульсные последовательности можно получить путем деления тактовой частоты, получаемой от высокостабильного автономного задающего генератора ЗГс относительной нестабильного не хуже
(рис.4.2). На выходе ЗГ формируется гармонический высокостабильный сигнал с частотой, обычно равной или кратной тактовой частоте fт . Формирователь тактовой последовательность ФТП вырабатывает основную последовательность импульсов с частотой следования fт . Импульсы тактовой последовательности используются при выполнении опе сигнала.
Делитель разрядный ДР формирует mимпульсных последовательностей P1,P2,…Pm. Число разрядных импульсов, формируемых ДР, равно числу разрядов кодовой комбинации, а частота их следования для m = 8 равна Fк= fт / m = 2048 / 8 = 256 кГц. Импульсные последовательности с выхода ДР используются для правильного определения каждого разряда кодовой комбинации, при выполнении операций кодирования и декодирования, а также при формировании группового ИКМ сигнала, когда необходимо выделить временные интервалы для передачи соответствующих позиций синхроимпульсов, сигналов управления и взаимодействия и различного вида сервисных сигналов.
Делитель канальный ДК формирует управляющие канальные импульсы последовательности КИ0, КИ1,…КИN-1. Частота следования КИ равна частоте дискретизации FД.
Делитель цикловой ДЦ служит для формирования цикловых импульсных последовательностей Ц0, Ц1, …ЦК-1, где k–число циклов в сверхцикле. Для k = 16 частота следования цикловых импульсов равна
Fц = Fд / k = 8000 / 16 = 500 Гц.
Предусматривается несколько режимов работы генераторного оборудования оконечных станций:
Внутренней синхронизации, при котором осуществляется работа от местного высокостабильного автономного ЗГ (рис.4.5.)
Внешнего запуска, при котором осуществляется работа от внешнего задающего генератора ВЗГ;
Внешней синхронизации, при котором осуществляется подстройка частоты местного ЗГ с помощью фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), управляемой внешним сигналом.
Рис.4.5 Структурная схема ГО передачи.
Как следует из рис.4.5 формирование необходимых последовательностей импульсов реализуется делением частоты. Временные диаграммы работы ГО с использованием делителей частоты приведены на рис.4.5. На вход делителя разрядных импульсов ДР от формирователя тактовой последовательности поступает периодическая последовательность импульсов. ДР формирует восемь разрядных импульсовP1…P8 . Каждый разрядный импульс сдвинут относительно следующего на тактовый интервал. Интервал следования одноименных разрядных импульсов равен Tр = 8Тт. На рис.4.6.а показано положение импульсных последовательностей P1…P8 относительно тактовых. Из любой последовательности Pi формируются управляющие последовательности КИ0, КИ1,КИN-1, определяющие границы канальных интервалов и их временное положение. Расположения КИ относительно разрядных импульсов и тактовой последовательности также видно из рис..4.а. На рис.4.6.б показано расположение импульсов управляющих последовательностей Ц0 и Ц1 относительно последовательностей КИ0….КИN-1, а на рис.4.6.в – взаимное расположение циклов Ц0…Цk-1в сверхцикле.
Рис.4.6 Временные диаграммы работы генераторного оборудования.
Схема ГО приема отличается от схемы ГО передачи следующими особенностями, обеспечивающими работу ГО приема синхронно и синфазно с ГО передачей. Во-первых, импульсная последовательность с тактовой частотой fT будет поступать на вход ДР не от ЗГ , а от выделителя тактовой частоты – ВТЧ. Во-вторых, установка ГО приема по циклу и по сверхциклу осуществляется с помощью сигналов, поступающих от приемника синхросигнала.
4.3.2. Задающие генераторы.
Основным требованием, предъявляемым к задающим генераторам (ЗГ) ЦСП, является стабильность частоты. В то же время они должны иметь возможность перестройки частоты в определенных пределах. Выполнение противоречивых требований обеспечения стабильности частоты ЗГ (в режим автогенерации) и реализации определенной перестройки учитывается при выборе соответствующей схемы ЗГ. Относительная нестабильность частоты ЗГ должна быть не выше 10-5, поэтому в схемах ЗГ для стабилизации частоты используются кварцевые резонаторы (КР). Частота ЗГ выбирается в целое число большей, чем тактовая частота fT . Так, например, ЗГ аппаратуры формирования первичного цифрового потока типа ИКМ-30 вырабатывает гармоническое колебание с частотой fЗГ = 8192 кГц. Выбор частоты генерации, в 4 раза превышающей тактовую частоту потока, позволяет осуществить почти оптимальное построение ЗГ. В схему ЗГ входят делитель частоты (ДЧ) и формирователь тактовой последовательности (ФТП). В настоящее время ЗГ цифровых систем передачи реализуются как на дискретных (рис.4.7) , так и на логических элементах (рис.4.8).
Рис.4.7. Принципиальная схема ЗГ на транзисторах.
Схема ЗГ (рис.4.7) представляет двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью, в состав которого входит кварцевый резонатор КР. Режим по постоянному току первого каскада обеспечивается резисторами R1….R4 второго – резисторами R5….R8. Для изменения частоты ЗГ в заданных пределах включен варикап VD, управляемый напряжением Uуп, которое может изменяться или регулироваться устройством фазовой автоподстройки частоты при работе ЗГ в режиме внешней синхронизации.
Рис.4.8. Функциональная схема ЗГ на логических элементах.
Схема ЗГ (рис.4.8) состоит из трех инверторовDD1…DD3, сопротивлений R1 и R5, обеспечивают перевод элементов D1 иD2 в активный режим. Длительность импульсов можно менять подборкой резисторов R1 и R6, сопротивления которых совместно с входной емкостью элемента DD3 образуют цепь временной задержки. Подстройка частоты осуществляется управляемым варикапом VD.
Делители частоты.
Схемы делителей различного назначения (разрядных, канальных, циклов и сверхциклов) легко реализуются на основе счетчиков, регистров, дешифраторов и других логических схем. Функциональная схема делителя разрядов ДР (для m=8) с использованием трехразрядного двоичного счетчика на триггерах Тг1…Тг3 показана на рис 4.9.а.Реализовать такой ДР можно и применением кольцевого счетчика из восьми триггеров Тг1…Тг8, рис.4.9.б.
Рис.4.9. Функциональные схемы делителей разрядов.
Аналогичным образом можно построить и другие делители. На практике более широкое распространение получил первый вариант, который для своей реализации требует меньшего числа триггеров.
Контрольные вопросы.
1. Назовите основные способы снижения затухания при дискретизации аналоговых сигналов.
2. В чем сущность резонансного способа дискретизации?
3. Процесс кодирования в кодерах последовательного счета. Достоинства и недостатки кодеров последовательного счета.
4. Процесс кодирования в линейных кодерах поразрядного кодирования или взвешивающего типа.
5. Назначение инвертеров DD1 и DD2 линейного кодера взвешивающего типа для двухполярных сигналов. Назначение устройства формирования ИКМ сигнал.Назначение компандерной логики в схеме нелинейного кодера.
6. Сформулируйте основные требования к генераторному оборудованию ЦСП.
ЛЕКЦИЯ № 5.Формирование структуры цикла передачи ЦСП.
Первичный цифровой поток построен на основе сверхциклов, циклов, канальных интервалов (КИ) и тактовых интервалов (ТИ). Канальный интервал – время, в течение которого предается один закодированный отсчет, тактовый интервал – время, в течение которого передается один разряд (символ) кода – нуль и единица.
Сверхцикл передачи (СЦ) соответствует минимальному интервалу времени, за который передается один отсчет каждого из сигнальных (СК) и каналов передачи аварийной сигнализации (потеря сверхцикловой или цикловой синхронизации).
Совокупность 32 канальных интервалов образует цикл передачи Ц, длительность которого Тцравна 125мкс и соответствует периоду дискретизации Тд. 16 циклов первичного цифрового потока (с Ц0 по Ц15), в течение которых передаются сигналы управления и взаимодействия (СУВ) тридцати телефонных каналов, составляют сверхцикл СЦ, длительность которого Тсц = 2 мс. Каждый цикл подразделяется на 32 канальных интервала длительностью Тки = 3,906 мкс. Из них 30 интервалов (КИ1 – КИ15 и КИ17- КИ31) отводятся для передачи сигналов по основному цифровому каналу (ОЦК). Каждый КИ состоит из восьми разрядных интервалов – РИ – 1,2,3,…,7,8, длительность которых Тр = 488 нс. Половина разрядного интервала может быть занята передачей единицы – прямоугольного импульса длительностью Ти = 244 нс. При передаче нуля импульс в разрядном интервале отсутствует. Интервалы КИ0 в четных циклах предназначаются для передачи циклового синхросигнала – ЦСС, имеющего вид 0011011 и занимающего разрядные интервалы 2-8. В 1-м разрядном интервале Х всех циклов передается информация постоянно действующего канала передачи дискретной информации (ПДИ). В нечетных циклах 3-й (А) и 6-й (3) разрядные интервалы используются для передачи информации о потере цикловой синхронизации (Авария ЦС) и контроля снижения остаточного затухания каналов (Ост.Затухание) до значения. При котором в них может возникнуть самовозбуждение. Разрядные интервалы 4,5,7 и 8 являются свободными (х), их занимают единичными сигналами для улучшения работы выделителей тактовой частоты.
В интервале КИ16 нулевого цикла (Ц0) передается сигнал сверхцикловой синхронизации вида 0000 (1-4 разрядные интервалы), а также сигнал о потере сверхцикловой синхронизации (6-й разрядный интервал У–Авария СЦС). Остальные три разрядных интервала свободны (х). В канальном интервале КИ16 остальных циклов (Ц1 – Ц15) передаются сигналы управления и взаимодействия (СУВ) приборами АТС, причем в Ц1 – Ц15 на позициях 1-го и 2-го разрядных интервалов передаются сигналы 1- 15 каналов тональной частоты, на позициях 5-го и 6-го интервалов передаются сигналы для 17 – 31 каналов и т.д. Разрядные интервалы 3,4,7 и 8 свободны, но могут быть использованы для организации сервисных каналов различного назначения.
В цикле размещается 32 х 8 = 256 символов или Nб = 32 байта. Скорость цифрового потока, в самом общем случае, может быть рассчитана по формуле
С = 0,064*Nб, Мбит/с.
Для потока Е1 скорость равна
СЕ1 = 0,064*Nб= 0,064*32=2.048, Мбит/с
Рис.5.1. Структура цикла и сверхцикла первичного цифрового потока Е1
Контрольные вопросы.
1. На основе какие символы построен первичный цифровой поток .
2. Как образует цикл?
3. Структура цикла и сверхцикла первичного цифрового потока Е1.
4. Количество символов в цикле?
ЛЕКЦИЯ № 6.Принципы временного группообразования (ВГ) в ЦСП.
6.1.Способы мультиплексирования цифровых потоков.
При временном группообразовании в передающей части ЦСП осуществляется объединение компонентных цифровых потоков, которые формируются системами передачи более низкого порядка, в групповой (агрегатный) поток, а в приемной части осуществляется разъединение агрегатного потока на компонентные.
Объединение (мультиплексирование) цифровых потоков может быть синхронным или асинхронным. Если задающие генераторы ЦСП, которые создают компонентные потоки, синхронизированы с задающим генератором ЦСП, которая формирует агрегатный поток, то производится синхронное объединение компонентных цифровых потоков. Если же указанная взаимная синхронизация отсутствует, то осуществляется асинхронное объединение цифровых потоков.
В ЦСП синхронной цифровой иерархии (SDH) объединяемые потоки синхронны, а в ЦСП иерархии PDH – почти синхронные (тактовые частоты ЦСП, формирующих компонентные потоки, за счет нестабильности генераторов незначительно, но все-таки отличаются друг от друга).
Процесс объединения как синхронных, так и асинхронных цифровых потоков предусматривает запись компонентных потоков в ЗУ отведенного для каждого из потоков блока сопряжения (БС). Запись осуществляется с тактовой частотой компонентного потока, а считывание – с частотой, кратной тактовой частоте агрегатного потока. Мультиплексирование компонентных потоков в агрегатный в принципе может быть побитовым (поразрядным), побайтовым (поканальным) и поцикловым (посистемным). На практике используется побитовое объединение, требующее наименьший объем запоминающего устройства (ЗУ). Упрощенная структурная схема оборудования объединения цифровых потоков приведена на рис. 6.1.
Рисунок 6.1 Упрощенная структурная схема оборудования объединения цифровых потоков
Цифровые потоки от компонентных ЦСП поступают на вход ЗУ соответствующих блоков сопряжения (БС). В каждом БС сигналы записи формируются выделителем тактовой частоты (ВТЧ), а сигналы считывания формируются генераторным оборудованием агрегатной системы. Последовательно считываемые из ЗУ сигналы компонентных систем с добавленными к ним служебными сигналами объединяются в общий агрегатный поток.
В наиболее общем случае объединения асинхронных (плезиохронных) компонентных потоков в агрегатный помимо синхросигнала, указывающего порядок объединения, вводится служебная информация, обеспечивающая необходимое согласование объединяемых потоков.
Операции разделения потоков являются обратными операциями объединения; информация агрегатного потока записывается в запоминающие устройства, соответствующие компонентным потокам, а затем считывается со скоростями компонентным потокам. При формировании объединенного – агрегатного-цифрового сигнала возможны такие способы объединения цифровых потоков:
1. Посимвольное или по разрядам: вначале считывается и передается первый разряд первого компонентного потока, затем – второго и т.д; после считывания первого разряда последнего компонентного потока считывается второй разряд первого потока, т.е. цикл повторяется (рис.6.1.);
2. По группе символов, например, в агрегатном потоке можно вначале передать все символы, относящиеся к каналу (поканальное объединение) или циклу передачи( по системное объединение) первого потока , затем- такую же группу символов второго потока и т.д.(рис.6.2)
Рис.6.2. Структура цикла передачи цифровых систем передачи с посимвольным объединением цифровых потоков
Рис.6.3. Структура цикла системы передачи с по канальным объединением
цифровых потоков.
При посимвольном объединении импульсы цифровых сигналов объединяемых потоков укорачиваются и распределяются во времени так, чтобы в освободившихся интервалах могли разместиться вводимые импульсы других потоков. При канальном или системном объединении цифровых потоков сужаются и распределяются во времени интервалы, отводимые для кодовых групп или циклов. Синхросигнал необходим для правильного распределения цифровых потоков на приемном конце.
В настоящее время приняты два вида иерархии ЦСП:
1. Плезиохронная цифровая иерархии (ПЦИ) или Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH), где принято посимволное объединение цифровых потоков.
2.Синхронная цифровая иерархия (СЦИ) или Synchronous Digital Hierarchy (SDH), использующая побайтное объединение (в агрегатном цифровом потоке последовательно передаются байты – восьмиразрядные группы символов объединяемых потоков). Такой способ объединения определяется тем, что в системах передачи СЦИ используется элементная база, общая с элементной базой быстродействующих ЭВМ, в которых обработка информации осуществляется побайтно.
При построении ЦСП в качестве исходного используется сигнал основного цифрового канала ОЦК со скоростью 64 кбит/с.
6.2. Асинхронное объединение цифровых потоков.
Временные сдвиги и неоднородности. Согласование скоростей.
Механизм записи и считывания цифровых потоков в ЗУ: если скорость записи больше скорости считывания, то для того чтобы ЗУ не переполнилось, необходимо периодически производить дополнительное считывание со скоростью, пропорциональной разности скоростей записи и считывания, а считанную при этом информацию передавать по специальному дополнительному каналу. Если скорость записи меньше скорости считывания, то для того чтобы ЗУ не опустошалось, необходимо периодически производить запрет считывания, т.е. вводить в считанный цифровой поток информационные пустоты – вставки (или стаффинг). Очевидно, что информация, передаваемая по дополнительному каналу, так же как и информационные пустоты, должны поступать в приемную часть оборудования временного группообразования или мультиплексирования в сопровождении специальных команд. Рассмотренный процесс называется согласованием скоростей, причем если скорость записи превышает скорость считывания, то процесс называется отрицательным согласованием скоростей, а если скорость записи меньше скорости считывания – положительным согласованием скоростей.
Рассмотрим более подробно процесс согласования скоростей. Из-за различия скоростей записи и считывания образуется временной интервал (ВИ) между моментами записи и считывания, которой изменяется после каждого считывания на величину
∆τ = ТЗ – kTСЧ, (6.1)
где ТЗ = 1/fЗ и TСЧ = 1/fСЧ - периоды записи и считывания соответственно:
k = entТЗ / TСЧ – округленное до ближайшего целого отношение периода записи к периоду считывания.
Если ∆τ<0, то ВИ между моментами записи и считывания увеличивается до тех пор, пока не достигнет максимального значения, которое находится в пределах ТСЧ - ∆τ до ТСЧ. При следующем считывании этот интервал окажется минимальным в пределах от 0 до ∆τ, а в считанной последовательности произойдет отрицательный временной сдвиг(ВС) равный периоду следования считывающих импульсов. После чего вновь начинается процесс увеличения ВИ. При отсутствии временного сдвига интервал между сдвига этот интервал оказывается равным (k – 1)TC.
Если ∆τ > 0, то временной интервал между моментами записи и считывания уменьшается до тех пор, пока не достигнет минимального значения в пределах 0 до ∆τ. При следующем считывании этот интервал окажется максимальным ( в пределах ТСЧ-∆τ до ТСЧ), а в считанной последовательности произойдет положительный временной сдвиг (ВС), равный периоду следования считывающих импульсов. В последующем вновь начинается процесс увеличения ВИ. При отсутствии временного сдвига интервал между считанными символами составляет kTСЧ, при наличии временного сдвига этот интервал оказывается равным (k+1)Tс .
Очевидно, что частота формирования ВС зависит от соотношения частот записи и считывания. При этом число информационных символов, передаваемых между двумя соседними ВС, определяется по формуле
R = ent |Tсч/ (Тз - Тсч| (6.2)
Где сочетание ent означает округление до ближайшего целого значения величины
Тсч / (Тз – Тсч); а период возникновения сдвигов равен
Твс = (R + 1) / Тсч (6.3)
Если Тсч/(Тз–Тсч) – целое число, то считанная импульсная последовательность представляет собой однородную последовательности, имеющую равное число информационных символов между соседними ВС. Если Тсч/(Тз–Тсч) – дробное число, то в считанной импульсной последовательности возникают неоднородности, выражающиеся в изменении интервала между ВС в сторону уменьшения или увеличения на один период частоты считывания. Эти неоднородности возникают с периодичностью, определяемой разностью
Тсч/(Тз–Тсч)-R=±n/l (6.4)
Где l – число ВС, составляющих цикл возникновения неоднородностей: n – число неоднородностей в этом цикле. Знак разности в (6.4) указывает на характер изменения (увеличения и уменьшения) интервала между ВС при возникновении неоднородности; при положительной разности происходит увеличение интервала между ВС, а при отрицательной – уменьшение.
Рис.6.4. Временные диаграммы возникновения временных сдвигов и неоднородностей; а – импульсные последовательности записи; б-считывания; в-последовательности считанных импульсов
На рис.6.4. показан механизм возникновения ВС и неоднородностей для случая, когда Tсч/Тз = 13/16. Здесь и далее реальный сигнал от источника информации, состоящей из единиц и нулей, для упрощения заменен сигналом, состоящим только из единиц.
В считанной импульсной последовательности (рис.6.3.а) имеются положительные ВИ с периодом, равным 5Тсч и включающим три ВС, из которых один с неоднородностью.
Число информационных символов между соседними ВС для нашего примера равно (6.2)
При сопряжении асинхронных цифровых потоков частота считывания выбирается всегда выше частоты записи. Это объясняется необходимостью передачи дополнительной служебной информации (сигналов цикловой синхронизации, служебной связи, контроля и др.) Поэтому
fсч. = fсч.и + fсл (6.5)
Где fсч.и - частота считывания информационных символов; fсл - частота следования служебных символов.
Служебные символы должны предаваться на позициях ВС в считанной последовательности. При этом необходимо, чтобы ВС формировались на строго определенных позициях в цикле передачи. Для того что бы неоднородности, возникающие при асинхронном объединении цифровых потоков, не изменяли положения ВС в цикле передачи, необходимо в передающем оборудовании компенсировать моменты возникновения неоднородностей либо введением дополнительной позиции изсчитанную последовательность, либо исключением одной позиции из считанной последовательности в зависимости от знака разности (4).
Процесс компенсации неоднородностей называется согласованием скоростей. Информация о таких согласованиях передается в приемную часть, где в соответствии с этой информацией осуществляется восстановление исходного сигнала. Для обозначения позиций, компенсирующих влияние в зарубежной литературе, используется термин стаффинг (вставка) вместо термина согласование скоростей.
Рисунок 6.4 Схема последовательности импульсов записи и считывания
На рис. 6.4 приведены последовательности импульсов записи и считывания для двух вариантов соотношения между частотами записи и считывания: fСЧ = (15/11) f ЗП и fСЧ = (15/13) fЗП , следовательно Т СЧ =(15/13)TЗП и Т СЧ =(15/13)TЗП соответственно.
Из рис.6.4,а видно, что при величина , а .
Таким образом, между соседними временными
сдвигами R=3 импульса, цикл возникновения неоднородности L=4, включая одну неоднородность в цикле (n=1). Отрицательный знак указывает на уменьшение интервала между соседними временными сдвигами. В рассмотренном примере значение R изменяется от 3-х до 2-х.
При значение , , , а
Этому соответствует поток, приведенный на рис.6.4 б, в котором между соседними временными сдвигами число информационных импульсов R=7, цикл неоднородностей L=2 временных сдвига, включая одну неоднородность в цикле. Значение R изменяется от 7-ми до 6-ти.
Таким образом, положение временных сдвигов и количество неоднородностей изменяется при изменении соотношения между частотами записи и считывания. Если на рис. 6.4, а при заданном соотношении между частотами записи и считывания возникает одна неоднородность, то при ином соотношении этих частот появляется иное число неоднородностей. Например, при , а .
Полученные результаты указывают на то, что цикл неоднородностей L=5, в составе которого содержится n=2 неоднородности. Значение R изменяется от 3-х до2-х.
Следует заметить, что в реальных условиях соотношение между частотами записи и считывания изменяется в небольших пределах. Вместе с тем очевидно, что смещение положения временных сдвигов в последовательности импульсов необходимо компенсировать, чтобы обеспечить размещение и передачу служебных символов на определенных и неизменных временных позициях. Указанная компенсация возможна либо исключением на передающей стороне «лишних» импульсов считывания информационных символов из ЗУ (при ), либо их добавлением (при ). В результате происходит согласование скорости компонентного потока со скоростью агрегатного в пересчете на один компонентный поток. Оповещение приемной стороны обо всех операциях (исключение – добавление импульсов считывания) осуществляется передачей команд согласования скоростей (КСС). Кроме того, в асинхронных системах для цикловой синхронизации приемного оборудования агрегатной системы в составе служебных сигналов передаются синхросигналы. Принятый агрегатный поток разделяется на компонентные, каждый из которых записывается в «свое» ЗУ тактами агрегатной системы в расчете на компонентную, а считывание осуществляется тактами компонентной системы. В европейском варианте плезиосинхронной цифровой иерархии (PDH) значение кратности частоты считывания равно четырем, т.е. , где - тактовая частота группового (агрегатного) потока. Так, например, при объединении 4-х первичных потоков (Е1) во вторичный (Е2) частота записи каждого из потоков Е1 составляет значение кГц, а частота считывания каждого из этих потоков f СЧ = f ТЧА /4 = 8448/4=2112 кГц. Превышение частоты считывания над частотой записи дает возможность передавать в агрегатном потоке служебную информацию, которая необходима для обеспечения нормальной работы агрегатной системы. Таким образом, в расчете на один компонентный поток f СЧ = f ИНФ + f СЛ , где f ИНФ = f ЗП , а f СЛ - частота (скорость) передачи служебных сигналов в расчете на один компонентный поток. Например, в ЦСП ИКМ-120 для каждой компонентной системы (ИКМ-30) частота записи f ЗП = f ИНФ = 2048 кГц, а частота считывания f СЧ = 2112 кГц. Поэтому частота передачи служебных сигналов f СЛ = f СЧ - f ИНФ = 2112—2048 = 64 кГц в расчете на один компонентный поток. В агрегатном потоке частота следования служебных сигналов в четыре раза выше: f СЛА = 4 f СЛ = 256 кГц, а скорость передачи агрегатного потока составляет B = 4 * 2048 + 256 = 8448 кбит/с.
Следует подчеркнуть, что номинальная частота считывания при объединении асинхронных цифровых потоков всегда выбирается выше частоты записи. Временные сдвиги, которые появляются за счет разности номинальной частоты считывания и частоты записи, является нормированными, не требующими передачи информации об их наличии. В качестве неоднородностей воспринимаются и устраняются те временные сдвиги, которые нарушают нормированное соотношение между частотой записи и номинальной частотой считывания.
При построении аппаратуры объединения цифровых потоков предусмотрена возможность как положительного, так и отрицательного согласования скоростей, т.е. двухстороннего (положительно-отрицательного) согласования скоростей.
Различают методы объединения асинхронных цифровых потоков с односторонним – положительным или отрицательным и двухсторонним – положительно – отрицательным – согласованием скоростей.
В системах с односторонним согласованием скоростей частота считывания fсч.н выбирается заведомо большей или меньшей ( в зависимости от знака согласования скоростей), чем частота записи fз. При положительном согласовании предполагается, что сумма максимальных скоростей компонентных (входных) потоков меньше скорости агрегатного (выходного) потока. При этом выполняется условие
(6.6)
В этом случае при возникновении неоднородности (см. рис. 3.6.в) в считанную последовательность вводится (путем запрета одного импульса считывания) дополнительная (неинформационная) импульсная позиция, т.е. вводится согласующий тактовый интервал. На приемную станцию передается соответствующая команда согласования, в соответствии с которой указанная позиция исключается из восстанавливаемого потока.
В передающей части оборудования временного группообразования (ОВГ) или мультиплексирования, использующего метод положительного согласования скоростей, входная информация записывается в записывающее устройства (ЗУ) с частотой fз, соответствующей скорости передачи компонентного потока. Считывание информации из ЗУ осуществляется с частотой fсч, синхронной с частотой местного задающего генератора (ЗГ). Так как fсч>fз , то в процессе считывания существует возможность полного освобождения (опустошения) ячеек ЗУ. Специальная схема контроля (временной детектор ВД) сравнивает фазы сигналов записи и считывания, т.е. текущее значение τ (рис.3.6), и тем самым контролирует состояние заполнения ячеек памяти. Когда заполнение памяти оказывается ниже допустимого предела. Схема контроля задерживает один импульс считывания. В результате этого в считанной последовательности возникает дополнительный согласующий символ, который отсутствовал во входном потоке и который обеспечивает необходимое заполнение ЗУ передающего оборудования. Так как для передачи согласующего символа в цикле передачи формируемого выходного потока выделена строго определенная позиция, то для устранения этого символа достаточно на приёмную станцию передать информацию о том, что имело место согласование скоростей. Т.е. команду согласования. На приемной стороне символ согласования устраняется из цифрового потока путем задержки записи в ЗУ на время длительности данного символа. При этом формируется поток с такой же скоростью, как у входного потока, но с дрожанием фазы в один тактовый интервал. Сглаживание фазового дрожания (ФД) осуществляется с помощью цепи фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). При отрицательном согласовании скоростей предполагается, что частота записи в ЗУ передающего оборудования больше частоты считывания, т.е. выполняется условие
(6.7)
В этом случае при возникновении неоднородности из информационной последовательности в передающей части ОВГ удаляется один информационный символ, который передается на приемную станцию по дополнительному (служебному) каналу. На приемной стороне после приема соответствующей команды согласования этот символ вводится восстанавливаемого потока.
В передающей части оборудования временного группообразования (ОВГ) или мультиплексирования, использующего метод положительного согласования скоростей, входная информация записывается в записывающее устройство (ЗУ) с частотой fЗ , соответствующей скорости передачи компонентного потока. Считывание информации из ЗУ осуществляется с частотой fСЧ, синхронной с частотой местного задающего генератора (ЗГ). Так как fСЧ>fЗ , то в процессе считывания существует возможность полного освобождения (опустошения) ячеек ЗУ. Специальная схема контроля (временной детектор ВД) сравнивает фазы сигналов записи и считывания, т.е. текущее значение τ (рис.1,а) , и тем самым контролирует состояние заполнения ячеек памяти. Когда заполнение памяти оказывается ниже допустимого предела, схема контроля задерживает один импульс считывания. В результате этого в считанной последовательности возникает дополнительный согласующий символ, который отсутствовал во входном потоке и который обеспечивает необходимое заполнение ЗУ передающего оборудования. Так как для передачи согласующего символа в цикле передачи формируемого выходного потока выделена строго определенная позиция, то для устранения этого символа достаточно на приемную станцию передать информацию о том , что имело место согласование скоростей, т.е. команду согласования. На приемной стороне символ согласования устраняется из цифрового потока путем задержки записи в ЗУ на время длительности данного символа. При этом формируется поток с такой же скоростью. Как у входного потока, но с дрожанием фазы в один тактовый интервал. Сглаживание фазового дрожания (ФД) осуществляется с помощью цепи фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
При отрицательном согласовании скоростей предполагается, что частота записи в ЗУ передающего оборудования больше частоты считывания, т.е. выполняется условие
( 6.8)
В этом случае при возникновении неоднородности из информационной последовательности в передающей части ОВГ удаляется один информационный символ, который передается на приемную станцию по дополнительному (служебному) каналу. На приемной стороне после приема соответствую-щей команды согласования этот символ вводится в восстанавливаемую последовательность. Таким образом, при отрицательном согласовании скоростей на передаче существует тенденция к переполнению ЗУ т.е. протекают процессы, обратные процессам при положительном согласовании скоростей.
В системах с положительно-отрицательным (двухсторонним) согласованием номинальный частоты записи и считывания информации на передаче предполагаются примерно равными. Т.е. в некоторый момент времени может выполняться любое из условий 10 и 11. В этом случае имеем следующее соотношение между частотами записи и считывания:
(6.9)
При двухстороннем согласовании скоростей в зависимости от знака текущей разности частот записи и считывания необходимо либо вводить в считанную последовательность дополнительный символ согласования (т.е. осуществлять положительное согласование). При этом в передающей части ОВГ необходимо формировать информацию не только о наличии согласования, но и об его знаке.
Важно отметить, что в ОВГ в качестве неоднородностей воспринимаются только те временные сдвиги (ВС), которые разностью частот fЗ и fСЧ.Н . Сдвиги , вызванные дополнительным повышением частоты считывания на величину fСЛ с целью передачи в цикле различной служебной информации, не требуют передачи информации о согласовании.
Как отмечалось, выше процесс согласования скоростей требует использования в ОВГ запоминающих устройств (ЗУ), играющих роль буферной памяти (БП). Использование БП для накопления информационных символов обусловлено также необходимостью импульсных позиций (для циклового синхронизма, команд согласования скоростей, служебной связи и т.п.). Емкость ЗУ ОВГ должна быть такой, чтобы она могла поглощать наибольшие изменения фазы. Обычно она не превышает восьми ячеек на каждый компонентный поток. При известной структуре цикла изменения фазы сигнала вследствие ввода синхросигнала известны: величина изменения фазы определяется длительностью синхросигнала, а частота длительностью.
6.3 Формирование структуры цикла передачи ЦСП высших
ступеней ПЦИ.
Структура цикла должна удовлетворять следующим требованиям:
соотношение между количеством информационных и служебных импульсов должно обеспечивать требуемые параметры цикла передачи; в структуре цикла должно быть минимальное количество следующих подряд служебных символов на каждый входной поток, что минимизирует объем ЗУ; распределение символов синхрогрупп и КСС (стаффинг команд) в цикле передачи должно обеспечивать минимальное время восстановления синхронизма и максимальную помехоустойчивость КСС (стаффинг команд). Синхрогруппа должна быть сосредоточенной, что уменьшает время восстановления циклового синхронизма, а команды согласования скоростей (стаффинг команды) – рассредоточенными, что уменьшает вероятность их искажения сосредоточенной помехой; структура цикла должна обеспечивать возможность простого перехода от асинхронного режима работы к синхронному и наоборот. Двухстороннее согласование скоростей не требует никаких изменений в цикле. При переходе в синхронный режим прекращается формирование КСС (стаффинг-команд); длина цикла по возможности должна быть минимальной, что позволяет уменьшить время восстановления синхронизма, упростить генераторное оборудование и систему цикловой синхронизации.
6.3.1 Цикл передачи ЦСП ИКМ-120.
Цикл передачи ЦСП ИКМ-120 характеризуется следующими параметрами:
- число компонентных потоков n=4;
- тактовая частота каждого из компонентных потоков ; f тчк =2048 кГц
- тактовая частота агрегатного потока ; f тча =8448 кГц
- скорость передачи ; В=8448 Кбит/с
-частота записи каждого из компонентных потоков ;fзп = fnxr = 2048 кГц
- частота считывания в расчете на каждый из четырех компонентных потоков кГц; fсч = f тча / 4= 2112 кГц
- расчётное количество информационных символов между соседними временными сдвигами
(6.10)
- длительность цикла передачи ; TЦ = 125 мкс
- частота циклов передачи; FЦ = 8кГц
число символов (бит) в цикле передачи
бит
Структура цикла передачи ЦСП ИКМ-120 приведена на рис.6.5.Цикл делится на четыре группы по 264 бита в каждой. В каждой из групп содержится 256 информационных и 8 служебных бит.
В четырех группах цикла размещаются последовательно чередующиеся информационные биты компонентных потоков. Служебные биты размещаются в начале каждой группы.
Сосредоточенный 8-разрядный синхросигнал (синхрогруппа – СГ) 11100110 размещен на временных позициях 1…8 группы 1.
Рисунок 6.5 Временная структура цикла системы передачи ИКМ-120
Чередующиеся биты 3-разрядных команд согласования скоростей (КСС) размещены на позициях 1…4 каждой из групп 2, 3 и 4.Сигналы цифровой служебной связи (ЦСС) размещены на позициях 5…8 группы 2. Скорость передачи этих сигналов Кбит/с.Позиции 5…8 группы 3 свободны. Они предназначены для размещения технологических сигналов, передачи обратного аварийного сигнала, сигнала вызова по цифровой служебной связи.
Информационные биты, передаваемые при отрицательном согласовании скоростей, размещаются на позициях 5…8 4-й группы, а при положительном согласовании скоростей – на позициях 9…12 той же группы. Структура цикла передачи потока E2 представлена в табл. 8.1
Таблица 8.1
Минимизирую число следующих подряд служебных символов и равномерно распределяя их по циклу, получаем структуру цикла потока E2, изображенную на рис.3.10. В данном случае частота следования циклов fu = 8448/1056 = 8 кГц, а частота следования групп fц = 8448/264 = 32 кГц, частота следования служебных символов в расчете на один входной поток 32×2 = 64 кГц, среднее время поиска синхросигнала 0,625 мс.
6.3.2 Цикл передачи ЦСП ИКМ-480
Цикл передачи ЦСП ИКМ-480 характеризуется следующими параметрами:
- число компонентных потоков n=4;
- тактовая частота компонентных потоков ; fТЧК=8448 кГц
- тактовая частота агрегатного потока ; fТЧА=8448 кГц
скорость передачи В=34368 Кбит/с;
Частота записи каждого из компонентных потоков fЗП = 8448 кГц;
Частота считывание каждого из компонентных потоков
fСЧ = fТЧА /4 = 34368/4 = 8592 кГц,
Цикл передачи разделен на 3 группы. В каждой группе размещено 716 битов (704 информационных и 12 служебных).
Рис.6.6. Временная структура цикла системы передачи ИКМ-480.
Структура цикла приведена в табл.6.1.
Таблица 6.1
6.3.3 Цикл передачи ЦСП ИКМ-1920
Приведем краткую характеристику цикла передачи четверичной группы ЦСП (ИКМ-1920), в которой используется чередование бит и положительное согласование (выравнивание) скоростей:
- число компонентных потоков n=4;
- тактовая частота компонентных потоков f ТЧК = 34368 кГц;
- тактовая частота агрегатного потока f ТЧК = 139264 кГц;
- скорость передачи B = 139264 кбит/с;
- частота записи каждого из компонентных потоков f ЗП =34368 кбит/с;
- частота считывания каждого из компонентных потоков f СЧ = f ТЧА / 4 = 34816 кГц ;
- расчётное количество информационных импульсов между соседними временными сдвигами R = ( f ЗП / f СЧ - f ЗП ) = 34368/34816-34368 = 77 ;
- частота циклов передачи равна 64 кГц;
число символов в цикле передачи
NC = B * TЦ =139264 * 103 * 15,625*10-6 = 2176 бит (2148 – информационных и 28 служебных);
- цикл передачи разделен на 4 группы по 544 бита в каждой.
Рис.6.7. Временная структура цикла системы передачи ИКМ-1920.
Контрольные вопросы.
1. Необходимость иерархии цифровых систем передачи на основе ИКМ.
2. Способы объединения цифровых потоков, их сравнительный анализ и область применения.
3. Сущность асинхронного объединения цифровых потоков. Причины пояления неоднородностей в агрегатном цифровом потоке.
4.Изобразите схему мультиплексирования цифровых потоков PDH.
5.Сущность согласования скоростей. Способы согласования скоростей , их достоинства и недостатки.
ЛЕКЦИЯ № 7. Системы передачи ИКМ-30 и ИКМ-120.
7.1 Аппаратура ИКМ-30
Аппаратура ИКМ-30 предназначена для организации соединительных линий между городскими АТС, городскими и пригородными АТС, между АТС и АМТС путем уплотнения низкочастотных кабелей с бумажной изоляцией типов Т с жилами диаметром 0,5; 0,6; 0,7 мм и типа ТПП с жилами 0,5 и 0,7 мм при однокабельном и двухкабельном вариантах работы. Аппаратура может также использоваться в качестве каналообразующей в ЦСП более высоких порядков.
Рис.7.1 Структурная схема аппаратуры ИКМ-30
Аппаратура обеспечивает организацию 30 каналов ТЧ. Предусмотрена возможность организации канала звукового вещания с полосой частот 50 – 10 000 Гц вместо четырех телефонных каналов, а также сигналов дискретной информации (путем ввода их непосредственно в групповой цифровой поток) по одному цифровому каналу с пропускной способностью 8 кбит/с . Кроме того, вместо одного телефонного канала дополнительно может быть организовано восемь цифровых каналов с пропускной способностью 8 кбит/с.
Аппаратура ИКМ-30 (рис.7.1) содержит аналого-цифровое оборудование (АЦО), оконечное оборудование линейного тракта (ОЛТ), необслуживаемый регенерационный пункт (НРП), а также следующие контрольно-измерительные приборы: пульт контроля согласующих устройств (ПКСУ), предназначенный для проверки согласующих устройств и телефонных каналов аппаратуры ИКМ-30 в условиях эксплуатации; пульт дистанционного контроля регенераторов (ПДКР), предназначенный для определения номера неисправного регенератора и запаса работоспособности регенератора;измеритель затухания кабельной линии (ИЗКЛ), предназначенный для измерения рабочего и переходного затухания участков линейного тракта между НРП; измеритель шумов квантования (ИШК), предназначенный для измерения отношения сигнал-шум квантования в телефонных каналах и в канале вещания; прибор для контроля достоверности (ПКД), предназначенный для определения частности ошибок и измерения амплитуды импульсов на контрольных выходах регенераторов без перерыва связи.
Длина регенерационного участка в зависимости от типа кабеля составляет 1,5 – 2,7 км (таб.7.1), а число последовательно включенных НРП не превосходит 40.
Таблица 7.1
Таким образом, максимальная длина линейного тракта 60-108 км. Секция дистанционного питания (ДП) включает в себя не более десяти НРП и составляет 30-54 км. В линейном тракте может быть установлено не более одного обслуживаемого регенерационного пункта (ОРП). В качестве первичных источников питания используются станционные батареи с номинальным напряжением 60 В.
Рис. 7.2 . Размещение оборудования системы передачи ИКМ-30
Аналого-цифровое оборудование обеспечивает: сопряжение с помощью согласующих устройств (СУ) аппаратуры ИКМ-30 с аппаратурой АТС; организацию с помощью автоматически коммутируемой дифсистемы двух или четырёхпроводного окончания канала; аналого-цифровое преобразование 30 телефонных сигналов (или 26 телефонных сигналов и одного сигнала звукового вещания) в передающей части оборудования и цифроаналоговое преобразование в приемной части; ввод и вывод сигналов дискретной информации.
В АЦО содержатся квазиэлектронные согласующие устройства, предназначенные для работы как с декадно-шаговыми, так и с координатными АТС. Используются СУ следующих типов: СИ – универсальное согласующее исходящее устройство, применяемое для стыка с приборами исходящего шнура АТС как при местных, так и при междугородных соединениях; СВ – согласующее входящее устройство для стыка с приборами входящего шнура АТС при местных соединениях; СВМ- согласующее входящее устройство, предназначенное для стыка с приборами входящего шнура АТС при междугородных соединениях.
Аналого-цифровое преобразование телефонных сигналов осуществляется в соответствии с квазилогарифмической характеристикой компандирования типа А (А=87,6/13) при восьмиразрядном двоичном кодировании. Аналого-цифровое преобразование сигнала звукового вещания производится с использованием частоты дискретизации 32 кГц.
Разделение телефонных сигналов в приемной части АЦО осуществляется с помощью системы цикловой синхронизации, использующей для передачи синхросигнала нулевой канальный интервал. Разделение сигналов СУВ осуществляется с помощью сверхцикловой синхронизации, использующей для передачи сверхциклового синхросигнала 16-й канальный интервал.
Цикл передачи соответствует Рекомендации МККТТ G.732 (рис.7.3).
Конструктивно АЦО выполнено в виде съемных комплектов. На стандартной стойке размерами 2600 х 600 х 225 мм размещается до четырех комплектов АЦО, т.е. при полной комплектации стойки САЦО (рис.7.4) обеспечивается организация 120 телефонных каналов.
Оборудование линейного тракта обеспечивает: формирование и прием линейного сигнала, дистанционное питание НРП, телеконтроль НРП, служебную связь между ОЛТ и НРП. Формирование линейного сигнала осуществляется в коде ЧПИ. Максимальное затухание регенерационного участка на полу тактовой частоте 36 дБ. Дистанционное питание (ДП) осуществляется по рабочим парам кабеля. При работе по линиям малой протяженности (до трех НРП) используется система ДП, обеспечивающая напряжение дистанционного питания 16- 48 В, а при работе по линиям большей протяжённости используется система ДП с напряжением дистанционного питания 35-245 В. Ток ДП – 110мА.
Рис.7.3 Структура цикла передачи аппаратуры ИКМ-30: Ц - цикл; Р- разряд, КИ – канальный интервал; Д – дискретная информация; ЦС – цикловой синхросигнал; СЦС – сверхцикловой синхросигнал; А- авария ЦС; А1- авария СЦС; з – остаточное затухание.
Телеконтроль линейного тракта осуществляется с помощью пульта для контроля регенераторов (ПДКР). При этом на время поиска неисправимого регенератора аппаратура, работающая по данному тракту, выключается из эксплуатации, и в линию с выхода ПДКР подаются тест-сигналы. По этим сигналам в соответствующем НРП блоком контроля регенератора вырабатывается информация о неисправности РЛ, которая передается в ОЛТ. Секция телеконтроля совпадает с секция ДП и включает десять НРП, каждый из которых настроен на соответствующую контрольную частоту, вырабатываемую ПДКР.
Служебная связь организуется по отдельным парам кабеля. Подключение аппарата обходчика производится в НРП через специальные разъемы. Стойка ОЛТ обеспечивает организацию телеконтроля и служебной связи по шести направлениям. На стандартной стойке размещается до 24 комплектов ОЛТ, причем каждый комплект ОЛТ предназначен для обслуживания трех цифровых линейных трактов. Комплекты ОЛТ используются также для организации ОРП.
Рис.7.4 Стойка САЦО. Рис. 7.5. Контейнер НРПК-12
Контейнер необслуживаемого регенерационного пункта НРП-К12 (рис.7.5), предназначенный для установки в смотровых колодцах ГТС, подъездах и крышах домов, имеет чугунный корпус с габаритными размерами 460 х 380 х 310 мм и рассчитан на размещение до 12 двухсторонних линейных регенераторов РЛ. Контейнер содержится под избыточным автономным давлением.
7.2 Аппаратура ИКМ-120
Аппаратура ИКМ-120 предназначена для организации каналов на местных и внутризоновых сетях путем уплотнения высокочастотных симметричных кабелей 3КПАП 1Х4, МКСБ 4Х4, МКСАП 4Х4, МКССП 4Х4, МКСБ 7Х4. Аппаратура обеспечивает организацию до 120 каналов ТЧ при скорости передачи группового потока 8448 кбит/с. Линейный тракт организован по двух кабельной четырёхпроводной схеме.
В состав аппаратуры входит следующее оборудование: вторичного временного группообразования (ВВГ); аналого-цифрового преобразования сигнала вторичной группы (АЦО-ЧД-2): оконечное оборудование линейного тракта (ОЛТ); необслуживаемые регенерационные пункты (НРП), а также следующие контрольно-измерительные приборы; пульт для испытания линейных трактов и регенераторов (ПИЛТ), предназначенный для измерения коэффициента ошибок в линейном тракте как с перерывом, так и без перерыв связи; пульт для настройки и проверки регенераторов в условиях производства и эксплуатации; пульт ИЗКЛ, предназначенный для измерения рабочего и переходного затуханий участков линейного тракта между НРП.
В передающей части оборудования ВВГ (рис.7.6) формируется групповой поток путем побитового объединения четырех цифровых потоков со скоростью 2048 кбит/с. Формирование этих потоков может происходить либо в аппаратуре ИКМ-30, либо в оборудовании АЦО-ЧД-2. В первом случае с помощью оборудования ВВГ может быть организовано 30х4=120 каналов ТЧ.
Рис. 7.6 .Размещение оборудования системы передачи ИКМ-120
Во втором случае в оборудовании АЦО-ЧД-2 формируются три потока со скоростью 2048 кбит/с, которые совместно с четвертым потоком, сформированным в аппарате ИКМ-30, подаются на вход оборудования ВВГ. При этом может быть организовано 60 + 30 = 90 каналов ТЧ.
Оборудование ОЛТ осуществляет дистанционное питание и контроль НРП, а также организацию служебной связи. Дистанционное питание осуществляется по рабочим парам кабелей прямого и обратного направлений передачи. Длина секции ДП-200 км, т.е. через каждые 200 км в линейном тракте устанавливаются ОРП (стойки ОЛТ). Номинальная протяженность регенерационного участка 5 км. В качестве первичных источников питания используются станционные батареи с номинальным напряжением 60 или 24 В.
Оборудование ВВГ основано на принципе двустороннего согласования скоростей и двух командного управления и соответствует структурной схеме, изображенной на рис.7.6. В оборудовании предусмотрено три режима используются при передаче потоков, сформированных в аппаратуре ИКМ-30, а третий – при передаче потоков, сформированных в АЦО-ЧД-2. В устройстве ФАПЧ используется компенсация высокочастотных составляющих в спектре сигнала, управляющего работой ГУН. Система цикловой синхронизации – адаптивная.
Встроенная система контроля и сигнализации позволяет автоматически, без перерыв связи контролировать работу всех узлов ВВГ, сигнализировать о возникшем нарушении и определять место неисправности с точностью до блока. Служебная связь между оборудованием ВВГ, расположенным на разных станциях, осуществляется по цифровому каналу, организованному методом дельта-модуляции. Структура цикла передачи оборудования ВВГ приведена в таб.3.1.1. На стандартной стойке размерами 2600х600х225 мм располагается до восьми комплектов оборудования ВВГ, т.е. при полной комплектации стойки СВВГ обеспечивается организация 960 телефонных каналов.
Оборудование АЦО-ЧД-2 используется для замены участка линейного тракта аналоговой системы. Поскольку минимальная длина пароприёмного участка эталонной цепи внутризоновой сети составляет 200 км, а допустимая мощность шума 3 пВт/км, псофометрическая мощность шума, вносимого АЦО-ЧД-2 , не должна превышать 600 пВТ. Это требование выполняется при 11-разрядном кодировании с использованием нелинейного преобразования с кусачно-линейной характеристикой компандирования А=5,4/5.
На стойке САЦО-ЧД-2 размещается по одному комплекту оборудования АЦО-ЧД-2, ВВГ и АЦО аппаратуры ИКМ-30.
Передача линейного сигнала осуществляется в коде КВП-3 или ЧПИ. Затухание регенерационного участка на полутактовой частоте - 55±10 дБ (компенсация разброса затухания осуществляется цепью АРУ). Дистанционное питание осуществляется по парам прямого и обратного направлений передачи. Предельная влечена напряжения ДП составляет 980 В
Телеконтроль линейного тракта производится без перерыва связи по рабочим парам кабеля. Сигналы запроса, вырабатываемые в ОЛТ, и ответные сигналы, вырабатываемые в НРП, передаются на частоте 6,4 кГц. Оборудование телеконтроля обслуживает участок линейного тракта длиной до 100 км, т.е. длина секции телеконтроля составляет 200 км. Оборудование телеконтроля может работать как в ручном, так и в автоматическом режимах. В первом случае обеспечивается возможность выбора контролируемых направлений и номера секции, а во втором – все направления и секции контролируются поочередно вплоть до момента обнаружения поврежденного регенератора. Служебная связь ОЛТ-ОЛТ или ОЛТ-НРП осуществляется по рабочим парам кабеля в полосе 300-3400 Гц. На стандартной стойке размещается до четырех комплектов ОЛТ, т.е. при полной комплектации обеспечивается организация 480 телефонных каналов.
Рис.7.7. Структурная схема аппаратуры ИКМ-120
В аппаратуре используются НРП трех типов. Необслуживаемый регенерационный пункт НРП-Г8, предназначенный для установки в грунт, рассчитан на восемь двухсторонних регенераторов и состоит из корпуса, выполненного в виде стальной трубы диаметром 720 мм и длиной 600 мм, и выемной кассеты, в которую устанавливаются регенераторы. Регенерационный пункт НРП-К4 предназначенный для установки в смотровые колодцы кабельной сети или в цистерны НУП К-60П, рассчитан на четыре двусторонних регенератора.
Основные электрические характеристики
Скорость входных потоков, кбит/с……………………………2048 (1±3×10-5)
Скорость группового потока, кбит/с ………………………….8448 (1±2×10-5)
Число каналов ТЧ при передаче цифровых потоков,
Формируемых
в аппаратуре ИКМ-120……………………………..........120
в оборудовании АЦО-ЧД-2 и аппаратуре ИКМ-30.. …..90
Частота следования циклов, кГц…………………………………….8
Среднее время восстановления циклового синхронизма, мс ……..0,75
Максимальная частота согласования скоростей, Гц ……………….102
Максимальная коэффициент согласования скоростей …………….0.0125
Спектр частот группового телефонного сигнала, кГц……………..312-552
Частота дискретизации группового телефонного сигнала, кГц……512
Максимальная длина линейного тракта, км…………………………600
Число НРП в секции обслуживания …………………………………40
Максимальное напряжение ДП, В……………………………………980
Контрольные вопросы.
1. Предназначение аппаратура ИКМ-30 .
2. Структурная схема аппаратуры ИКМ-30.
3. Секция дистанционного питания (ДП).
4. Структура цикла передачи аппаратуры ИКМ-30
5. Предназначение аппаратура ИКМ-120.
6. Структурная схема аппаратуры ИКМ-120.
7. Размещение оборудования системы передачи ИКМ-120.
8. Предназначение оборудование ОЛТ.
9. Структура цикла передачи оборудования ВВГ.
ЛЕКЦИЯ №8.Тактовая, цикловая и сверхцикловая синхронизация ЦСП.
8.1 Синхронизация в цифровых системах передачи.
Для согласованной работы передающей и приемной станций цифровых систем передач с импульсно-кодовой модуляцией и временным разделением каналов (ЦСП ИКМ-ВРК) и их различных модификаций необходимо обеспечить:
1. синхронную работу канальных амплитудно-импульсных модуляторов на передаче и канальных селекторов на приеме, т.е. распределение АИМ сигналов и сигналов управления и взаимодействия (СУВ) по соответствующим каналам:
2. равенство скоростей цифровой обработки сигналов в аналого-цифровых преобразователях на передаче и цифро-аналоговых преобразователях на приеме.
3. равенство скоростей в процессе объединения и разделения цифровых потоков оборудования временного группообразования и их распределения по длительности цикла.
4. синхронную работу устройств регенерации цифровых сигналов.
Для нормального взаимодействия передающей и приемной частей ЦСП используется синхронизация следующих видов: по тактовой частоте (тактовая синхронизация), по кодовым группам, по циклам (цикловая синхронизация) и сверхциклам (сверхцикловая синхронизация).
Тактовая синхронизация обеспечивает равенство скоростей обработки сигналов (кодирование и декодирование отсчетов, объединение и разделение цифровых потоков) на передающей и приемной станциях. Для этого генераторное оборудование оконечной станции управляется (синхронизируется) тактовой частотой передающей станции.
Цикловая синхронизация, или синхронизация по циклам обеспечивает правильное разделение каналов, т.е. поступление декодированных АИМ сигналов определенных каналов в приемную часть этих же каналов (синфазность). Нарушение правильного распределения приводит к поступлению сигналов одного канала в приемное устройство другого канала. В этом случае возникают взаимные влияния между каналами в виде внятного или невнятного переходного разговора.
Сверхцикловая синхронизация обеспечивает правильное распределение каналов СУВ в заданном канальном интервале. Реализация любого вида синхронизации основана либо на использовании статистических свойств информационного сигнала, либо на использовании избыточности группового цифрового сигнала путем ввода в его структуру специального сигнала – синхросигнала.
Для организации тактовой синхронизации, как правило, используется первый способ, для всех иных видов синхронизации используется второй способ, т.е. ввод в структуру группового цифрового потока синхросигнала (СС). Совокупность устройств, обеспечивающих передачу и прием СС, называется каналам синхронизации (КС).
8.2 Тактовая синхронизация.
Совокупность устройств, обеспечивающих синхронную работу ГО приемной и передающей станций ЦСП, а также качественное функционирование станционных и линейных регенераторов, называется устройствами тактовой синхронизации (УТС). Реализация УТС во многом зависит от способов формирования синхросигнала и его использования для синхронизации ГО оконечных станций.
1.Передачу сигнала тактовой синхронизации (или периодической последовательности импульсов, следующих с тактовой частотой) по специальной паре жил кабеля или по отдельному каналу. Очевидно этот способ неэкономичен и, кроме того, сопряжен со значительными трудностями точное коррекции фазовых соотношений с целью получения одинакового группового времени прохождения (ГВП) для частотных составляющих. Несущих рабочую и хронирующую информацию.
2. Выделение хронирующего сигнала из группового ИКМ сигнала на станции приема. Возможность фильтрации или выделения тактовой тактовой частоты из группового ИКМ сигнала основана на том, что в спектре случайной однополярной последовательности импульсов (рис.8.1.а) длительность которых меньше длительности периода их следования T, содержится регулярная (периодическая) составляющая – тактовая частота.
Действительно, случайную однополярную последовательность со скважностью q=T/τ=2 (рис.8.1.а) можно представить в виде двух составляющих: регулярной (рис.8.1.в).
Причем в спектре регулярной составляющей содержится первая гармоника частоты следования импульсов f=1/T , в спектре случайной, среднее значение амплитуды импульсов которой равно нулю, -тактовая частота и ее гармоники отсутствуют. Амплитуда импульсов регулярной составляющей равна среднему значению амплитуды импульсов однополярной последовательности, а частота следования совпадает с тактовой частотой.
8.1. Разделение последовательности Рис.8.2.Получение тактовой частоты
импульсов «затянутых на тактовый интервал», из последовательности «затяну на тех периодическую и случайную составляющие на тактовый интервал».
Рис.8.1. разложение случайной однополярной последовательности импульсов (а) на регулярную (б) и случайную (в) составляющие: г- выделенная регулярная составляющая – тактовая частота.
Часть УТС, обеспечивающая фильтрацию тактовой частоты, называется выделителем тактовой частоты (ВТЧ).
Если групповой ИКМ сигнал представляет случайную последовательность импульсов со скважностью q = 1 (рис.8.2.а), так называемой последовательности импульсов, затянутых на тактовый интервал. То его энергетический спектр вообще не содержит дискретной части (тактовой частоты и ее гармоник) и, следовательно, выделение тактовой частоты составляет определенные трудности. Возможен вариант разделения этой последовательности на регулярную составляющую (рис.8.2.б) и дискретную (рис.8.2.в), путем преобразования исходной последовательности импульсов в двух полярную последовательность, из которой можно выделить тактовую частоту.
Для выделения тактовой частоты из однополярной последовательности импульсов с q = 1 можно использовать принцип выделения фронтов сигнала. С этой целью формируется вспомогательная последовательность (рис.8.3.б), полученная из исходной последовательности (рис.8.3.а) сдвигом на половину тактового интервала. Вычитание из исходной последовательности (рис.8.3.а) последовательности (рис.8.3.б) приводит к получению двух полярной последовательности (рис.8.3.в) со скважностью q = 2 и тактовой частотой, равной, как следует из рисунка, тактовой частоте исходной последовательности. В результате выпрямления двух полярной последовательности (рис.8.3.в) формируется однополярный сигнал с тактовой частотой, равной тактовой частоте случайной исходной последовательности импульсов, и скважностью, равной q = 2 (рис.8.3.г). В спектре этой последовательности содержится дискретная составляющая с частотойfT.
Один из вариантов структурной схемы УТС, состоящей из выделителя тактовой частоты и формирователя из нее синхросигнала, приведен на рис.8.4.
Рис.8.4. Структурная схема устройства тактовой синхронизации.
Групповой ИКМ сигнал поступает на узкополосный фильтр тактовой частоты УПФТЧ, выделяющий из регулярной составляющей группового ИКМ сигнала тактовую частоту. В простейшем случае УПФТЧ представляет сигнала тактовую частоту. В простейшем случае УП ФТЧ представляет собой параллельный резонансный контур. Под воздействием импульсов ИКМ сигнала на выходе контура возникают затухающие гармонические колебания с тактовой частотой. Далее эти гармонические колебания усиливаются и ограничиваются по амплитуде усилителе-ограничителе УО. На выходе УО имеем ограниченный по амплитуде (или клиппированный) гармонический сигнал. После прохождения клипированного сигнала через дифференцирующую цепь ДЦ получаем двухполярную последовательность стробирующих импульсов, которая преобразуется в последовательность однополярных импульсов, следующих с тактовой частотой fT. Далее эта последовательность поступает на формирователь периодической последовательности прямоугольных импульсов ФППИ, заданной амплитуды и следующих с тактовой частотой fT.ФППИ, в простейшем случае, представляет собой ждущий мультивибратор, формирующий импульсы заданной возбуждающего сигнала. Для подстройки фаз тактовой частоты синхросигнала и тактовой частоты синхронизируемого ГО используется регулируемая линия задержки РЛЗ.
Рассмотренная схема УТС использует так называемый резонансный метод выделения тактовой частоты, достоинством которого является простота реализации, и как следствие, улучшение экономических показателей системы, что важно для систем передачи местных или зоновых первичных сетей. Недостатки УТС резонансного типа: быстрое пропадание тактовой частоты при перерывах связи (нет импульсов, возбуждающих резонансный контур – УПФТЧ) или при появлении в принимаемом групповом ИКМ сигнале длинных серий нулей: зависимость стабильности выделенной тактовой частоты (а следовательно, и точности фазирования) от длины серии нулей (характера кодовых комбинаций или структуры линейного цифрового сигнала) и стабильности УПФТЧ, а также от скорости передачи группового ИКМ сигнала, ограниченной параметрами переходного процесса на выходе УПФТЧ. В основе построения рассмотренного УТС лежит так называемый метод пассивной фильтрации.
Более совершенным, но и более сложным, является УТС с использованием фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) генераторов тактовой частоты приемного оборудования или УТС. Эти УТС получили большое распространение в ЦСП различного вида и различной иерархии благодаря своим достоинствам и простоте реализации на основе современной элементной базы. Устройства ФАПЧ могут быть с непосредственным воздействием на задающий генератор (ЗГ) тактовой частоты пункта приема и с воздействием на промежуточный преобразователь (ПП) тактовой последовательности импульсов.
Структурные схемы УТС с активной фильтрацией представлены на рис.8.5.
Рис.8.5. Структурные схемы УТС с фазовой автоматической
подстройкой частоты.
В схеме с непосредственным воздействием на ЗГ (рис.8.5, а) с выхода ВТЧ периодическая последовательность импульсов с частотой следования fT поступает на один из входов фазового дискриминатора ФД, на второй вход которого поступает периодическая последовательность с частотой fT от ЗГ приемной станции. Если сигналы fT и совпадают по фазе, то управляющее напряжение на выходе ФД Uуп= 0 и ЗГ генерирует частоту fT, которая поступает далее на соответствующие устройства формирования ИКМ сигнала. Если частоты fT не раны (расходятся по фазе), то управляющее напряжение на выходе ФД Uуп не равно нулю, его значение и знак зависят от разности фаз сигналов fT . Так как напряжение Uуп через интегратор – фильтр нижних частот ФНЧ, знак и амплитуда постоянной составляющей на выходе. Которого определяется разностью фаз сигналов fT . Далее этот сигнал усиливается усилителем постоянного тока УПТ и осуществляет подстройку частоты ЗГ под частоты ЗГ под частоту fT, поступающую от ВТЧ.
В схеме рис.8.5.б тактовая частота ЗГ изменяется за счет изменения числа импульсов, поступающих на вход делителя частоты (ДЧ) через схему управления СУ. Управление осуществляется сигналом с выхода ФД, прошедшим через цифровой интегратор, выполненный на основе реверсивного счетчика РС. Один из вариантов построения устройства активной фильтрации (ФАПЧ) тактовой частоты с непосредственным воздействием на ЗГ приемной станции приведен на рис.8.6. Схема работает таким образом.
Последовательность входных импульсов от ВТЧ поступает на ФД, состоящий из двух триггеров D1,D2, и соединенных с ними усилителей Ус1 и Ус2. На второй вход ФД поступают импульсы с выхода формирователя тактовых импульсов ФТИ генератора тактовой частоты (ГТЧ) приемной станции. При совпадении частот следования этих импульсных последовательностей интервал времени между их фронтами равен четверти периода T1. Фронтом импульсов ФТИ устанавливается триггер D2и сбрасывается триггер D1, фронтом импульсов от ВТЧ состояние триггеров меняется на противоположное. При этом на входы Ус1 и Ус2 , эти импульсы формируют на выходах усилителей одинаковые по величине и противоположно направленные напряжения. При этом входное напряжение Ус2заряжает конденсатор С, выполняющий роль интегратора (конденсатор С совместно с резистором Rобразуют RC фильтр нижних частот). Выходное напряжение Ус1 разряжает конденсатор С.
При совпадении частоты ГТЧ с тактовой интервалы времени зарядка и разрядка конденсатора одинаковы, при этом напряжение на конденсаторе сохраняется не низменным. Снимаемое с конденсатора напряжение обеспечивает смещение варикапа VD, устанавливая определенные значения его емкости и, следовательно, частоты ГТЧ.
Не совпадение частот следования импульсов ВТЧ и импульсов от ФТИ вызывает изменение фазового сдвига между ними, что приводит к неравенству длительностей импульсов на выходах D1и D2. Напряжение на конденсаторе изменяется, изменяя емкость варикапа VD и частоту ГТЧ. Происходящие при этом в схеме процессы поясняются временными диаграммами (рис.8. 6.б).
Рис.8.6. Функциональная схема (а) и временные диаграммы (б) устройства
активной фильтрации тактовой частоты.
8.3.Тактовая сетевая синхронизация. Фазовые дрожания.
Под действием внешних помех, изменения параметров передачи среды распространения линейного цифрового сигнала, погрешностей функционирования системы тактовой синхронизации на приеме неизбежно возникают определенные нарушения временных соотношений в ИКМ сигнале и, в конечном итоге, в АИМ сигнале на выходе канального селектора. Эти нарушения называются фазовыми дрожаниями (ФД). Наличие ФД в принятом на приемном конце цифровом сигнале приводит к флуктуациям тактовой частоты, выделяемой в приемном оконечном оборудовании. При этом принятый после декодирования АИМ сигнал будет модулирован по временному положению импульсов отсчетов, т.е. будет иметь место паразитная фазо-импульсная модуляция (ФИМ), что может привести к взаимному влиянию между каналами и искажениям восстанавливаемого сигнала. Если исходный аналоговый сигнал описывается функцией c(t), то при наличии ФД этот сигнал может представлен фазомодулированной последовательностью отсчетов в виде
Где Tд – номинальный период дискретизации:- временное отключение отсчетов от их номинального положения.
Расчеты показывают, что в ЦСП ИКМ-ВРК при защищенности от помех, вызванных ФД, не менее 40 дБ, эффективное значение флуктуаций отсчетов сигнала на выходе канального селектора тракта приема не должно превышать 810 нс. Эта величина соответствует, например, семи тактовым интервалам цифрового потока E2.При передаче по трактам ЦСП ИКМ-ВРК группового многоканального сигнала систем передачи с частотным разделением каналов при допустимой мощности переходных помех 250 мВт и защищенности канала тональной частоты не хуже 30 дБ допустимая величина ФД не должна превышать 0,3….4 нс в зависимости от ширины спектра флуктуаций. Эти величины составляют доли тактового интервала даже для высокоскоростной ЦСП. Поэтому для выполнения требований к допустимой величине временных флуктуаций на выходе тракта предусматривают включение подавителей ФД.
Проскальзывания - Цифровая сеть, в которой передача и коммутации производятся с использованием основных цифровых каналов (ОЦК) со скоростью 64 кбит/с и трактов с более высокими скоростями, не может нормально функционировать без применения сетевой синхронизации. Все операции по обработке сигналов в ЦСП и цифровых системах коммутации (ЦСК) должны выполняться синхронно и в строгой последовательности. Этим обеспечивается высокое качество обработки цифровых сигналов и их коммутация в соответствии с принципами работы аппаратуры. На каждой цифровой коммутационной станции (ЦКС) скорость обработки сигналов задается одним станционными генератором (СГ).
Для выравнивания скоростей передачи и скоростей коммутации на стыках ЦСП и ЦКС включаются устройства буферной памяти (БП) так, что запись входной информации происходит на скорости поступающего цифрового сигнала, а считывание – на скорости местного генератора (рис.7). Блок БП предназначен для удаления фазовых дрожаний тактовый частоты, обусловленных ЦСП. В ЦКС-1 запись информации в БП производится с помощью восстановленной из цифрового сигнала ЦСП тактовой частоты fT1, а считывание осуществляется с частотой станционного (местного) генератора СГ-1 fсг1. Если среднее значение тактовой частоты fT1 , то блок БП постепенно опустошается или переполняется в зависимости того, какая из частот больше.
Контрольные вопросы.
1. Назовите основные виды синхронизации в ЦСП ИКМ-ВРК и их назначение.
2. Основные требования, предъявляемые к системам синхронизации, и их физическая сущность.
3. Способы организации тактовой синхронизации.
4. Сущность пассивной фильтрации тактовой частоты.
5. Сущность активной фильтрации тактовой частоты.
6. Структурная схема выделителя тактовой частоты и временные диаграммы его работы.
7. Фазовые дрожания, причины их возникновения, их оценка и влияние на количество передачи различных сообщений.
8. Проскальзывания, причины их возникновения и влияние на качество передачи различных сообщений.
9. Принципы нормирования количества проскальзывании.
10. Необходимость тактовой сетевой синхронизации.
11. Принципы построения тактовой синхронизации.
12.Требования к источникам сигналов тактовой синхронизации, их классификация.
13. Обобщенная схема передачи сигналов тактовой синхронизации в сети синхронной цифровой иерархии.
ЛЕКЦИЯ № 9. Линейный тракт цифровых систем передачи.
9.1. Линейный тракт цифровых систем передачи по электрическим
кабелям.
Совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сигнала электросвязи в пределах одной цифровой системы передачи с импульсно-кодовой модуляцией и временным разделением каналов (ЦСП ИКМ-ВРК) со скоростью , определяемой номинальным числом основных цифровых каналов (ОЦК), называется линейным трактом цифровой системы передачи (далее цифровой линейным тракт ЦЛТ).
Групповой цифровой сигнал, сформированный каналообразующим оборудованием ЦСП, может передаваться по электрическим (как симметричным, так и коаксальным) и волоконно-оптическим кабелям, радиорелейным и спутниковым линиям передачи. Цифровой линейный тракт по электрическим и оптическим кабелям строится по структурной схеме, показанной на рис.9.1
Рис.9.1. Структурная схема цифрового линейного тракта.
Он содержит передающее и приемное оборудование оконечных пунктов ОЛТ – ОП, участки направляющей среды (НС) и линейные регенераторы (РЛ) , размещаемые в регенерационных пунктах (РП), которые могут быть не обслуживаемыми НРП и обслуживаемыми ОРП. Электропитание НРП осуществляется дистанционно с ОРП , которые, кроме того, обеспечивает контроль основных параметров ЦЛТ и состояния оборудования НРП.
Линейный тракт, как правило, четырехпроводный и может быть организован по однокабельной или двухкабельной схемам.
Рисунок 9.2 Схема организация связи
Расстояние между НРП lру называется регенерационным участком (РУ), расстояние между ОРП называется секцией дистанционного питания или (реже) секция обслуживания.
Для формирования с помощью преобразователя кода передачи ПКпер линейного цифрового сигнала (ЛЦС) на передающей оконечной станции и обратного преобразования с помощью преобразователя кода приема ПКпрмна приёмной оконечной станции предназначено ОЛТ-ОП.
Регенераторы служат для восстановления первоначальной формы импульсов, их амплитуды, длительности и временных положений, которые претерпевают ослабление (затухание), различного вида искажения и воздействие помех. Источниками искажений формы импульсов ЛЦС является кабельные линии и устройства согласования (УС) входного сопротивления станционного оборудования (ОП, НРП, ОРП) и волнового сопротивления кабельной пары.
Регенерационный участок можно представить в виде линейного четырехполюсника, амплитудно-частотная (АХЧ) и фазо-частотная (ФЧХ) характеристики которого в основном определяются параметрами передачи кабеля и УС. Затухание кабеля растет с увеличением частоты, что неизбежно приводит к ограничению и искажению электрического спектра ЛЦС сверху. Однако полоса пропускания каждого РУ ограничивается не только сверху, но и снизу. Ограничение полосы снизу объясняется, в частности, тем, что в структуру регенерационного участка входят трансформаторы, служащие для перехода от неуравновешенных (несимметричных) относительно земли входных зажимов аппаратуры оконечных станций и регенераторов к симметричным кабельным парам. Эта трансформаторы не пропускают постоянную составляющую и ослабляют низкочастотные составляющие электрического спектра ЛЦС.Цифровой ИКМ сигнал c(t)на выходе ОЛТ- ОП представляет случайную последовательность однополярных импульсов постоянной амплитуды и длительности и пробелов (нулей) также постоянной длительности (рис.9.2). Энергетический спектр такого сигнала при одинаковых априорных вероятностях появления единиц и нулей в любом разряде кодовой группы и независимости отдельных символов друг от друга, может быть представлен в форме
, (9.1)
где T – период следования импульсов для случая периодической последовательности; τи – длительность импульса;S(ωτи) – модуль спектральной плотности одиночного импульса, определяющий форму непрерывной части энергетического спектра и огибающей его дискретной части; α0 – среднее значение амплитуды импульса и их дисперсия . Энергетический спектр последовательности прямоугольных импульсов представлен на рис.9.2,б
Рис.9. 2. Энергетический спектр цифрового ИКМ сигнала.
Из этого рисунка следует, что дискретная часть спектра содержит постоянную составляющую и нечетные гармоники тактовой частоты ωТ . Первая гармоника может быть выделена узкополосным фильтром и использована для тактовой синхронизации. При этом непрерывная часть спектра, попадающая в полосу пропускания неточно настроенного фильтра, является помехой в канале выделения тактовой частоты и вызывает фазовые дрожания синхронизирующего напряжения.
Недостатки такого сигнала: 1) Относительно большая мощность высокочастотных составляющих дискретной и непрерывной частей энергетического спектра; 2) большой удельный вес низкочастотных составляющих непрерывной части.
Явления, происходящие в ЦЛТ из-за ограничения полосы частот снизу и сверху, по всей физической сущности одинаковы с переходными влияниями в групповом АИМ тракте. Различие состоит в том, что в групповом АИМ тракте имеют место переходные влияния между различными каналами системы, а в ЦЛТ влияют друг на друга импульсы линейного цифрового сигнала, принадлежащие к кодовым группам одного или разных каналов. Такие переходные влияния называются межсивольными искажениями. Межсимвольные искажения, обусловленные ограничением полосы частот ЦЛТ сверху, называется межсимвольными искажениями 1-го рода. Наиболее сильно влияют друг на друга символы, расположенные в соседних тактовых интервалах. Воздействие двух импульсов друг на друга приводит, в частности , к тому, что амплитуды этих импульсов получаются моменты появления импульсов (фазовые дрожания), что вызывает дополнительные помехи в канале выделения тактовой частоты и ухудшает работу системы тактовой синхронизации. Влияние импульсов на пробелы (нули) приводит к тому , что в моменты стробирования бестоковых посылок (нулей) напряжение на выходе решающего устройства отличается от нуля и помехоустойчивость регенератора снижается.
Межсимвольные искажения, обусловленные ограничением полосы частот ЦЛТ снизу, называются межсимвольным искажениями 2-го рода. Ограничение полосы частот снизу приводит к подавлению постоянной и низкочастотной составляющих цифрового сигнала и образованию хвостов переходного процесса. Суммарное напряжение хвостов всех предыдущих импульсов воздействует на каждый последующий импульс, изменяя случайным образом его амплитуду. Помимо передачи цифрового сигнала, содержащего низкочастотные составляющие, по парам кабеля необходимо передавать постоянный ток дистанционного питания (ДП) НРП, а это приводит к проблеме разделения постоянной составляющей цифрового сигнала итока ДП в НРП. Естественно, что ИКМ сигналы (рис.9.3) не могут быть использованы для передачи по линейному тракту, представляющему собой полосовой фильтр с граничными частотамиfгн и fгв , без существенных межсимвольных искажений и ошибок. Для уменьшения искажений необходимо изменить структуру ИКМ сигнала в соответствии с особенностями конкретного ЦЛТ и типа кабеля. Для этого ОЛТ-ОП содержат преобразователи кода передачи (ПКпер) и приема (ПКпрм). Первый предназначен для преобразования входного ИКМ сигнала в такой сигнал, энергетический спектр которого был бы максимально согласован с параметрами передачи ЦЛТ, и , прежде всего, с частотной характеристикой затухания регенерационного участка, т.е. должен максимально возможно укладываться в полосу частот fгн и fгв . ПКпрм предназначен для обратных преобразований. Можно сказать, что ПКпер и ПКпрм выполняют операции линейного кодирования с целью формирования линейного цифрового сигнала (ЛЦС) с использованием соответствующих линейных кодов и линейного декодирования соответственно.
Основными параметрами ЦЛТ, определяющими качество передачи ЛЦС, являются:
1. коэффициент ошибок Кош , равный отношению числа ошибочно регенерированных символов к общему числу переданных;
2. фазовые дрожания, определяемые отношением отклонения временного положения регенерированных символов от тактовых точек к длительности тактового интервала Т(рис.9.3.а)
Отметим, что при теоретических расчетах и оценках определяется вероятность ошибки pош ,а не Кош.
Контрольные вопросы.
1. Обобщенная структурная схема ЦЛТ, назначение основных блоков и требования к ним.
2. Назовите основные причины искажения сигналов в цифровых линейных трактах (ЦЛТ).
3. Назовите основные параметры ЦЛТ. Принципы их оценки.
4. Основные требования, предъявляемые к структуре линейного цифрового сигнала (ЛЦС). Их физическая сущность.
5. Основные параметры ЛЦС и их физическая сущность.
6. На вход преобразователя кода передачи (ПКпер) , работающего в коде с чередованием полярности импульсов (ЧПИ), поступает следующая реализация ИКМ группового сигнала:….0111000101010 … . Каким будет ЛЦС?
7. Основными параметрами ЦЛТ, определяющими качество передачи ЛЦС,
ЛЕКЦИЯ № 10. Формирование кодов и цифровых линейных трактов (ЦЛТ) и оценка их параметров.
10.1 Линейные коды.
Выбор вида линейного кода (кода передачи) зависит прежде всего от типа используемой для передачи линии связи. Линейный сигнал может отличаться от исходного преобразуемого кода длительностью импульсов, полярностью, числом возможных уровней, тактовой частотой (скоростью передачи) и т.д. Вместе с тем при выборе и построении того или иного кода учитывают ряд свойств, которыми должен обладать этот код (линейный сигнал):
- энергетический спектр линейного кода должен быть как можно более узкополосным, что упрощает коррекцию линейного сигнала на приемной стороне и позволяет увеличить длину регенерационного участка. Кроме того, ослабление высокочастотных составляющих снижает переходные влияния между парами симметричного кабеля, а при использовании в ЦЛТ коаксиальных кабелей уменьшает собственные шумы на входе регенератора;
- содержание низкочастотных компонентов должно быть минимальным, что снижает флюктуации уровня сигнала;
- форма линейного сигнала должна обеспечивать достаточно простое выделение из принятого сигнала составляющей тактовой частоты, необходимой для тактовой синхронизации приемного генераторного оборудования;
- возможно более низкая скорость передачи линейного сигнала, что снижает требования к широкополосности линии связи;
- код должен быть в достаточной мере помехоустойчивым (при заданной средней мощности сигнала в линии должна обеспечиваться допустимая вероятность ошибки в условиях воздействия неустранимых помех);
- структура кода должна обеспечивать обнаружение ошибок в процессе эксплуатации за счет обнаружения нарушения структуры кода без использования дополнительной информации, передаваемой по линейному тракту. При этом устройства обнаружения ошибок должны быть достаточно простыми;
- избыточность кода должна быть минимально возможной;
- отсутствие в линейном коде постоянной составляющей, что устраняет изменения среднего уровня сигнала и позволяет использовать согласующие линейные трансформаторы для разделения линейного сигнала и тока дистанционного питания. Линейный трансформатор не должен вносить существенные искажения в форму линейного сигнала, поскольку наличие таких искажений увеличивают вероятность ошибки;
- желательно, чтобы методы преобразования и преобразователи двоичного кода в линейный на передающей стороне и обратное преобразование на приемной стороне всех оконечных и промежуточных пунктов были достаточно простыми.
Указанным требованиям в полной мере не удовлетворяет ни один из известных линейных кодов. Поэтому в разных ЦСП преобразования двоичного RZ или NRZ кода в линейный сигнал могут различаться алгоритмом формирования кодовых групп, основанием кода, числом уровней сигнала. В зависимости от этого тактовая частота (скорость передачи) может сохранятся неизменной, либо изменятся в сторону увеличения или уменьшения.
С целью повышения стабильности признаков тактовой частоты для большинства двоичных ИКМ сигналов требуется дополнительное преобразование ИКМ сигнала путем изменения его статистических свойств. Если изменение статистических свойств исходного ИКМ сигнала происходит при некоторых определенных условиях (например, заданном количестве подряд следующих 0), то в результате формируются так называемые неалфавитные коды.
Если же статистические свойства исходного ИКМ сигнала изменяются путем деления на группы с постоянным числом тактовых интервалов и последующего преобразования этих групп по определенному алфавиту в группы символов кода с другим основанием (больше двух), и, как правило, с новым количеством тактовых интервалов, то в результате формируются алфавитные коды.
Для линейных трактов ЦСП, использующих электрические кабели, основные типы кодов и соответствующие им линейные цифровые сигналы показаны на рис.10.1. На рис. 10,1, а приведена случайная реализация цифрового ИКМ сигнала на выходе формирователя или оборудования временного группообразования (мультиплексирования). Этот двоичный (ДВС) сигнал представляет случайную однополярную последовательность символов 1 и 0, энергетический спектр которой описывается выражением (2).
На рис.10.1, б представлен абсолютный биимпульсный сигнал (АБС). При формировании кода АБС вместо каждой единничной посылки исходного ДВС длительностью τи передается двухполярная посылка вида (+/-) длительностью 2τи, а вместо каждой единичной посылки исходного ДВС передается двухполярная посылка вида (-/+) длительностью также 2τи . Сигналы вида (+/-) и (-/+) называются биимпульсными и обладают важными достоинствами: высокая помехозащищенность, простота преобразования двоичного сигнала в биимпульсный, возможность выделения тактовой частоты вне зависимости от статистических свойств исходного ДВС, возможность использования пороговых устройств в линейных регенераторах с пороговым напряжением, равным нулю. Однако частота следования биимпульного сигнала практически приводит к увлечению вдвое тактовой частоты ЛЦС.
В АБС символ, соответствующий 1, является негативной копией сигнала, представляющего 0. Однако во многих средах передачи может оказаться невозможным определение абсолютной полярности или эталона абсолютной фазы. Следовательно, преобразователь кода приема (ПКпрм) может представить все единицы нулями, а все нули – единицами.
Рис.10.1. Линейные коды цифровых систем передачи по ЭК.
Для устранения этого недостатка используется относительный биимпульсный код (ОБС) (рис.10.1,к) , в котором 1 кодируется изменением предыдущего состояния, а 0 – сохранением состояния. Таким образом, при линейном декодировании такого ЛЦС в Ппрм абсолютный эталон фазы не требуется. При обратном преобразовании просто определяется состояние сигнала в предыдущем интервале: если произошло изменение, то фиксируется 1, в противном случае фиксируется 0.
Рис.10.2. К формированию кода ЧПИ.
В ЦСП значительное распространение получили алфавитные коды типа nBkM,где n-число символов в кодируемой двоичной группе; B (Binary) указывает, что в исходной последовательности используется двоичное основание счисления (рис 12.1 а); k– число символов в группе линейного кола; М – буква, отражающая кодовое основание счисления линейного кода, например:T- третичная (Ternary), Q – четверичная (Quaternary) и т.д. Наиболее простым из этого вида кодов является код вида 1B1T (для которого n = 1, k = 1 и M = 3, т.е. один символ двоичного кода преобразуется в в один символ троичного кода). Такой простейший алфавитный код называется кодом с чередованием полярности импульсов - ЧПИ (или Alternate Mark Inversion – AMI), двоичный код с изменением полярности сигнала на каждой единице, нуль передается отсутствием сигнала. В результате формируется двух полярный трехуровневый или квазитроичный код и соответствующий ему ЛЦС.
Преобразование исходной двоичной последовательности (рис.10.3,а) в квазитроичной код типа ЧПИ приведено на рис.10.3,в. Как следует из этого рисунка, нули исходной двоичной последовательности преобразованию не подвергаются, а единичные посылки меняют полярность на обратную по отношению к предыдущей единичные посылке. Любая ошибка, появившаяся при передаче (формирование положительного или отрицательного импульса вместо нуля, изменение полярности импульса, формирование пробела вместо кодового импульса), вызывает нарушение закона чередования полярности импульсов, что может быть легко обнаружено. Благодаря указанному принципу преобразования в энергетическом спектре ЛЦС исключается постоянная составляющая. При этом цифровая сумма Z, определяемая выражением (.2), не будет выходить за пределы +0,5 и -0.5 амплитуды импульсов.
Код ЧПИ (вырожденный алфавитный код вида 1B1T) имеет высокую избыточность, но основным его недостатком является трудность выделения тактовой частоты( необходимой для обеспечения устойчивой работы регенераторов – устройства выделения тактовой частоты) при длинных сериях нулей (пробелов) в исходной двоичной последовательности. Поэтому в линейном цифровом сигнале длинные серии нулей (пробелов) недопустимы.
От вышеуказанных недостатков в некоторой степени свободны модифицированные коды ЧПИ (МЧПИ), также называемые кодами с высокой плотностью единиц порядка N (КПВ-N) или HDB-N(High Density Bipolar fodder), в которых повышена вероятность формирования импульсов по сравнению с исходным двоичным сигналом.
В кодах HDB-N(КПВ-N) , где N- допустимое число следующих подряд нулей, каждая группа из N+1g последовательных нулей заменяется групповой символов той же длины вида B0…0V или 0…0V, где B – импульс, сохраняющий правило кодирования ЧПИ, V- импульс, нарушающий это правило. На приеме во время восстановления исходного сигнала замещающая комбинация обнаруживается при анализе структуры линейного сигнала и заменяется соответствующим числом пробелов. Среди кодов HDB-N(КПВ-N) наибольшее распространение получил код HDB-3 (КВП-3), рис.10.1, г . Принцип построения кода HDB-3 (КВП-3), такой же, как и кода и ЧПИ, до тех пор, пока между единицами исходного ДВС не появляется более трех, следующих подряд нулей. В случае, если в двоичном коде появляется четыре или более нулей, каждая комбинация из четырех последовательных нулей заменяется последовательностями, приведенными в табл. 10.1.
Таблица 10.1.
10.2 Коды с высокой плотностью единиц.
Недостаток кода ЧПИ – возможность появления длинных последовательностей «нулей» и связанная с этим возможность сбоя тактовой синхронизации устраняется в так называемых кодах с высокой плотностью единиц (КВП-n), которые являются модификациями кода ЧПИ (МЧПИ). В коде КВП-n количество нулей, следующих подряд, не должно превышать n. Обычно величина n=2 (код КВП-2) и n=3 (код КВП-3). Если в преобразуемой последовательности число подряд следующих «нулей» не превышает n, то последовательность символов линейного кода формируется по правилу формирования кода ЧПИ. При появлении числа «нулей» больше n каждая группа из n+1 нулей заменяется определенной кодовой комбинацией той же длины (n+1), состоящей из «единиц» и «нулей». Структура этой комбинации выбирается такой, чтобы она обеспечивала чередование полярностей импульсов в ней и обеспечивала нарушение биполярности в формируемом линейном коде. Это позволяет сбалансировать код и, как следствие, снизить плавание базовой линии до допустимой величины, а так же позволяет на приемной стороне восстановить нарушенные последовательности «нулей».
Из семейства кодов с высокой плотностью единиц наиболее широко используются КВП-3. В частности, этот код используется в первичных, вторичных и четверичных ЦСП (ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480). В этом коде (английская аббревиатура HDB-3) группа из 4-х «нулей» замещается кодовой комбинацией B00V или 000V. Импульс B формируется, если между соседними группами их 4-х «нулей» число «единиц» четное, т.е. импульс В дополняет число «единиц» между двумя «паузами» из 4-х «нулей» до нечетного числа. Полярность импульса. В всегда противоположна полярности предыдущего импульса. Импульс V формируется постоянно при обнаружении группы из 4-х нулей, а его полярность совпадает с полярностью предыдущего импульса. Последовательное изменение полярности импульса V, нарушающего чередование полярности импульсов в кодовой последовательности, выравнивает число положительных и отрицательных импульсов в линейном коде. На рис.10.3 приведен пример формирования кода КВП-3.
Рисунок 10.3 Формирования кода КВП-3
Воздействие любой одиночной ошибки приводит либо к нарушению правила чередования полярности импульсов, либо уничтожает ранее введенное нарушение закона чередования полярности. В обоих случаях ошибка обнаруживается по нескомпенсированности нарушения полярности импульсов.
Вместе с тем, коду КВП-3 свойственно явление размножения ошибок. Случайные ошибки могут вызывать в процессе преобразования линейного кода КВП-3 в двоичный код появление дополнительных ошибок. Например, если в переданной группе +1 0 -1 +1 искажается символ -1, то на приеме группа +1 0 0 +1 будет воспринята как комбинация B00V, которая будет замещена на 0000. Таким образом, вместо одной ошибки появятся три. Считается, что значение коэффициента размножения ошибок в процессе декодирования может составлять от 1,18 до 1,26.
Упрощенная структурная схема преобразователя униполярного двоичного сигнала в код КВП-3 приведена на рис. 10.4.
Рисунок 10.4 Упрощенная структурная схема преобразователя
униполярного двоичного сигнала в код КВП-3
Преобразуемый униполярный ИКМ-сигнал поступает в 4-разрядный регистр сдвига. Если в ИКМ-сигнале отсутствуют последовательности из 4-х и более «нулей», то ИКМ-сигнал, задержанный в регистре сдвига, поступает в устройство разделения, где разделяется на две последовательности - последовательность импульсов нечетных (нчт) и последовательность импульсов четных (чт) разрядов. Эти последовательности без нарушения полярности импульсов поступают на вход формирователя биполярного сигнала. Если же обнаружитель последовательности 0000 определит наличие в регистре последовательности из четырех «нулей», то он (обнаружитель) выдает в регистр сигнал, который переводит регистр из последовательного в параллельный режим работы, тем самым разрешает запись в его ячейки комбинации К001.
Обнаружитель четности постоянно формирует кодовую комбинацию К001 в параллельном коде. Значение К может быть равно 0 или 1. Значение К=1 при четном числе импульсов на выходе регистра и К=0 – при нечетном (что соответствует правилу формирования кода КВП-3). Кроме того, импульс с выхода обнаружителя последовательности 0000 поступает в устройство нарушения полярности, где после задержки на временной интервал между позициями В и V импульсов (равный 2-м тактовым) формируется соответствующий сигнал для нарушения чередования полярности импульсов на выходе формирователя биимпульсного сигнала. С выхода формирователя биимпульсного сигнала линейный сигнал поступает в линию связи.
На приемной стороне восстанавливается форма и структура переданного сигнала, для чего из принятого сигнала исключаются комбинации B00V и 000V (т.е. обнаруживаются и восстанавливаются переданные группы 0000). Обнаружение группы 0000 осуществляется по следующим признакам:
- наличие импульсов с одинаковой полярностью с предыдущем на четвертом (i) тактовом интервале этой кодовой комбинации;
- отсутствие импульсов с полярностью, противоположной полярности предыдущего импульса, на третьем (i-1), втором (i-2) и первом (i-3) тактовых интервалах;
- наличие импульсов на (i-4) тактовом интервале, предшествующем
Контрольные вопросы.
1. На вход преобразователя кода передачи (ПКпер), работающего в коде с высокой плотностью единиц типа HDB-3, поступает следующая реализация ИКМ группового сигнала : …011100000101011100001….. Каким будет ЛЦС?
2. Временной диаграмма коде абсолютного биимпульсного сигнала (АБС).
3. Временной диаграмма коде CMI (Coding Mark Inversion) .
4. В ЦСП какой алфавитные коды получил значительное распространение?.
5. На вход преобразователя кода приема ПКпрм поступает следующая реализация ЛЦС … + - 0 + 0 - - + + 0 - + - 00. Известно, что ПКпер работает сПИТ кодом. Какой вид примет эта реализация на выходе ПКпрм.
6. Принцип преобразование исходной двоичной последовательности в квазитроичной кода типа ЧПИ.
ЛЕКЦИЯ № 11. Регенерация сигналов в ЦЛТ.
11.1 Принципы построения и классификация регенераторов.
Линейный цифровой сигнал (ЛЦС), проходя по линии связи, испытывает ослабление, подвергается воздействию различного вида помех и искажений, что приводит к деформациям формы и длительности импульсов, уменьшению их амплитуды и случайным временным сдвигам и задержкам сигнала (рис.11.1).
Рис.11.1. Искажение сигнала ИКМ;
а - сигнал в начале линии; б – то же в конце; в - изменение временного интервала между импульсами.
Для устранения или уменьшения указанных деформаций ЛЦС в линейном тракте через определенные расстояния устанавливаются линейные регенераторы (ЛР), задача которых состоит в восстановление сигналов, коррекции постоянных и переменных амплитудное-частотных искажений, восстановление амплитуды, формы и длительности импульсов ЦЛС, а также временных соотношений между соседними символами. Этот процесс называется регенерацией цифрового сигнала и позволяет очистить от помех и искажений сигнал, прошедший через участок линии связи – регенерационный участок (РУ) и восстановить его в такой форме, какую он имел на входе РУ. Процесс регенерации ЛЦС, в широком смысле, состоит в опознавании переданных символов на фоне помех, восстановлении в соответствии с опознанными символами формы, амплитуды и временного положения импульсов и пробел и передачи их на вход следующего РУ. Опознание символа ЛЦС осуществляется методом однократного отсчета, заключающегося в сравнении амплитуды регенерируемого сигнала с эталонным пороговым уровнем (порогом опознания) в момент опознания, априорно соответствующий наибольшей вероятности верного опознавания. Если в момент опознавания уровень сигнала превышает порог опознавания, то принимается решение о том, что на вход регенератора поступил импульс (единица), если не превышает – пробель (нуль). В процессе опознавания символа положительной полярности регенерируемый сигнал сравнивается с положительным пороговым напряжением (током), отрицательной полярности – с отрицательным пороговым напряжением (током) (рис.11.2).
Рис.11.2. Структурная схема регенератора (УК- усилитель – корректор , РУ- решающим устройством , УТС- устройства тактовых сигналов, ФУ - Формирующее устройство ).
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. Пороговое напряжение может подаваться извне или вырабатываться в схеме РУ. При поступлении импульса на выходе РУ появляется управляющий сигнал, а в случае 0 (пробела) состояние РУ не изменяется. Формирующее устройство ФУ обеспечивает формирование по сигналам РУ импульсов с принятыми для конкретной системы стандартными параметрами.
Вероятность принимаемых РУ решений зависит, в первую очередь, от способа обнаружения двоичного сигнала и качества работы УТС (устройства тактовых сигналов). При безошибочной работе РУ каждому входному импульсу соответствует выходной, а каждому ²пробелу² на входе - ²пробел² на выходе. Однако из-за присутствия на входе РУ различных помех, несовершенства устройства тактовой синхронизации и других причин в процессе регенерации возможны ошибки, выражающиеся в преобразовании 1 на входе регенератора в 0 на выходе и наоборот входного 0 в выходную 1.
Рисунка 11.3 Принцип регенерации цифрового двоичного сигнала
Рассмотрим временные диаграммы, поясняющие принцип регенерации цифрового сигнала (рис. 11.3 )
Входной сигнал, пройдя регенерационный участок (рис.11.3 б), искажается, форма его изменяется и на входе УК (рис.11.3 в) она уже сильно отличается от исходной. Усилитель – корректор, устраняя амплитудно – частотные искажения цепи, корректирует форму импульсов, обеспечивая более крутые фронты, что облегчает процесс принятия решения в РУ. Форма сигнала на входе РУ представлена на рис.11.3 (г), здесь же штриховой линией, показан пороговый уровень РУ. На рис.(д) показаны сигналы тактовой синхронизации. Из рисунка видно, что сигналы УТС размещаются в центрах тактовых интервалов, на которых входные сигналы РУ имеют максимальное значение и наименее искаженную форму, т.е. обеспечивается максимальное превышение сигнала над помехой, а следовательно, и верность регистрации. Из рисунка также ясно, что смещение синхросигнала может привести к ошибке регенерации. Не исключается ошибочное решение и при правильном расположении тактовых синхроимпульсов. Такой случай возможен, если полярность помехи противоположна полярности импульса, а ее абсолютная величина больше порогового значения. Тогда уровень импульса, искаженного помехой, будет ниже порогового уровня, что при регенерации приведет к ошибке. Если при отсутствии импульса уровень помехи окажется выше порогового, это также приведет к ошибке.
Число РУ в линейном тракте может достигать нескольких десятков (и даже сотен). Отношение сигнал-помеха на выходе каждого ЛР практически одинаково, т.е. внешние аддитивные помехи и шумы (внутренного и внешного происхождения), не зависящие от сигнала, практически полностью подавляются в пределах одного РУ и вдоль всего линейного тракта ЦСПне накапливаются. В этом состоит основное отличие ЦСП от аналоговых систем передачи, в которых шумы и помехи усиливаются вместе с полезным сигналом, к этим шумам добавляются собственные шумы линейных усилителей и передают от усилителя к усилителю. Происходит накопление помех и шумов, в результате чего отношение сигнал-помех уменьшается.
Регенераторы видеоимпульсов, используемые в ЦСП ИКМ-ВРК, можно классифицировать по различным признакам:
по способу синхронизации по тактовой частоте или получения хромирующей информации (далее будем использовать этот термин, как равноправный термину синхронизация по тактовой частоте информации);
по способу использование хронирующей информации в процессе регенерации;
по виду порогового и решающего устройства.
По способу получения хронирующей информации ЛР можно разделить на регенераторы с самохронированием (или с внутренней синхронизацией) и польным восстановлением временных интервалов и регенераторы с внешним хронированием (или внешней синхронизацией).
11.2 Обобщенная структурная схема типового регенератора.
Основное применение получили регенераторы прямого действия с полным восстановлением временных соотношений. Обобщенная структурная схема типового регенератора этого типа приведена на рис.11.3, а временные диаграммы, поясняющие принцип его работы, показаны на рис.11.4.
В процессе регенерации ЦЛС выполняются следующие основные операции:
- усиление регенерируемых импульсов и коррекция их формы (коррекция амплитудно-частотных искажений, обусловленных частотной характеристикой затухания регенерационного участка и ограничением полосы частот линейного цифрового тракта);
- сравнение значения амплитуд откорректированных импульсов с пороговым (эталонным) значением;
- стробирование откорректированных импульсов, в результате чего создаются такие условия, при которых импульсы на выходе регенератора формируются в строго определенные моменты времени;
- формирование новых импульсов с заданными параметрами и временные соотношениями.
Рис.11.3. Структурная схема типового регенератора
На входе регенерационного участка, т.е. на выходе предыдущего регенератора (станционного – передающей станции или линейного) одна из реализаций цифрового сигнала имеет вид (рис.11.4,а). После прохождения регенерационного участка на вход ЛР подается искаженный и задержанный на некоторое время ЛЦС(рис.11.4,б). Через линейный трансформатор (ЛТр1) этот сигнал поступает на вход усилителя-корректора, в состав которого входят; регулируемая искусственная линия РИЛ, обеспечивающая коррекцию переменных амплитудно-частотных искажений, корректирующий усилитель КУС, предназначенный для компенсации затухания регенерационного участка и коррекции постоянных частотных искажений. Схема автоматической регулировки усилинея АРУ, необходимая для изменения параметров РИЛ в соответствии с изменениями затухания регенерационного участка.
Рис.11.4. Временные диаграммы работы линейного регенератора.
Коррекция формы импульсов осуществляется для уменьшения влияния одних импульсных посылок на другие за счет концентрации энергии импульсов в тактовых интервалах Т. Это позволяет уменьшить вероятность ошибочной регенерации символов. Вид сигнала, формируемого на выходе усилителя-корректор, показана на рис.11.4.в.
К выходу усилителя-корректора через трансформатор ТР подключено устройство выделения тактовой частоты УВТЧ, на выходе которого формируется последовательность коротких сорбирующих импульсов. Эти импульсы фазируются относительно входных символов таким образом, что оказваются в середине тактовых интервалов , где амплитуда входных символов максимальна. Это также способствует уменьшению вероятности ошибки в процессе регенерации. Стробирующие импульсы (11.4,г) подаются на решающие устройства РУ1 и РУ2 каналов регенерации положительных и отрицательных символов ЛЦС соответственно. Кроме того, на РУ через ТР подаются скорректированные и усиленные импульсы, смещенные на величину порогового напряжение Uпор , вырабатываемого устройство формирования формирования порога содержит выпрямитель, работающий на инерционную нагрузку, и вырабатывает постоянное напряжение, равное половине амплитуды выходных импульсов усилителья-корректора.
Поскольку АРУ обеспечивает постоянство амплитуды импульсов на выходе усилитея-корректора, то порог решения остается практически неизменным. В некоторых схемах ЛР система АРУ воздействует не на параметры усилителя-корректора, а на велечину порогового напряжения, однако такое решение оказывается менее эффективным.
В РУ осуществляется стробирование (опробырование) в каждом такте поступающих символов. Если в момент прихода на РУ стробирующего импульса входной сигнал имеет положительную полярность(т.е. разность между выходным сигналом усилителя-корректора и пороговым напряжением положительна), то на выходе РУ формируется импульс, поступающий на вход соответствующего формирователя выходных импульсов ФВИ (рис.11.4. ж.з). Если указанная разность отрицательна, то импульс на выходе РУ не формируется.
В ФВИ, который может быть реализован в виде ждущего мультивибратора, при поступлении импульсов с выхода РУ формируются импульсы соответствующей формы, амплитуды и длительности, следующие с тактовой частотой. Поскольку ФВИ1 и ФВИ2 подключены к линии через дифференциальный трансформатор, то импульсы на выходе ЛТр2 будут иметь разную полярность (рис.11.4, и).
Как видно из принципа работы регенератора, ошибка при регенерации может иметь место, если величина помехи окажется больше порогового напряжения UПОР. В качестве примера на рис. 11.4 показан процесс возникновения ошибки при передаче одного из символов (этот символ помечен *).
Электропитание необслуживаемых регенерационных пунктов НРП производится дистанционно из обслуживаемых регенерационных пунктов стабилизированным током. Питание ЛР ЦСП по симметричным кабелям осуществляется по фантомным цепям, организуемым по тем же парам, по которым передается ЛЦС (рис.11.4). К случае использования коаксиальных кабелей электропитание осуществляется по внутренним проводникам коаксальных пар.
Устройства электропитания ряда НРП включаются последователь а в цепь дистанционного питания ДП, создаваемую для отдельной или нескольких систем передачи.
Контрольные вопросы.
1. Назначение линейного регенератора (ЛР). Основные этапы процесса регенерации.
2. Поясните с помощью временных диаграмм процесс регенерации ЦЛС.
3. Перечислите основные типы помех и искажений в линейном цифровом тракте и принципы их оценки.
4. По ЦЛТ передаются сигналы типа АБС или ОБС. Определить минимально-допустимую защищенность для получения вероятности ошибки одиночного регенератора не более 0,5 ×10-11.
5. По ЦЛТ передаются сигналы типа кода ЧПИ. Определить минимально-допустимую защищенность для получения вероятности ошибки одиночного регенератора не более 0,5 ×10-11.
6. Что такое глаз-диаграмма? Ее основные параметры и их влияние на качество регенерации ЦЛС.
7. Назовите основные дестабилизирующие факторы, снижающие помехоустойчивость одиночного регенератора.
ЛЕКЦИЯ 12. Синхронная цифровая иерархия
12.1 Особенности плезиосинхронной цифровой иерархии.
Основой построения телекоммуникационных сетей являются системы передачи плезиосинхронной (PDH) и синхронной цифровой иерархии (SDH).
Плезиосинхронная иерархия была разработана в начале 80-х годов прошлого века. Системы передачи этой иерархии считались перспективными. Параллельно развивались три ее разновидности – американская, европейская и японская. В интересах развития глобальных телекоммуникаций были приняты определенные меры по их унификации и возможному объединению. Развитие систем передачи плезиосинхронной иерархии шло по пути унификации оборудования, уменьшения энергоемкости, веса и габаритов аппаратуры. Однако достигнутые технические характеристики, а главное, принципы плезиосинхронной иерархии не могут в полной мере удовлетворять непрерывно возрастающие требования к телекоммуникациям. Развитие связи идет по пути глобализации (создание глобальных информационных сетей) и одновременно по пути персонализации (доведение разнообразных услуг до каждого пользователя). В этих условиях существенно возросла необходимость в увеличении скорости передачи все возрастающих потоков информации, необходимость в оперативном и эффективном управлении этими потоками и контроле качества передачи сигналов, состояния трактов передачи с целью обеспечения высокой надежности этих трактов и телекоммуникационной сети в целом.
Особенностью систем PDH является поканальное (побайтовое) мультиплексирование только сигналов основного цифрового канала (ОЦК – поток Е0 со скоростью 64 Кбит/с) в поток первичной группы Е1 (2048 Кбит/с). Формирование потоков более высоких уровней (вторичных Е2(8448 Кбит/с), третичных Е3 (34368 Кбит/с) и четверичных (139264 Кбит/с) осуществляется путем побитового мультиплексирования с выравниваем скоростей методом подстановки служебных символов. В результате для выделения того или иного компонентного потока из потока более высокого уровня (агрегатного) необходимо осуществлять пошаговое демультиплексирование этого потока. Так, например, для выделения необходимых ОЦК (потоков Е0) из потока Е4 необходимо этот поток разделить на 4 потока Е3, соответствующий поток Е3 разделить на 4 потока Е2, поток Е2 – на 4 потока Е1 и лишь после этого из потока Е1 можно выделить необходимые потоки Е0. На рис. 12.1 приведена схема, поясняющая приведенный процесс демультиплексирования.
Рисунок 12.1Схема процесс демультиплексирования.
Указанная особенность приемлема при передаче больших потоков информации от одного узла к другому с достаточно редкими в этом случае процессами ввода/вывода. И другое дело, когда необходимо обеспечить ввод/вывод потоков Е0 или Е1 из потока, например, Е4 в тот или иной офис, учреждение, отделение банка, число которых достаточно большое. В этом случае аппаратурная реализация ввода/вывода компонентных потоков усложняется, эксплуатация такой сети может стать убыточной. Очевидно, что невозможность выделения компонентного потока без демультиплексирования агрегатного является недостатком иерархии PDH.
Другим существенным недостатком плезиосинхронных систем является отсутствие в них функций сетевого управления и контроля, обеспечивающих управление потоками, их маршрутизацию, непрерывный контроль качества и надежности передачи информации. Предусмотренные в этих системах средства управления и контроля слабые и недостаточно эффективные. Более того, расширить эти функции, а тем более автоматизировать их реализацию с использованием компьютеров, практически невозможно, так как для размещения соответствующих дополнительных сигналов в циклах передачи плезиосинхронных систем отсутствуют свободные позиции.
Особенностью формирования агрегатных потоков является зависимость синхронизации компонентных потоков от синхронизации агрегатных потоков. Для восстановления нарушенной синхронизации требуется достаточно большое время, что приводит к потере пропускной способности и снижению качества передачи информации.
Кроме того, одним из недостатков плезиосинхронных систем является отсутствие полной совместимости различных стандартов этих систем (американской, европейской и японской).
Стремление устранить эти недостатки при разработке новых сетевых телекоммуникационных технологий привело к созданию систем синхронной цифровой иерархии (SDH).
12.2 Общая характеристика синхронной цифровой иерархии (SDH)
Основным отличием технологии SDH от PDH является использование совершенно иного принципа мультиплексирования. Технология SDH основана на полной синхронизации всех цифровых каналов и сетевых элементов в пределах всей сети. Синхронизация обеспечивается с помощью соответствующих систем синхронизации и управления транспортной сетью.
Технология SDH по сравнению с PDH имеет ряд особенностей и преимуществ:
- предусматривает прямое мультиплексирование (ввод\вывод) компонентных потоков, что обеспечивает быстрый и легкий доступ к индивидуальным компонентным потокам с целью их ввода\вывода и коммутации;
- предусматривает размещение в цикле передачи (фрейме) служебной информации для маршрутизации потоков, контроля и управления сетями различной топологии современными методами, основными на компьютерных технологиях.
- расширен диапазон скоростей передачи за пределы скоростей передачи системы PDH;
- обеспечивает совместимость систем PDH европейской и американской иерархий.
Принципиальным отличием систем SDH от всех ранее разработанных ЦСП является то, что они предназначены только для высокоэффективной передачи и распределения цифровых потоков, формируемых аппаратурой PDH, ATM и др. технологий. Цифровые каналы (потоки) PDH являются входными (полезной нагрузкой) для транспортной сети SDH. Все эти потоки передаются (транспортируются) по трактам транспортной сети в виде информационных структур – виртуальных контейнеров (VC) соответствующего уровня. Так, например, для транспортировки потоков европейской иерархии
Е1=2048 Кбит/с (2М) и Е2=8448 Кбит/с (8М) используются VC низшего порядка (VC-1 и VC-2 соответственно), а для транспортировки потоков Е3=34368 Кбит/с (34М) и Е4= 139264 Кбит/с (140М) используются VC высшего порядка (VC-3 и VC-4 соответственно). Каждой из VC имеет трактовый (маршрутный) заголовок (РОН), который содержит информацию, необходимую для управления, маршрутизации и контроля качества прохождения контейнера по транспортной сети. Наличие заголовка обеспечивает доставку и выделение контейнера в соответствии с адресом его получателя.
Важной особенностью систем SDH является то, что виртуальные контейнеры меньшей емкости могут быть размещены в VC большей емкости.
Группы однотипных или разнотипных виртуальных контейнеров объединяются и передаются по сетевым трактам в виде информационных структур – синхронных транспортных модулей (контейнеров) того или иного уровня (порядка).
Структура первичного цифрового потока в иерархии SDH соответствует синхронному транспортному модулю первого порядка (STM-1) со скоростью передачи 155,520 Мбит/с. Синхронные транспортные модули более высокого порядка формируются путем мультиплексирования модулей более низкого порядка. Коэффициент мультиплексирования равен 4. В соответствии с этим иерархия SDH предусматривает синхронные транспортные модули второго порядка (STM-4 со скоростью 4*155,52=622,08 Мбит/с), третьего (STM-16 со скоростью 4*622,08=2488,32 Мбит/с) и четвертого порядка (STM-64 со скоростью 4*2488,32 Мбит/с). Следует заметить, что начиная с STM-4 мультиплексирование осуществляется в оптическом диапазоне. Синхронный транспортный модуль STM-N, как и любой другой контейнер, снабжен маршрутным заголовком и другой информацией, которая обеспечивает его доставку по адресу получателя.
Основным звеном транспортной сети SDH является тракт передачи, структурная схема которого приведена на рис. 12.3.
Тракт передачи представляет собой логическое соединение между элементом сети SDH, в котором осуществляется формирование («сборка») виртуального контакта (например, из компонентных потоков PDH), и элементом сети, в котором VC расформировывается («разбирается»).
Мультиплексная секция представляет собой средство передачи информации между двумя сетевыми элементами, в которых осуществляется сборка (разборка) STM-N до компонентных потоков.
Регенераторная секция представляет собой участок системы передачи между двумя смежными регенераторами, или между оконечным оборудованием, в котором STM-N формируется или принимается, и регенератором, или между двумя смежными регенераторами.
В зависимости от порядка («емкости») виртуального контейнера различают тракты виртуальных контейнеров низшего порядка (VC-1, VC-2) и тракты виртуальных контейнеров высшего порядка (VC-3, VC-4).
В качестве линий передачи используются волоконно-оптические кабели, спутниковые или радиорелейные линии связи (по ним можно передавать в электрическом виде только цифровой поток STM-1).
Рисунок 12.3
Характерной особенностью трактов SDH является высокая степень резервирования как линейных трактов, так и узлов мультиплексорного оборудования. В частности, линии передачи между элементами сети обычно полностью резервируются, что позволяет избежать потерь большого объема информации при авариях.
12.3 Структура цикла передачи STM-1
Длительность цикла передачи всех STM-N одинакова и равна 125 мкс (частота циклов 8 кГц). На рис. 12.4 показан упрощенный вид цикла STM-1 и его основные компоненты.
Рисунок 12.4
Структура цикла (фрейма) достаточно сложная. Обычно ее представляют в виде двумерной матрицы, которая имеет 9 строк и 270 однобайтовых колонок. Содержание фрейма передается построчно и поразрядно (по битам) последовательно, начиная слева. За время 125 мкс будет передано 9270=2430 байт что соответствует скорости передачи STM-1 (2430х8)/(125х10-6)=155,52 Мбит/с. Каждый байт в составе цикла представляет собой канал 64 Кбит/с (8бит х 8кГц=64 Кбит/с).
Фрейм состоит из 2-х полей, одно из которых представляет собой поле секционных заголовков (занимает первые 9 колонок и 9 строк), а второе – поле полезной нагрузки (с 10-й по 270-ю колонку всех 9-ти строк). В первых трех строках поля секционных заголовков размещается заголовок регенераторной секции (RSOH), на четвертой строке – указатель (пойнтер), в нижних пяти строках размещается указатель мультиплексорной секции.
В поле полезной нагрузки (PL) 10-я колонка (9байт) выделена для маршрутного трактового заголовка, а в остальных 260-ти колонках всех строк (260*9=2340 байт) размещается собственно полезная нагрузка. Полезная нагрузка может состоять из одного виртуального контейнера высшего уровня (VС-3; VС-4) или из нескольких контейнеров более низкого уровня (VC-1; VС-2).
Заголовок регенерационной секции RSOH используется для управления передачей между регенераторной. В заголовке RSOH содержится синхросигнал для цикловой синхронизации, идентификатор STM-1, сигнал для контроля ошибок, сигналы телеконтроля и служебной связи, обеспечивающие нормальную эксплуатацию линейного тракта.
Заголовок мультиплексорной секции МSOH используется для контроля и управления передачей между узлами. В заголовке содержится информация о размещении переносимого контейнера в пределах цикла STM-1, информация, обеспечивающая защитное переключение мультиплексора в аварийной ситуации. Заголовок MSOH может быть изменен только в пунктах, в которых производится сборка или разборка модуля.
Указатель PTR (пойнтер) определяет адрес начала поля полезной нагрузки, которая состоит либо из одного VC-4, либо из нескольких VC более низкого уровня. Причем каждый из этих VC снабжен своим указателем (пойнтером).
Заголовок тракта (POH) обеспечивает контроль качества передачи контейнера и содержит информацию о структуре виртуального контейнера, его маршруте, информацию для защитного переключения тракта, контроля транзита, информацию по техническому обслуживанию и др. Заголовок тракта сопровождает контейнер до места его назначения.
12.4 Обобщенная схема мультиплексирования потоков в SDH
Для совмещения плезиосинхронных и синхронных сетей в стандарте SDH предусмотрены правила формирования транспортного модуля STM-1 из плезиосинхронных потоков, реализация которых осуществляется SDH-мультиплексорами.
Обобщенная структурная схема формирования транспортного модуля STM-1 приведена на рис.12.5.
В качестве входных потоков этих мультиплексоров могут использоваться стандартные потоки (которые называются трибами) E1, E2, E3 и Е4 европейской иерархии PDH, скорость передачи которых соответственно равны 2,048; 8,448; 34368; 139,264 Мбит/с, и трибы Т1, Т2 и Т3 американской иерархии PDH, скорости передачи которых равны 1,544; 6,312 и 44,736 Мбит/с соответственно. В соответствии с уровнями трибов различают контейнеры четырех уровней – С1, С2, С3 и С4.
Контейнеры С1, С2, С3 разделяются на 2 подуровня, соответствующие значению скорости триба, вложенного в контейнер: С11 (Т1-1,5М); С-12(Е1-2М), С-21(Т2-6М); С-22 (Е2-8М); С-31(Е3-34М);С-32 (Т3-45М). Контейнер С-4(Е4-140М) одноуровневый. В скобках указаны трибы и соответствующие им значения скоростей с размерностью Мбит/с, обозначенной для кратности записи одной буквой М. Указанные контейнеры являются первичными элементами номенклатуры SDH. Каждый из контейнеров (пакетов) снабжается маршрутным заголовком (POH). Добавление к контейнеру, в котором размещена полезная нагрузка PL, маршрутного заголовка превращает его в виртуальный контейнер, т.е.VC=POH+PL.
Различают VC нижнего уровня (VC-1 и VC-2) и верхнего уровня (V-3 и V-4). Виртуальные контейнеры разделяются на те же подуровни, что и входящие в них контейнеры VC-11; VC-12; VC-21; VC-22; VC-31; VC-32; VC-4. Размерность поля полезной нагрузки у разных VC разная. Поле маршрутного заголовка не превышает 9-ти байт. Этот заголовок сопровождает контейнер до тех пор, пока он не будет распакован.
Рисунок 12.5
Несколько контейнеров меньшей величины (нижнего уровня) могут вкладываться в следующий по величине контейнер (упаковка по принципу матрешки). Самый большой контейнер С4.
Для определения места размещения любого из VC на карте поля полезной нагрузки (в составе VC более высокого уровня) каждый из VC снабжается указателем-пойнтером (PTR).
Блок, состоящий из виртуального контейнера и указателя (пойнтера) , называется несущим (трибным) блоком (TU), т.е.TU=PTR+VC.
Указатель трибного блока (PTR) относится к соответствующему виртуальному контейнеру. Например, TU-1=(TU-1 PTR)+VC-1.
Трибные(несущие) блоки также делятся на уровни и подуровни: TU-11; TU-12; TU-21; TU-22; TU-31; TU-32.
Несколько трибных блоков образует групповой трибный (несущий) блок (TUG).
Например, в состав группового трибного блока TUG-21 могут входить один TU-21 или четыре TU-11, или три TU-12, т.е. 1TU-21(6М); 4TU-11(41,5=6М); 3TU-12(32=6М); а в состав TUG-22 могут входить один TU-22 или четыре TU-12 или пять TU-11, т.е. 1TU-22(8М); 4TU-12(42=8М); 5TU-11(51,5=7,5М).
Полезная нагрузка VC-3 формируется или из одного контейнера С-3, или путем мультиплексирования нескольких групповых трибных блоков TUG-2. Например, в состав VC-21 могут входить один контейнер С31, или четыре TUG-21, т.е. 1С-31 (34М), или 4TUG-22, или 5TUG-21.
Виртуальный контейнер VC-4 не разделяется на подуровни и представляет собой поле полезной нагрузки размерностью 9261 байтов. Его полезная нагрузка формируется либо из контейнера С-4, либо путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2 или TU-3:
1C-4; 4TU-31; 3TU-32; 21TUG-21; 16TUG-22.
Каждый из VC высокого уровня (VC-3 или VC-4) снабжается указателем-пойнтером (PTR). Виртуальный контейнер со своим указателем представляет собой административный блок (AU) : AU-n = PTR + VC – n (n=3,4).
Например,
AU-31 =(AU-31PTR) + VC – 31;
AU-32 =(AU-32PTR) + VC – 32;
AU-4 =(AU-4PTR) + VC – 4;
Указатель административного блока AU-4 PTR определяет адрес начала поля полезной нагрузки, имеет размерность 9 байтов и размещается на 4-й строке поля секционных заголовков SOH.
Из одного или нескольких AU-n может формироваться группа административных блоков AUG: 1AU-4, или 4AU-31, или 3AU-32. Этот блок (AUG) предшествует окончанию цикла STM-1. После добавления к нему секционного заголовка заканчивается формирование модуля STM-1:
STM – 1 = AUG + SOH.
Путем мультиплексирования соответствующего числа модулей STM-1 формируются модули более высокого уровня – STM-N (N=4,16,64).
Таким образом, в схеме мультиплексирования могут использоваться:
- E-n (n=1,2,3,4) и T-n (n=1,2,3) – трибы уровня n («компонентные потоки») – входные (выходные) потоки SDH мультиплексоров, которые соответствуют европейской и американской иерархий SDH;
- C-n – контейнеры уровня n (n=1,2,3,4);
- VC-n – виртуальные контейнеры уровня (n=1,2,3,4);
- TU-n – трибные блоки уровня n (n=1,2,3);
- TUG-n – группы трибных блоков уровня n (n=1,2,3,4);
- AU-n – административные блоки уровня n (n=3,4);
- AUG – группа административных блоков.
12.5 Схема формирования модуля STM-1 из потоков Е1, Е3, Е4
Реализация мультиплексоров SDH, которая обеспечивают возможность мультиплексирования потоков как европейской, так и американской иерархий SDH, достаточно сложная. Поэтому на практике используются более простые варианты, которые предусматривают мультиплексирование потоков Е или Т. В европейских странах используется вариант мультиплексора SDH/PDH, входными потоками которого являются только потоки Е1, Е3 и Е4. Поток Е2 в технологии европейской SDH не используется. Вариант схемы формирования модуля STM-1 из потоков Е1, Е3, Е4 приведен на рис. 12.6.
Рисунок 12.6 Схемы формирования модуля STM-1
Из рис 12.6 видно, что из трех трибных блоков TU-12 формируется группа трибных блоков TUG-2, в состав которой входят 3 триба Е1, затем из 7-ми TUG-2 формируется группа трибных блоков TUG-3, содержащая в своем составе 21 триб Е1. Далее 3 TUG-3 размещаются в виртуальном контейнере VC-4. Таким образом, емкость полезной нагрузки VC-4 составляет 61 триб Е1. Путем добавления к VC-4 указателя (пойнтера) формируется AU-4, затем формально образуется группа AUG (сохраняется на случай совместной работы с системами американской SDH). Добавление к AUG заголовков регенераторной и мультиплексорной секций завершает формирование модуля STM-1.
Из рис 12.6 видно, что формируемой по приведенной схеме контейнер VC-4 модуля STM-1 может переносить (1373)=63 потока Е1, или (13)=3 потока Е3, или 1 поток Е4.
12.6 Подробная схема формирования модуля STM-1 из потоков Е1.
Пример логической схемы формирования модуля STM-1 из потоков Е1
представлен на рис 12.7
Рисунок 12.7
На схеме значком обозначена операция добавления (пристыковки) к элементам схемы той или иной служебной информации (заголовка, указателя, и др.) Следует заметить, что в физической схеме формирования модуля STM-1 положение отдельных элементов не соответствует их месту в логической схеме. Рассмотрим последовательность операций, выполняемых в процессе формирования модуля STM-1.
1. Все начинается с формирования контейнера С-12, наполняемого потоком Е1. Поток Е1 можно представить в виде 32-х байтовой последовательности, циклически повторяющейся с частотой фрейма STM-1, равной 8 кГц. Для двустороннего согласования скоростей к потоку Е1 добавляется 2 байта (2б) выравнивающих и некоторых других бит, обозначенных на схеме «биты».
2. На втором шаге к контейнеру С-12 добавляется маршрутный заголовок VC-12 POH длиной 1байт. В результате формируется виртуальный контейнер VC-12 размером 35 байт за 1 цикл (длительностью 125 мкс), что соответствует скорости передачи 35 х 8 х 1\125=2,24 Мбит/с.
3. К VC-12 добавляется указатель PTR (пойнтер) длиной в 1 байт, в результате чего VC-12 превращается в трибный блок TU-2 длиной 36 байт, что соответствует скорости 3х8х1\125=2,304 Мбит/с. Трибный блок отображается в виде матрицы, состоящей из 9-ти строк и 4-х колонок (94 байт).
4. На следующем шаге осуществляется побайтное мультиплексирование 3-х трибных блоков. В результате формируется группа трибных блоков TUG-2 размерностью 336=108 байт (912=108 байт – 9 строк и 12 колонок), что соответствует скорости передачи 10881/125=6,912 Мбит/с.
5. Далее 7 групп трибных блоков TUG-2 мультиплексируются, к полученному потоку объемом в 756 байт добавляется 18 служебных байт (9х2 байт), которые отображают поле индикации нулевого указателя NP1 и фиксированного пустого поля (наполнителя) – FS. В результате размер TUG-3 составляет 774 байта (9х86 байт)., что соответствует скорости передачи 774х8х1/125=49,536 Мбит/с..
6. На следующем шаге происходит формирование виртуального контейнера верхнего уровня VC-4 путем побайтового мультиплексирования 3-х блоков TUG-3 с добавлением к полученному потоку маршрутного заголовка VC - 4 POH (9 байт) и служебных FC VC - 4 (18 байт). В результате формируется фрейм виртуального контейнера размером 2349 байт (9х261 байт), что соответствует скорости передачи 23х49х81/125=150,336 Мбит/с.
7. На следующем шаге формируется административный блок AU- 4 путем добавления к виртуальному контейнеру VC-4 указателя административного блока (пойнтера) AU-4 PTR длиной 9 байт. В результате формируется административный блок AU-4 размером 2349+9=2358 байт(9х262 байта), что соответствует скорости передачи 2358х8х1/125=150,912 Мбит/с. Указатель AU-4 PTR размещается на пятой строке поля секционных заголовков SOH.
8. Затем формально образуется группа административных блоков AUG. Как было ранее указано, эта группа не требует никаких преобразований и сохраняется для обеспечения возможности совместной работы с американской PDH.
9. На последнем этапе к группе AUG добавляются секционные заголовки регенераторной RSOH и мультиплексорной секции MSOH с общей размерностью 72 байта (8х9 байт). Заголовки размещаются в строках 1,2,3 и 5…9 матрицы, отображающей структуру фрейма STM-1 (рис. 12.7) Таким образом, размер фрейма равен 2430 байт (9х270 байт), что соответствует скорости передачи STM-1 2430х8х1/125=155,52 Мбит/с..
Поток, создаваемый модулем STM-1, содержит потоков (каналов) E0 (64 кбит/c) . ЦСП ИКМ-1920 обеспечивает при меньшей скорости (139,264 Мбит/с) передачу 1920 каналов Е0, т.е. на 30 каналов Е0 больше). Следовательно, избыточность потока, создаваемого STM-1 , большая, чем избыточность потока Е4, создаваемого ЦСП ИКМ-1920. Количественно относительно Е0 она равна для STM-1 , а для ЦСП ИКМ-1920 . Таким образом, избыточность потока STM-1 вдвое больше избыточности потока Е4. Вместе с тем, увеличение избыточности оправдано преимуществами SDH перед PDH – простота ввода/вывода потоков PDH из состава STM-1 без мультиплексирования всего цикла передачи, поддержка обширных функций управления и контроля при эксплуатации, удобство взаимодействия нескольких сетевых операторов на стыках международных сетей и т.д.
12.7 Маршрутный заголовок (POH).
Маршрутный заголовок (POH) обеспечивает контроль качества передачи контейнера на всем пути до места его назначения. Различают заголовок пути высокого порядка (НО-РОН контейнеров VC-3 и VC-4) и заголовок пути низкого порядка (LO-POH контейнеров VC-1 и VC-2).
В VC-4 маршрутный заголовок POH формируются из 9 байтов, следовательно, скорость передачи составляет 9 64 =576 . Формат и краткое содержание функций РОН приведены на рис. 12.8.
Рисунок 12.8 Формат и краткое содержание функций РОН
Рисунок 12.9 структура РОН.
На рис. 12.9 показана структура РОН низкого порядка контейнера VC-12. Он распределен по четырем циклам и передается последовательно. Функции байтов j2, N2 и К4 маршрутного заголовка (РОН) низкого порядка аналогичны соответствующим функциям j1, N1 и К3 РОН высокого порядка. Наиболее важным является байт V5, который содержит информацию об ошибках, неисправностях, авариях, потере цикловой синхронизации и др.
12.8 Секционные заголовки (SOH) и указатель (PTR)
Поле секционных заголовков и указателя содержит 99=81 байт, что соответствует скорости передачи 8164 кбит/с = 5184 кбит/с. В его состав входят заголовки регенераторной (RSOH), мультиплексорной (MSOH) секций и указатель (PTR).
Заголовок RSOH обеспечивает контроль и управление передачей в пределах регенераторной секции. Он доступен всем сетевым элементам. Может быть прочитан и изменен сетевыми элементами, которые имеют на это право. Его объем – 39=27 байт (верхние 3 строки и 9 столбцов блока заголовков SOH).
Заголовок MSOH обеспечивает контроль и управление передачей в пределах мультиплексорной секции. Он может быть изменен только терминальным оборудованием или оборудованием ввода/вывода (кросс-соединителями). Его объем - 59=45 байт (нижние 5 строк и 9 столбцов блока заголовков SOH).
А1, А2 – Цикловая синхронизация
IO – Индикация передатчика (непрерывное тестирование)
В1, В2 – Контроль четности
Е1, Е2 – Служебная связь
F1 – Техническое обслуживание
Д1, Д2, Д3 – Сетевое управление, связь между сетевыми элементами
Д4…Д12 – Сетевое управление, связь между сетевыми элементами
К1, К2 – Автоматическое защитное переключение
S1 – Качество и источник тактовой синхронизации
М1 – Информация о коммутационных ошибках
Z1, Z2 – Резерв для развития
- Резерв для международного использования
- Резерв для национального использования
- Использование зависит от среды
Рисунок 12.10 Формат и краткое содержание функций SOH.
Как видно из рис 12.10, информация для цикловой синхронизации повторяется трижды, однако это не является следствием необходимости обеспечения стабильной синхронизации, а является результатом развития американского первого варианта синхронной цифровой иерархии SONET.
Каналы передачи данных Д1, Д2, Д3 и Д4 .. Д12 обеспечивают передачу информации о состоянии сети, ее элементов и управляющей информации со скоростью 192 (364) или 576 (964)кбит/с. Байты Z1…Z2 зарезервированы для стандартизации дополнительных задач.
Каждый виртуальный контейнер дополняется указателем. Основной задачей указателей (пойнтеров) является индикация позиций контейнеров, скрытых в потоке данных. Они отмечают начало виртуальных контейнеров с их заполнением, что позволяет определять местоположение (позицию) каждого бита в поле полезной нагрузки. Пойнтер контейнера VC-4 формируется из 9 байт (4-ая строка блока заголовков SOH) и всегда находится в фиксированной точке (на фиксированных позициях) по отношению к началу цикла STM-1. Начало VC-4 определяется оценкой значения пойнтера. Виртуальные контейнеры более низкого уровня могут перемещаться внутри VC-4. Позиции пойнтеров в подчиненных блоках фиксированы по отношению к началу VC-4 и могут быть найдены подсчетом битов.
В частности, указатель VC-12 объемом 1 байт располагается в начале содержимого контейнера, в результате чего формируется трибный блок TU-12 (рис 12.11).Указатель каждого из трех виртуальных контейнеров VC-3, мультиплексированных в объем VC-4, располагаются путем побайтового мультиплексирования в поле указателя VC-4.
В ЦСП иерархии PDH положение отдельных входных компонентных потоков, определяется их размещением в цикле передачи относительно синхросигнала, фиксирующего начало цикла. В SDH положение контейнеров находится при обработке максимум двух пойнтеров.
12.9 Формирование модулей STM-N.
В настоящее время разрабатываются и эксплуатируются системы SDH, скорости которых равны 155,52·N , где N – коэффициент мультиплексирования из ряда чисел, который соответствует геометрической прогрессии вида 1, 4, 16, 64, 256. В соответствии с этими скоростями различают иерархию синхронных транспортных модулей – STM-1, STM-4, STM-16, STM-64, STM-256.
Мультиплексирование STM-1 в STM-N может осуществляться одноступенчатым преобразованием непосредственно по схеме N:1N, где N=4,16,64,256, либо многоступенчатым (каскадным) преобразованием, при котором осуществляется поочередное преобразование одного уровня иерархии в другой по схеме 414, 4416, 41664, 464256.
Процесс непосредственного мультиплексирования осуществляется путем чередования байт. Например, если из 16-ти STM-1 формируется STM-16, то в его цифровом потоке первые 16 байт формируются из первого байта каждого из 16-ти STM-1, вторые 16 байт (с 17-го по 32-й) - из второго байта каждого из 16-ти STM-1 и т.д. На рис. 12.12 изображена схема, поясняющая принцип непосредственного мультиплексирования.
Каскадное мультиплексирование осуществляется с использованием чередования группы байт. Например, при формировании STM-16 на первой ступени производится мультиплексирование по байтам, на второй – по группам, состоящим из 4-х байт, на третьей – по группам, состоящим из 16-ти байт, на четвертой – по группам из 64 байт. На рис. 12.13 приведена схема, поясняющая принцип каскадного мультиплексирования.
Рисунок 12.13 Схема каскадного мультиплексирование
В отличие от иерархии PDH , в которой циклы передачи ЦСП разных уровней различаются между собой, структура циклов STM-N (N=4,16,64,…N) одинакова (рис 12.14).
Рисунок 12.14 Структура циклов STM-N
Вместе с тем, если в заголовке SOH фрейма STM-1 для определения положения байт достаточно указать две координаты – строку а и столбец b , то в заголовке SOH фрейма STM-N из-за особенностей мультиплексирования необходимо указывать три координаты – номер строки а (а=1…9), номер мульти столбца b (b=1…9), объединяющего несколько столбцов, и с(с=1,2,…N), указывающего номер временного интервала при мультиплексировании. На рис. 12.15 показано размещение файлов заголовка SOH для фреймов STM-N.
Рис. 12.15 Схема размещение файлов заголовка SOH для фреймов STM-N
В транспортный модуль STM-N нет необходимости включать всю информацию из STM-1. В частности, нет необходимости N раз повторять задание на автоматическое защитное переключение, качество и источник тактового синхросигнала, что содержится в заголовке SOH модуля STM-1. Только пойнтеры, байты контроля частности В1, В2 и цикловой синхронизации А1, А2 отдельных STM-1 передаются без изменений. В качестве примера на рис. 12.16 показана структура заголовка SOH фрейма STM-4.
12.10 Функциональные модули сетей SDH.
Функциональными модулями сетей SDH являются синхронные мультиплексоры (SMUX). Набор функциональных модулей определяется задачами, которые решаются сетью:
задача мультиплексирования компонентных потоков в агрегатный решается терминальными мультиплексорами – ТМ;
Рисунок 12.16- транспортировка агрегатных блоков с возможностью ввода\вывода компонентных потоков осуществляется мультиплексорами ввода\вывода – АДМ;
- коммутация виртуальных контейнеров в соответствии со схемой маршрутизации обеспечивается цифровыми коммутаторами (кросс коммутаторами, кросс коннекторами) – DXC;
- объединение (концентрация) нескольких однотипных потоков осуществляется концентраторами HUB;
- регенерация сигналов обеспечивается регенераторами – R;
Таким образом, мультиплексоры SDH являются универсальными устройствами, которые помимо задач мультиплексирования способны выполнять задачи коммутации, концентрации и регенерации цифровых потоков, передаваемых по сетевым трактам SDH.
Мультиплексоры SDH классифицируются на первичные, вторичные, третичные и т.д. Первичный синхронный мультиплексор (ПСМ) обеспечивает сопряжение сетей PDH и SDH. Он формирует STM-1 на основе мульти- плексирования типовых потоков PDH Е1, Е3 и Е4 со скоростью цифрового потока 155,52 Мбит/с.
Вторичный синхронный мультиплексор (ВСМ) из 4-х входных синхронных потоков ПСМ формирует выходной поток со скоростью 155,524=622,08 Мбит/с.
Третичный синхронный мультиплексор (ТСМ) из 4-х потоков ВСМ формирует поток со скоростью 622,084=2488,32 Мбит/с.
Техническая реализация мультиплексоров имеет ряд особенностей.
Во-первых, все мультиплексоры имеют в своем составе высокоскоростные коммутаторы, которые обеспечивают маршрутизацию, перегруппировку, объединение виртуальных контейнеров в соответствии с информацией, размещенной в маршрутном заголовке соответствующего контейнера. В зависимости от возможностей коммутатора мультиплексор может работать в режиме оконечного терминала (T) или промежуточного линейного терминала ввода/вывода (АDМ).
Во-вторых, все мультиплексоры имеют оптический ввод/вывод. Использование оптических приемо-передатчиков и мультиплексоров-регенераторов обеспечивают передачу сигналов на большие расстояния. В локальных сетях с небольшими расстояниями между оконечными узлами мультиплексоры-регенераторы могут быть не нужны.
В-третьих, все блоки, связанные с передачей, приемом и обработкой цифрового оптического сигнала, имеют 100%-е резервирование, что обеспечивает высокую надежность телекоммуникационных сетей. При обрыве оптического кабеля в тракте основного (рабочего) маршрута производится автоматическое переключение на резервный. При этом перерыв связи составляет не более 10 мс.
Рассмотрим назначение и особенности построения синхронных мультиплексоров.
Терминальный мультиплексор (ТМ) (рис.12.17) представляет собой оконечное устройство с определенным числом каналов доступа (компонентных портов) и одним или двумя оптическими выходами (агрегатными портами).
Рисунок 12.17. Терминальный мультиплексор (ТМ).
Терминальный мультиплексор (ТМ) обеспечивает ввод/вывод трибов (компонентных потоков PDH и SDH иерархий) или сборку/разборку контейнеров и локальную коммутацию входа одного компонентного порта (трибного интерфейса) на вход другого трибного интерфейса. Как правило,эта коммутация ограничена трибами 1,5 и 2 Мбит/с.
Особенностью синхронного мультиплексора (SMUX) является наличие двух агрегатных оптических выходов (каналов приема/передачи), которые обеспечивают стопроцентное резервирование (защиту по схеме 1+1) с целью повышения надежности. Эти выходы называют основными и резервными при использовании ТМ в сетях с линейной структурой (топологией) или восточными и западными при использовании в сети с кольцевой топологией. При этом выходы «запад» и «восток» определяют два противоположных направления пути передачи сигнала: по кольцу вправо-«восточный», по кольцу влево-«западный». Резервирование 1+1 является внутренней особенностью сетей SDH. Если резервирование не используется (незащищенный режим), то мультиплексор имеет один агрегатный выход. На рис. 12.18 приведен фрагмент транспортной сети, поясняющей функции ТМ на примере передачи компонентных потоков 2М в транспортном потоке STM-1.Рисунок
12.18. Фрагмент транспортной сети.
Мультиплексор ввода/вывода (АДМ) обеспечивает ввод/вывод отдельных компонентных потоков (2М, 34М, 140М или 155М) транзита и автоматическое резервирование поврежденных трактов и секций. Таким образом, на вход АДМ может поступать тот же набор компонентных потоков (трибов), что и на вход ТМ. В отличие от ТМ АДМ может коммутировать выходные потоки в обоих направлениях, а так же переключать канал приема на канал передачи на обеих сторонах («восточной» и «западной») при выходе из строя одного из направлений. Более того, АДМ позволяет организовать обходный режим: при выходе АДМ из строя основной поток проходит мимо АДМ, в обход его. Указанные возможности позволяют использовать АДМ в кольцевой топологии. На рис. 12.19 приведен фрагмент транспортной сети, поясняющий функции АДМ на примере передачи потоков 2М в STM-1.
Фрагмент транспортной сети.
Рисунок 12.19 Мультиплексор ввода/вывода (АДМ).
Кросскоммутатор (DXС) предназначен для соединения каналов, закрепленных за пользователями, путем постоянных или полупостоянных (временных) перекрестных соединений между ними. Он содержит компонентные и агрегатные порты и обеспечивает коммутацию каналов различной пропускной способности (от 2М до 155М). На рис. 12.20 приведен фрагмент транспортной сети, поясняющий функцию коммутатора – маршрутизацию.
Рисунок 12.20 Кросскоммутатор (DXС)
Из рис. 12.20 видно, что компонентные потоки, поступающие в составе агрегатного потока STM-1, в кроссовом коммутаторе (DXC) пункта Е коммутируются для передачи по соответствующим направлениям. Так, например, за счет коммутации обеспечивается передача потока 4 между пунктами А и В, потока 5 – между А и Д, потока 8 – между В и С, потока 10 – между Д и С и т. д.
Помимо маршрутизации виртуальных контейнеров, которая выполняется на основе информации, содержащейся в маршрутном заголовке соответствующего контейнера, коммутаторы ДХС могут выполнять ряд других функций:
- объединение (консолидацию, концентрацию) нескольких, как правило, однотипных потоков, поступающих от удаленных узлов SDH в один или несколько потоков;
- сортировку или перегруппировку виртуальных контейнеров, которые осуществляются с целью формирования нескольких упорядоченных, например, однотипных виртуальных контейнеров из общего потока виртуальных контейнеров, поступающих на вход коммутатора;
- ввод/вывод виртуальных контейнеров, осуществляемый при работе мультиплексора АДМ.
- доступ к виртуальному контейнеру, осуществляемый при тестировании оборудования;
- трансляцию потока от точки к нескольким точкам (разветвление цифрового потока по нескольким направлениям).
Регенератор обеспечивает восстановление формы и длительности импульсных сигналов. Он представляет собой мультиплексор с одним входным каналом (как правило, оптическим трибом STM-N) и одним или двумя (при использовании схемы защиты 1+1) агрегатными выходами (каналами). Использование регенератора позволяет увеличить расстояние между узлами сети SDH.
Синхронные мультиплексоры разрабатываются различными зарубежными компаниями и имеют определенные различия характеристик и возможностей. Вместе с тем, высокий уровень стандартизации технологии SDH позволяет в значительной мере унифицировать основные параметры мультиплексоров.
12.11 Топология сетей SDH
В сетях SDH используются практически все виды топологий: ячеистая (каждый с каждым), звездообразная (радиальная), шинная (линейная) и кольцевая. Таким образом, в сетях SDH используются топологии, аналогичные существующим в сетях РDH, что позволяет уменьшить расходы средств на прокладку новой кабельной канализации и проектирование новых сетей.
В идеальной ячеистой сети каждый узел связи соединяется с каждым. Очевидным достоинством такой сети является ее высокая надежность за счет наличия альтернативной маршрутизации. Недостатком этой сети является увеличение количества путей непропорционально увеличению числа сетевых узлов. Ячеистые структуры используются, главным образом, в небольших и специальных сетях, в которых предъявляются повышенные требования к надежности передачи информации.
Рисунок 12.21 Топология «звезда» с мультиплексором в
качестве концентратора.
В звездообразной (радиальной) сети (рис 12.21) все узлы сети связаны с центральным узлом, который играет роль концентратора, в котором часть трафика может быть выведена на терминалы пользователей, а другая часть может быть распределена по другим удаленным узлам. Этот концентратор (SMUX HUB) должен быть мультиплексором ввода/вывода с развитыми возможностями кросс-коммутации.
Многоуровневые иерархические звездообразные (радиально-узловые) сети составляют основу глобальных сетей. Их преимуществом является то, что при отказе одного из узлов другие направления информационного обмена звездообразной сети являются работоспособными.
Шинная (линейная) структура (рис 12.22) используется при сравнительно низкой интенсивности трафика и необходимости обеспечивать ввод/вывод трибов в промежуточных пунктах.
Рисунок 12.22 Топология «последовательная линейная цепь» типа «уплощенное кольцо» с защитой 1+1.
На оконечных пунктах используются терминальные мультиплексоры (ТМ), а на промежуточных – мультиплексоры ввода/вывода (АDM).
Линейная структура играет в сетях SDH подчиненную роль, поскольку последовательное соединение сетевых элементов особенно ненадежно. Если в сети с линейной структурой оконечные узлы соединить вместе, то получится сеть с кольцевой топологией (рис. 12.23).
Рисунок 12.23 Топология «кольцо» с защитой 1+1 на уровне трибных блоков TU-n.
Эта топология широко используется для построения сетей SDH первых двух уровней иерархии SDH (STM-1 и STM-4). Основным достоинством этой топологии является легкость организации защиты типа 1+1 благодаря наличию в мультиплексорах двух пар (основного и резервного) оптических агрегатных выходов – “восток”-“запад”, что позволяет организовать двойное кольцо со встречными потоками.
Кольцевая топология позволяет сети самовосстанавливаться при отказе того или иного ее узла, или при обрыве оптического кабеля одного из колец .
12.12 Методы повышения отказоустойчивости синхронных потоков.
Одним из основных преимуществ технологии SDH является возможность такой организации сети, при которой достигается высокая надежность ее функционирования, за счет чего обеспечивается сохранение и восстановление работоспособности сети даже в случае отказа одного из ее элементов или среды передачи - кабеля.
Существует несколько различных методов обеспечения быстрого восстановления работоспособности синхронных сетей:
- резервирование участков сети по схеме 1+1 или по схеме 1:1 по разнесенным трассам. В обеих схемах участки между двумя узлами сети соединяются по двум разнесенным трассам, сигналы по которым распространяются одновременно. В узле приема они могут обрабатываться одним из двух способов. При резервировании по схеме 1+1 принятые сигналы анализируются и выбирается тот, который имеет наилучшие параметры. При резервировании по схеме 1:1 альтернативным маршрутам назначаются приоритеты – низкий и высокий. В рабочем режиме находится ветвь с высоким приоритетом, а ветвь с низким приоритетом находится в режиме горячего резерва;
- организация самовосстанавливающихся кольцевых сетей, резервированных по схемам 1+1 и 1:1. В этом случае используется топология типа «кольцо» , которая может быть организована с помощью двух волокон (топология «сдвоенного кольца») или четырех волокон («два сдвоенных кольца»). Несмотря на более высокую стоимость четырехволоконного варианта он используется, так как обеспечивает высокую надежность сети;
резервирование терминального оборудования по схемам 1:1 и N:1. В этих схемах восстановление работоспособности осуществляется за счет резервирования на уровне трибных интерфейсов. Схема резервирования в общем случае N:1. При этом из N основных трибных интерфейсных карт используется одна резервная, которая автоматически выбирается системой кросс-коммутации при отказе одной из основных;
восстановление работоспособности сети путем обхода неработоспособного узла за счет его исключения из схемы функционирования. Так, системы управления SDH мультиплексоров обычно дают возможность организовать обходной путь, позволяющий пропускать агрегатные потоки мимо мультиплексора в случае его отказа;
использование системы оперативного переключения. По принципу организации защиты этот метод напоминает метод резервирования по схеме 1:1 с использованием разнесенных трасс. Разница состоит в том, что при резервировании по схеме 1:1 физический или виртуальный канал существует постоянно, тогда как рассматриваемый метод предполагает формирование этого канала в момент переключения.
Указанные методы защиты синхронных потоков могут использоваться как отдельно, так и в комбинации друг с другом, что значительно повышает отказоустойчивость сети в целом.
Контрольные вопросы.
Что такое плезиохронная цифровая иерархия.
Как осуществляется согласование скоростей передачи различных потоков при их объединений в высокоскоростной поток?
Какие недостатки имеет плезиохронная цифровая иерархии по сетям синхронной иерархии.
Что такое синхронный транспортный модуль.
Какие недостатки имеет плезиохгронная цифровая иерархия систем передачи
Каковы функции мультиплексора ввода-вывода?
Почему в технологиях SONET и SDH применяется мультиплексирование с чередованием байтов?
Как организовано цифровое синхронное кольцо транспортной сети.
В чем состоят функции кросс - коммутатора?
Как осуществляется управление сетью электросвязи?
ЛЕКЦИЯ №13. Волоконной – оптические системы передачи (ВОСП).
13.1 Обобщенная структурная схема цифровой ВОСП.
В состав любой ВОСП входят следующие технические средства:
1. Каналообразующее оборудование (КООпер) тракта передачи, обеспечивающее формирование определенного числа типовых каналов или типовых групповых трактов со стандартной шириной полосы пропускания или скоростью передачи;
2. Оборудование сопряжения (ОСпер) тракта, необходимое для сопряжения параметров многоканального сигнала на выходе КОО с параметрами оптического передатчика;
3.Оптический передатчик (ОПпер) , обеспечивающий преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, длина волны которого совпадает с одним из окон прозрачности оптического волокна; в состав ОПер входят : источник оптического излучения (ИОИ) – оптической несущей, один или несколько параметров которой модулируются электрическим многоканальным сигналом, поступающим с ОСпер, и согласующее устройство (СУ), необходимое для ввода оптического излучения в волоконо оптического кабеля с минимально возможными потерями; как правило, источник оптического излучения и согласующее устройство (СУ), необходимое для ввода оптического излучения в волокно оптического кабеля с минимально возможными потерями; как правило, источник оптического излучения и согласующее устройство образуют единый блок, называемый передающим оптическим модулем (ПОМ);
1. Оптический кабель, волокна которого (ОВ) служат средой распространения оптического излучения;
2. Оптический ретранслятор (ОР), обеспечивающий компенсацию затухания сигнала и коррекцию различного вида искажений; ОР могут быть обслуживаемыми или необслуживамыми и устанавливаются через определенные расстояния. Называемые ретрансляционными участками; в ОР производится обработка (усиление, коррекция, регенерация и т. д.) как электрического сигнала, который получается путем преобразования оптического сигнала и последующего преобразования скорректированного электрического сигнала в оптический, так и оптический. Так и оптического сигнала с помощью оптических квантовых усилителей;
1. Оптический приемник (ОПр), обеспечивающй прием оптического излучения и преобразование его в электрический сигнал; ОПр включает в себя согласующее устройство (СУ), необходимое для вывода оптического излучения из ОВ с минимальными потерями, и приемник оптического излучения (ПОИ); совокупность согласующего устройства и приемника оптического излучения представляют приемный оптический модуль (ПРОМ); совокупность согласующего устройства и приемника оптический модуль (ПРОМ) ;
2. Оборудование сопряжения (ОСпр)тракта према, преобразующего КОО;
3. Каналообразующее оборудование (КООпр) тракта приема, осуществляющее обратные преобразования многоканального сигнала в сигналы отдельных типовых каналов и трактов.
Обобщенная структурная схема ВОСП приведена на рис .13.1.
Рис.13.1. Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи: а-структурная схема тракта передачи ВОСП; б-структурная схема тракта приема ВОСП.
Для модуляции оптической несущей многоканальным электрическим сигналом можно использовать частотную (ЧМ), фазовую (ФМ), амплитудную (АМ), поляризационную (ПМ) модуляции и модуляцию по интенсивности (МИ) и др. Чаще всего при построении цифровых волоконно-оптических систем передачи (ЦВОСП) применяется МИ. Это связано с тем, что использование МИ приводит к относительно простым техническим решениям при реализации устройств управления (модуляции) интенсивностью изличения полупроводниковых источников и обратного преобразования оптического сигнала в электрический , т.е. демодуляции.
При фиксированных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического оптического излучения можно записать в виде
E(t) = EMcos(ω0t + α0) (13.1)
Где EM- амплитуда поля; ω0 и - соответственно частота и фаза оптической несущей.
Тогда значение интенсивности оптического излучения, усредненное по периоду Т0 = 2π/ ω0 , называемое средней интенсивностью или мощностью оптического излучения, будет равно
(13.2)
При МИ именно величина изменяется в соответствии с модулирующим многоканальным сигналом.
Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время является дискретным. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов – фотонов с энергией hf0 , где h – постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения можно характеризовать интенсивностью потока фотонов (числом фотонов в единицу времени) J=P/hf0, которая и модулируется многоканальным сигналом.
1. В зависимости от применяемого каналообразующего оборудования ВОСП делятся на:
- аналоговые волоконно-оптические системы передачи (АВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе аналоговых методов модуляции параметров гармонической несущей частоты (амплитудная, частотная, фазовая модуляции и их комбинации) или параметров периодической последовательности импульсов (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазоимпульсная модуляции и их комбинации);
- цифровые волоконно-оптические системы передачи (ЦВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе импульно-кодовой модуляции. Дельта-модуляции и их разновидностей. Самое широкое применение находят ЦВОСП.
2. В зависимости от способа модуляции оптического излучения ВОСП подразделяются на:
- волоконо-оптические системы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения и соответствующей его демодуляции, называемые иногда прямой модуляцией и широко применяемые в большинстве ЦВОСП;
- волоконно-оптические системы передачи с аналоговыми методами модуляции оптического излучения (оптической несущей): амплитудной, фазовой, частотной модуляциями и их комбинациями.
3.В зависимость от способа приема или демодуляции оптического сигнала ВОСП классифицируются:
- на волоконн-оптические системы передачи с прямой демодуляцией или непосредственным приемом, при котором происходит непосредственное преобразование интенсивности оптического излучения в электрический сигнал, напряжение или ток которого однозначно отражают изменение интенсивности оптического сигнала;
- конгерентные волоконно-оптические системы передачи, в которых применяется гетеродинное преобразование частоты независимо от вида модуляции ( синхронная или несинхронная) оптического излучения, осуществляемого на помежуточной частоте.
4. По способу организации двухсторонней связи ВОСП подразделяются на: а). Двухволоконную однополосную однокабельную, при которой передача и прием оптических сигналов ведется по двум ОВ на одной длине волны λ . Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи и, так как взаимные влияния между оптическими волокнами кабеля отсутствуют, то тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю, т.е. такие ВОСП являютя однокабельными однополосной ВОСП показан на рис.2, где использованы следующие обозначения; КОО – каналообразующее оборудование; ОС – оборудование сопряжения: ОПер – оптический передатчик; ОВ – оптическое волокно; ОПр – оптический приемник.
Рис.13.2. Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной ВОСП.
Достоинством такой ВОСП является использование однотипного оборудования трактов передачи и приема оконечных и промежуточных станций. А недостатком – весьма низкий коэффициент использвания пропускной способности ОВ.
б) Одноволоконную однополосную однокабельную (рис.13.3), особенностью которой является использование одного оптического волокна для передачи сигналов в двух направлениях на одной и той же длине волны.
Рис. 13.3. Принцип построения одноволоконной однополосной
однокабельной ВОСП.
На рис.13.3 к ранее принятым обозночениям добавилось следующее: ОРУ-оптическое развязывающее устройство, осуществляющее поляризацию световых волн или разделение типов направяемой волны оптического излучения.
в). Одноволоконную двухполосную однокабельную, при которой передача в одном направлении ведетя на длине волны оптического излучения λ1, а в другом –λ2 ; разделение направлений передачи осуществляется с помощью направляющих оптических фильтеров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения. Обобщенная схема такого способа органиизации двухсторонней связи приведена на рис.13.4, где ОФ λ1,2 – направляющие оптические фильтры.
На рис.13.3 к ранее принятым обозночениям добавилось следующее: ОРУ-оптическое развязывающее устройство, осуществляющее поляризацию световых волн или разделение типов направяемой волны оптического излучения.
в). Одноволоконную двухполосную однокабельную, при которой передача в одном направлении ведетя на длине волны оптического излучения λ1, а в другом –λ2 ; разделение направлений передачи осуществляется с помощью направляющих оптических фильтеров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн оптического излучения. Обобщенная схема такого способа органиизации двухсторонней связи приведена на рис.13.4, где ОФ λ1,2 – направляющие оптические фильтры.
Рис.13.4. Принцип построения одноволоконной двухполосной однокабельной ВОСП.
5. По назначению и дальности передачи ВОСП подразлеляются на:
а). Магистральные ВОСП, предназначенные для передачи сообщений на тысячи километрров и соединяющие между собой центры республик, краев, областей, крупные промышленные и научные центры и др.
б). Зоновые ВОСП, предназначенные для организации связи в административных пределах республик, краев, областей и протяженностью до 600км.
в) ВОСП для местных сетей, предназначённые для организации межстанционных соединительных линиий на городских и сельских телефонных сетях.
г) ВОСП для распределения информации, обеспечивающих связь между вычислительным машинами, организацию локальных комьпютерных сетей и сетей кабельного телевидения.
По методам уплотнения отпического волокна, в основе которых лежит процесс мультиплексирования, т.е. одновременной передачи нескольких потоков светового излучения по одному волокну, ВОСП подразделятся на ВОСП со спектраьным уплотнением или мультиплексированием с разделением длин волн (wavelength – divisionmultiplexinh. WDW), при котором по одному ОВ одновременно передается несколько спектрально разнесенных сигналом, сформированным соответствующим каналообразующим оборудованием.
Рис.13.5. Обобщенная структурная схема ВОСП
.Обобщенная структурная схема оконечного оборудования системы передачи ЦВОСП представлена на рис.13.5. В данной схеме представлены основные устройства, общие для цифровых ВОСП различного назначения, обеспечивающие формирование, передачу и прием передаваемого по линейному тракту сигнала. Оборудование управления и контроля в блок-схему не включено.
В состав схемы входят следующие блоки: 1 – блок преобразования входного сигнала в ИКМ-последовательность ( каналообразующий блок), выполняющий все необходимые преобразования: дискретизацию, квантование, линейную ( или нелинейную, если нужно) кодификацию и помехо-устойчивое кодирование; 2- блок временного группообразования компонентных сигналов (фремйм/трибов) PDH требуемого уровня нерархии; 3 – интерфейсный блок компонентных (трибных) сигналов, поступающих на временное мультиплексирование SDH, осуществляющий все необходимые функции, в том числе ввода/вывода, локальной кросс-коммутации и т.д.; 4 – блок мультиплексирования SDH, осуществляющий логическое формирование модуля STM-N требуемого уровня в данном иерархии; 5 – оптический интерфейсный блок, преобразующий логическую импульную последовательность в физическую последовательность STM-N (выполнят все необходимые преобразования по формированию загаловков;секционного, мультиплексного и путевого (трактового), а также интерфейсное кодирование); 6 – передающий блок, осуществляющий все необходимые преобразования, в том числе модуляцию источника несущего излучения (лазера) и линейное кодирование; - блок волнового мультиплексирования WDM ( необязательный блок), формирующий многоканальную волновую последовательность, если в этом сеть необходимость; 8 – мощный оптический усилитель (бустер) МУ (необязательный блок), осущестяляющий усиление оптической цифровой последовательности до уровня, требуемого для создания необходимой мощности; 9 – оптический линейный усилитель ЛУ, осуществляющий оптическое усиление сигнала на участке регенерации; 10 – оптический предусилитель (необязательный блок), осуществляющий усиление входного сигнала на приемном конце и используемый при необходимости дополнительного усиления; 11- демультиплексор WDM, если в схеме ВОСП используется волновое мультиплексирование;12- оптический приемник – блок, осуществляющий прием сигнала, т.е. реализующий функции, обратные передатчику, плюс дополнительные функции, например фильтрацию оптических несущих, если используется технология WDM. 13 – оптический интерфейсный блок, преобразующий физическую последовательность, эквивалентную модулю STM-N, в логическую импульсную последовательность. 14- блок демультиплексирования SDH, осуществляющий логическую декомпозицию импульсной последовательности модуля STM-N и выделение компонентных сигналов (трибов) требуемого уровня иерархии PDH . 15 – интерфейсный блок компонентных (трибных) сигналов, осуществляемым в блоке 3; 16 – блок разборки группового сигнала (фрейм/триба) PDH принятого уровня иерархии до требуемого, например E1, и выделение нужного тайм-слота. 17 – блок преобразования ИКМ – последовательности в выходной сигнал, выполняющий все необходимые обратные преобразования: помехоустойчивое декодирование и восстановление дискретизированного, квантованного и кодифицированного сигнала.
13.2 Источники оптического излучения.
Оптический передатчик ВОСП реализуется в виде единого передающего оптического модуля (ПОМ) – электронно-оптического преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов в оптические соответствующей длины волны.
Обобщенная структурная схема ПОМ приведена на рис.13.6, где приняты следующие обозначения:
Рис. 13.6. Обобщенная структурная схема оптического передатчика.
ФМС – формирователь модулирующего сигнала, осуществляющий преобразование сигнала, поступающего с выхода оборудования сопряжения, к виду, обеспечивающему оптимальный режим работы оптического модулятора или источника излучения;
МОИ – модулятор оптического излучения, в котором осуществляется модуляция одного из параметров оптического излучения (интенсивности, частоты, фазы, поляризации и др).
ИОИ – источник оптического излучения.
ОР – оптический разветвитель, обеспечивающий отвод оптического сигнала на СРРИОИ – стабилизатор режима работы источника оптического излучения.
ЛОС – линейный оптический сигнал (модулированное оптическое излучение, передаваемое по оптическому кабелю).
СВД – схема встроенной диагностики, предназначенная для контроля работоспособности ПОМ; СУ и ОС - согласующее устройство и оптический соединитель, обеспечивающие ввод сигнала в оптический кабель.
ОВ – оптическое волокно.
Основным блоком, определяющим качество функционирования ПОМ, является источник оптического излучения.
К источникам оптического излучения предъявляются следующие требования:
- длина волны оптического излучения должна совпадать с одним из окон прозрачности оптического волокна;
- достаточно большая мощность выходного излучения и эффективность его ввода в оптическое волокно;
- возможность модуляции оптического излучения различными способами;
- достаточно большой срок службы;
- минимальное потребление электрической энергии;
- минимальные габариты и вес;
- простота технологии производства, обеспечивающая невысокую стоимость и высокую воспроизводимость параметров и характеристик.
Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют источники оптического излучения на основе светоизлучающих диодов (СИД) и полупроводниковых лазерных диодов (ЛД).
Основными параметрами источника оптического излучения являются:
1. длина волны , мкм, соответствующая одному из минимумов спектральной характеристики затухания оптического волокно;
2. ширина спектра , нм;
3. мощность W, мВт, или абсолютный уровень мощности p, дБм;
4.ток возбуждения источника оптического излучения Iв, мА, под которым понимается минимальное значение тока, обеспечивающее устойчивое излучение;
1.эффективность излучения, т.е. коэффициент полезного действия (КПД) источника оптического излучения, под которым понимается отношение вида ) *100(%) (13.4..)
Где W0 – мощность оптического излучения; – мощность, потребляемая источником оптического излучения от внешнего источника электрической энергии.
2. Время нарастания импульса tнар, за которое его амплитуда возрастает до 0,1 до 0,9 своего номинального значения;
3. максимальная скорость передачи информации C, Мбит/с, или частота модуляции Fмод, МГц;
4. шумы источников оптического излучения.
Основными характеристиками источников оптического излучения является 1) ватт- амперная характеристика W0 = f(IВ), описывающая зависимость мощности оптического излучения W0 от тока возбуждения IВ (или инжекции – In) ; примерные ватт-амперные характеристики СИД и ЛД приведены на рис.14.8. 2) спектральная характеристика излучения при различных величинах тока возбуждения (инжекции), показывающая зависимость относительной
Рис .13.8.Ватт - амперная характеристика источника оптического излучения.
Мощности оптического излучения W/W0 = f() от длины волны, здесь W0- мощность излучения на номинальной длине волны 0 и W – на текущий длине в пределах соответствующего окна прозрачности оптического волокно; типичная спектральная характеристика источников приведена на рис .13.8.;
1.диаграмма направленности, представляющая собой пространственную характеристику излучения. После выхода света из источника начинается расширение светового пучка, и только часть его попадает в оптическое волокно. Чем диаграмма направленности, тем большая часть света может попасть в волокно.
Рис.13.9. Спектральная характеристика источника оптического излучения.
На рис.13.9 представлены типичные диаграммы направленности для светоизлучающих и лазерных диодов. Диаграмма направленности лазерного диода ближе к эллиптической форме, а светоизлучающего диода – к сферической. Когда диаметр источника излучения dи не соответствует диаметру сердцевины волокна dв, потери излучения могут быть определены из следующего выражения :
AД = 20 lg
Если апертура NAи источника больше, чем NAВ волокна, то потери Aа, вызванные этим рассогласованием, равны
Aа = 20 lg
Рис.13.10. Диаграмма направленности источников оптического излучения; а-светоизлучающий диод, б-лазерный диод.
Потери будут отсутствовать, если диаметр и апертура волокна больше диаметра и апертуры источника излучения.
Рассмотрим, например, источник оптического излучения с выходным диаметром пучка dи = 100 мкм и апертурой NAИ = 0,3 и подключенное к нему волокно с диаметром dв = 62/5 мкм и NAв = 0.275. Потери из-за рассогласования параметров волокна и источника излучения будут равны.
Общие потери составляют Aи = 4,08 + 0,76 = 4,84 дБ. Если выходная мощность источника излучения составляет 1 мВт, то только 0,328 мВт попадет в волокно.
13.3 Приемники оптического излучения.
Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ). Представлена на рис. 13.11 , где ОК – оптический кабель; ОС – оптический соединитель; ФД – фотодиод или фотодетектор; ПМШУ – предварительный малошумящий усилитель; МУ и АРУ – мощный усилитель с автоматической регулировкой усиления; ФК – фильтр-корректор.
Рис.13.11. Обобщенная структурная схема оптического приемника.
Оптический сигнал с выхода ОК через оптический соединитель ОС поступает на фотодетектор ФД, где происходит его преобразование в электрический сигнал. На выходе ФД электрический сигнал весьма мал и сопровождается различного вида шумами. Для его усиления используется предварительный малошумящий усилитель. Усиленный электрический сигнал далее усиливается мощным усилителем с автоматической регулировкой усиления МУ сАРУ и затем с помощью фильтра-корректора ФК осуществляется отфильтровывание помех и коррекция формы электрического сигнала, который и подается на оборудование сопряжения тракта приема ВОСП.
Базовым элементом оптического приемника ВОСП является фотодетектор – оптоэлектронный прибор, преобразующий оптический сигнал в электрический сигнал соответствующей формы.
Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов (ФД) с обратно смещенными p-n переходами, работающими на принципах внутреннего фотоэффекта. В технике оптических систем передачи широкое применение находят два типа фотодиодов: p-i-n и лавинный.
13.4 Принципы построения двухсторонних линейных трактов ЦВОСП.
Оптический сигнал при прохождении по оптическому кабелю (ОК) испытывает затухание, обусловленное собственными потерями из-за поглощения светового излучения и его рассеяния в материале ОВ. Спектральная зависимость этих потерь обусловливает амплитудно-частотные искажения сигналов и, следовательно, изменение их формы. Дисперсионные явления в ОВ приводят к рассеянию во времени спектральных или модовых составляющих сигнала, т.е. к различному времени их распространения.
Различие групповых скоростей различных составляющих оптического излучения приводит к изменению формы и длительности оптических импульсных сигналов, т.е. к их уширению. Эти искажения аналогичны фазочастотным (фазовым) искажениям и при определенных значениях могут вызвать межсимвольные или интерференционные помехи.
Таким образом, прохождение оптических сигналов по ОВ сопровождается линейными искажениями: частотными и фазами. Кроме того, происходят затухание и отражения оптических сигналов в разъемных и неразъемных соединителях строительных длин ОК и компонентов ВОСП.
Совокупность технических устройств, предназначенных для передачи оптического излучения определенной длины волны и обеспечивающих компенсацию затухания светового потока, коррекцию искажений сигналов, требуемую защищенность или вероятность ошибки, называется оптическим линейным трактом (ОЛТ). Обобщенная структурная схема ОЛТ приведена на рис.13.12. Назначение элементов схемы и их условные обозначения следующие:
Рис.13.12. Обобщенная структурная схема оптического линейного тракта.
ОП-А(Б) – оконечный пункт (оконечная станция) ВОСП, включающий в себя весь комплекс оборудования каналообразования, сопряжения и формирования оптического линейного сигнала (ОЛС);
ООЛТ-О – оборудование ОЛТ оконечного пункта, где происходит формирование ОЛС, параметры которого максимально согласованы с параметрами передачи оптического волокна (ОВ), а также ввод его в ОВ с минимально возможными потерями и искажениями;
УССЛК – устройства стыка (согласования) станционного (объектовоно) оптического кабеля (ОК) с линейным;
ТК – устройства телеконтроля, обеспечивающие контроль состояния оборудования ОЛТ и отображение информации о наличии неисправностей или предотказного состояния, поступающей от датчиков состояния контролируемых параметров;
ТМ – устройства телемеханики;
СС – устройства служебной связи различного типа и назначения, т.е. участковой, постанционной, магистральной;
УДПпер – устройства передачи дистанционного питания необслуживаемых ретрансляционных пунктов (НРтП), если их электропитание осуществляется по металлическим жилам оптического кабеля;
УВК-О – устройство ввода линейного ОК в оконечный, обслуживаемый и необслуживаемых ретрансляционных пункты;
ЛРт – линейный ретранслятор, осуществляющий компенсацию затухания ОК, разъемных и неразъемных соединений, устройство ввода-вывода оптического излучения, коррекцию формы оптических и электрических сигналов, восстановление необходимых временных и спектральных соотношений в исходных сигналах; ретранслятор может быть реализован как оптический усилитель или как регенератор электрического сигнала;
УДПпр – устройство приема и распределения дистанционного питания НРтП;
ООЛТпр(пер) – приемное и передающее оборудование ОЛТ обслуживаемого ретрансляционного пункта (ОртП);
АВ и ПП – аппаратура выделения или переприема групп каналов в ОртП (возможно и в НРтП) или ОП.
Основным элементом ОРтП и НРтП является линейный ретранслятор, обеспечивающий передачу оптического сигнала с заданными показателями качества. От ЛРт зависят основные технико-экономические показатели ОЛТ и ВОСП в целом. Структура ОЛТ и соответствующих ему ЛРт определяется выбранными способами передачи оптического и электрического сигнала (аналоговый, импульсный, цифровой и др.), видом модуляции (МИ, АМ, ЧМ, ФМ и др.) и приема (непосредственное детектирование, когерентный прием и др). Поскольку в настоящее время самое широкое распространение получили цифровые волоконно-оптические системы передачи с непосредственной модуляцией оптического излучения и прямым детектированием, в дальнейшем будем пользоваться привычной терминалогией цифровых систем передачи (ЦСП): регенератор (вместо ретранслятор), регенерационный участок (вместо ретрансляционный), обслуживаемый (ОРП) или необслуживаемый (НРП) регенерационный (вместо ретрансляционный) пункт. Обобщенная структурная схема линейного цифрового регенератора приведена на рис.13.13.
Рис.13.13 Обобщенная структурная схема линейного цифрового регенератора.
Назначение элементов и их условные обозначения следующие:
ОИ – оптическое излучение, поступающее из оптического кабеля;
ПРОМ – приёмный оптический модуль, преобразующий оптическое излучение в электрический сигнал, скорректированный и усиленный ;
УО – усилитель-ограничитель, срезающий пиковые значения электрического сигнала, а следовательно и аддитивные помехи.
ПУ – пороговой устройство;
РУ – решающее устройство;
ВТЧ – выделитель тактовой частоты;
ФУ – формирующее устройство импульсов заданной амплитуды, длительности и формы;
ПОМ – передающий оптический модуль, преобразующий электрический сигнал в оптическое излучение.
Назначение элементов регенератора очевидно из рассмотрения временных диаграмм его работы (рис.13.14). Здесь 1…6 – формы сигналов в различных точках схемы регенератора.
С выхода ПРОМ электрический сигнал совместно с аддитивной помехой поступает на УО (кривая 1). В УО происходит усиление этого сигнала и ограничение его амплитуды значением Uпор . Если входной сигнал больше порогового Uпор, то на выходе УО появится сигнал. Если входной сигнал меньше порогового Uпор, то сигнал на выходе УО не появятся. При этом происходит подавление части помех (кривая 2). С выхода УО свободный от аддитивных помех сигнал поступает на вход ПУ и ВТЧ, (кривая 3).
Рис.13.14. Временные диаграммы работы цифрового линейного регенератора
Сигнал на выходе ВТЧ представляет собой периодическую последовательность импульсов (кривая 4), следующих с тактовой частотой fт = 1 / Т, где T – период следования импульсов.
На один из входов РУ подается информационная последовательность о выхода ПУ, а на другой – тактовая последовательность импульсов. В случае их совпадения на выходе РУ появляются импульсы (кривая 5) определенной амплитуды и длительности, необходимые для запуска ФУ.
В ФУ происходит полная регенерация формы импульсов (кривая 6), которые затем поступают на вход ПОМ, где может осуществляться модуляция оптического излучения.
Необходимо отметить, что периодическая последовательность импульсов на выходе ВТЧ (4,рис.13.14) обязательно фазируется с откорректированными импульсами на выходе ПУ с целью уменьшения так называемых фазовых дрожаний (флуктуаций), обусловленных погрешностями работы ВТЧ.
Пороговые устройство и усилитель-ограничитель являются основными элементами регенератора, обеспечивающими его помехоустойчивость, и требуют точной установки порогового напряжения Uпор и стабильного усиления. Изменение порогового напряжения в любую сторону снижает помехоустойчивость регенератора, так как приводит к нарушению оптимального соотношения между максимальными значением откорректированного импульса на входе УО и пороговым напряжением ПУ. Для поддержания постоянства такого оптимального соотношения в регенераторе применяется автоматическая регулировка усиления (АРУ).
13.5 Методы уплотнения волоконно-оптических линий связи.
В настоящие время благодаря бурному развитию различных сетевых технологий в телекоммуникационной индустрии происходит переход от телефонных систем к системам передачи данных. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к транспортным сетям передачи данных, является возможность быстрого увеличения их пропускной способность в соответствии с ростом объемов трафика.
В транспортных сетях обычно выделяют три уровня: магистральный, распределения и доступа. Магистральный уровень характеризуется большой пропускной способностью и используется для передачи трафика в пределах региона или города. Для уровня распределения характерна меньшая пропускная способность, меньшие расстояния и более сложная сетевая топология. Уровень доступа используется небольшой пропускной способностью.
К транспортным сетям нового поколения предъявляются различные требования. На уровне доступа главное – гибкость и экономичность. На уровне распределения важна возможность объединения различных видов трафика и его диспетчеризации. На магистральном уровне решающей становится возможность быстрого увеличения пропускной способности сетей в соответствии с ростом трафика. Этого можно достичь, используя различные технологические решения:
прокладка новых оптических кабелей. Этот процесс в настоящее время ведется достаточно интенсивно, однако он сопряжен с необходимостью долгосрочного планирования, больших капиталовложений и не всегда возможен;
использование элементной базы с большим быстродействием (10…100 Гбит/с). В этом случае, выбирая аппаратуру, придется исходить не из ее цены и качества, а стремиться использовать самые последние технологические достижения;
переход от электронных компонент к оптическим компонентам (усилителям, фильтрам и т.д.). В отличие от электронных компонент, параметры большинства оптических компонент не зависят от скорости передачи будут небольшим. Однако возможность реализации данного подхода зависит от наличия необходимого набора оптических компонент и их совместимости;
применение технологии уплотнения каналов. В основе метод уплотнения волоконно-оптических линий связи лежит процесс мультиплексирования, т.е. одновременной передачи несколько потоков излучения по одному волокну(одной паре волокон).
ВОСП с частотным, или гетеродинным, уплотнением;
ВОСП с временным уплотнением;
ВОСП со спектральным уплотнением.
В ВОСП с частотным мультиплексированием для получения близко расположенных спектральных каналов чаще всего используется один высокостабильный источник оптического сигнала. Несколько спектрально разнесенных несущих от этого источника получают, используя соответствующее несущих от этого источника получают, используя соответствующие устройства сдвига оптической несущей. Уплотнение, использующее такой принцип формирования оптических несущих, называется частотным, или гетеродинным, уплотнением.
Основным достоинством данного метода является высокий коэффициент использования пропускной способности ОВ.
К недостаткам данного метода можно отнести то, что требуется оптический тракт приема и передачи с сохранением поляризации, оптических усилителей, систем автоподстройки частоты и т.п.), что значительно усложняет ВОСП и увеличивает ее стоимость.
Технология временного уплотнения (мультиплексирования) предусматривает объединение нескольких входных низкоскоростных информационных или компонентных потоков в один составной высокоскоростной. Входные потоки по очереди модулируются высокочастотную несущую в течение выделенных им коротких промежутков времени (тайм-слотов), которые периодически повторяются. Мультиплексор на одной стороне канала связи собирает данные со всех источников и передает их по волокну в течение соответствующих тайм слотов. Демультиплексор на другой стороне линии связи выделяет тайм-слоты , считывает данные и предает их соответствующим пользователям уже в виде выходных потоков.
Объединение может быть осуществлено на уровне электрических сигналов или на уровне оптических сигналов приведено на рис. 7.9 , где использованы следующие обозначения: 1…N – источники компонентных информационных потоков, представляющих многоканальные электрические сигналы; MUX- временной мультиплексор, который, создавая групповой электрический сигнал, последовательно подключает компонентные многоканальные электрические сигналы к общему оптическому передатчику (Опер) на определенный временной интервал;ОВ – оптическое волокно; ОПр – оптический приемник, преобразующий оптический сигнал в групповой электрический, содержащий N компонентных многоканальных электрических сигналов; DMUX – временной демультиплексор, распределяет принятые компонентные многоканальные электрические сигналы по соответствующим приемникам 1…N.
Рис.13.15. Временное мультиплексирование на уровне электрических сигналов.
Мультиплексор и демультиплексор должны работать синхронно. Отметим, что компонентные информационные потоки могут быть сформированы как на основе систем передачи с частотным разделением каналов, так и на основе цифровых систем передачи.
Схема с временным мультиплексированием (уплотнением) на уровне оптических сигналов приведена на рис 13.16, где использованы следующие обозначения: ОПер1…N – оптические передатчики 1…N компонентных информационных потоков (многоканальных электрических сигналов аналоговых или цифровых, преобразованных в оптические сигналы); OMUX – оптический мультиплексор, осуществляющий задержку оптического сигнала от каждого ОПер на величину (здесь N– число компонентных информационных потоков или оптических сигналов в групповой оптической поток и направляющий его в оптическое волокно (ОВ); ODMUX – оптический демультиплексор, осуществляющий на приеме обратные преобразования
Рис.13.16. Временное мультиплексирование на уровне оптических сигналов.
При временном мультиплексировании, как на уровне электрических сигналов, так на уровне оптических, требуется передача коротких (наносекундных) световых импульсов. Однако передача субнаносекундных импульсов предъявляет чрезвычайно высокие, близкие к предельным, требования к быстродействию оптоэлектронных компонентов оптических передатчиков и приемников ВОСП. Кроме того, скорость передачи или широкополосность оптических трактов ограничивается дисперсионными свойствами ОВ. Использование технологии TDM позволило увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи до 10 Гбит/с. Линии со скоростью 10 Гбит/с будут постепенно заменять первоначально использовавшиеся системы TDM со скоростью 2.5 Гбит/с. Скорость передачи 10 Гбит/с в некотором роде разграничивает два типа систем TDM. Выше этой скорости некоторые основные характеристики оптического волокна (поляризационная модовая дисперсия, хроматическая дисперсия) начинают значительно влиять на качество передачи и должны приниматься во внимание при разработке систем связи. Это является серьезным препятствием для ведущихся в настоящее время разработок систем TDM со скоростями передачи 40 Гбит/с и выше. Кроме того, для дальнейшего увеличения скорости требуются новые методы модуляции лазерного излучения, что ведет к росту сложности и стоимости приемно-передающего оборудования.
Дальнейшее увеличение скорости передачи с помощью технологии TDM требует разработки и внедрения исключительно сложных и дорогостоящих электронных компонентов, кроме того, повышаются требования к точности синхронизации при мультиплексировании и демультиплексировании на сверхвысоких частотах.
Технологией, позволяющей многократно (более чем в 100 раз) повысить емкость ВОЛС при использовании существующего активного оборудования, является технология спектрального разделения каналов передачи. Эта технология в зарубежной литературе получила название wavelength division multiplexing (WDM). В отечественной литературе более 20 лет применяется термин спектральное уплотнение (СУ). Используются также термины оптическое мультиплексирование с разделением по длинам волн, волновое или спектральное мультиплексирование. В руководящем документе отрасли связи (РД 45.286-2002) используется термин волоконно-оптические системы передачи со спектральным разделением (ВОСП-СР).
Сущность метода WDM заключается в одновременной передаче по одному ОВ нескольких независимых спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется многоканальным сигналом, сформированным соответствующим оборудованием. Каждая компонента с определенной длиной волны представляет собой отдельный оптический канал передачи информации со своим передатчиком и приемником. Добавление нового канала в линию связи сводится к введению новой компоненты светового пучка на незанятой длине волны и никак не затрагивает работу уже существующих каналов передачи сигналов. Для передачи информации по разным каналам могу использоваться аналоговые и цифровые сигналы, различные протоколы и скорости передачи. Такая возможность объединения, передачи по волокну и последующего разделения каналов с разными длинами волн несущей основана на принципе суперпозиции (независимости) волн в линейной оптике. Нелинейное взаимодействие волн может привести к проявлению нежелательных перекрестных помех, и поэтому требуется принимать меры по ослаблению нелинейных эффектов в WDM-системах связи.
Структурная схема ВОСП со спектральным разделениям оптических каналов показана на рис.13.17, где к уже принятым обозначениям добавляются новые: ОФМС – оборудование формирования многоканального сигнала, представляющего совокупность каналообразующего оборудование (КОО) и оборудования сопряжения (ОС), предназначенного для формирования электрического сигнала, параметры которого согласованы с оптическим передатчиком (ОПер) и оптическим приемником (ОПр); УСО (или MUX – мультиплексор WDM) – устройство спектрального объединения, осуществляющее ввод различных оптических несущих в одно волокно (ОВ);УСР (или DMUX – демултиплексорWDM) – устройство спектрального разделения, где оптические несущие разделятюся и поступают на оптические приемники.
На передающей станции имеется n систем передачи (однотипных или разнотипных), сигналы которых подаются на nоптических передатчиков, излучающих различные оптические несущие 1,2,…n-1, n. С помощью УСО осуществляется ввод различных оптических сигналов в ОВ.
Рисунка 13.17 Структурная схема ВОСП со спектральным разделением.
На приемной стороне в УСР оптические несущие разделяются и подаются на оптические приемники и далее на ОФМС. Таким образом, по одному ОВ организуется n спектрально разделенных оптических каналов, т.е. пропускная способность ОВ увеличивается в n раз по сравнению с традиционным построением оптических систем передачи. Кроме того, этот метод позволяет обеспечить развитие сетей связи без проведения дополнительных строительных работ, а также создавать разветвленные сети любой структуры с пассивными элементами спектрального уплотнения в местах разделения или выделения световых потоков.
Для объединения и разделения оптических несущих могут использоваться различные оптические спектральные устройства: мультиплексоры, демультиплексоры, работа которых основана на явлениях физической оптики: дисперсия, дифракция и интерференция. В основе структуры мультиплексоров и демультиплексоров может быть оптическая призма, многослойный диэлектрик, дифракционная решетка и др.
Рост пропускной способности при использовании технологии WDM осуществляется без дорогостоящей замены оптического кабеля. Применение технологии WDM позволяет сдавать в аренду не только оптические кабели или волокна, но и отдельные длины волн, т.е. реализовать концепцию виртуального волокна. По одному волокну на разных длинах волн можно одновременно передавать самые разные приложения – кабельное телевидение, телефонию, трафик Интернет, видео по требованию и т.д. Как следствие этого, часть волокон в оптическом кабеле можно использовать для резерва.
Применение технологии WDM позволяет исключить дополнительную прокладку оптических кабелей в существующей сети. Даже если в будущем стоимость волокна уменьшится за счет использования новых технологий, волоконно-оптическая инфраструктура (проложенное волокно и установленное оборудование) всегда будет стоить достаточно дорого. Для ее эффективного использования необходимо иметь возможность в течение долгого времени увеличивать пропускную способность сети и менять набор предоставляемых услуг без замены оптического кабеля. Технология WDM предоставляет именно такую возможность.
Первыми WDM – системами, нашедшими практическое применение, стали двухволновые WDM-системы, объединившие две основные несущие длины волн 1310 нм и 1550 нм из 2-го и 3-го окон прозрачности в одном одномодовом волокне. Практический успех двухволновыхWDM –систем обусловлен тем, что они позволяют либо удвоить скорость передачи сигналов по одному волокну, либо создать дуплексные системы на одном волокне, не изменяя существующего активного оборудования и используя простые и надежные двухволновые мультиплексоры/демультиплексоры. Простота таких систем, обусловленная очень большим спектральным интервалом (более 200 нм), вместе с тем ограничивает дальнейший рост их пропускной способности. Реально двух волновые WDM-системы позволяют подключить еще только один канал с длиной волны 1650 или 1490 нм.
Двухволновые WDM-системы широко используются в сетях доступа, в частности в пассивных оптических сетях (PON).
В середине 1990-х годов благодаря широкому внедрению оптических усилителей на основе волокон, легированных эрбием (EDFA, Erbiumdopedfiberamplifier), начинает бурно развиваться технология спектрального мультиплексирования с плотным расположением спектральных каналов, для обозначения которой используется аббревиатура DWDM (DenseWDM). Экономическая эффективность систем DWDM в системах дальней связи резко увеличилась с применением оптических усилителей, так как одно устройство – усилитель – заменило десятки регенераторов, использовавшихся до появления оптических усилителей для восстановления оптических сигналов каждого спектрального канала отдельно. Системы электрической регенерации сигналов, применяемые, например, в сетях SDH, являются весьма дорогими и, кроме того, протокольно зависимыми, так как они могут воспринимать только определенный вид кодирования сигнала.
Технология DWDM оказалась незаменимой в линиях дальней связи, в которых необходимо передавать огромные потоки информации на большие расстояние, требующие применения оптических усилителей. Кроме того, в последнее время активно развиваются городские сети и сети доступа, в которых также целесообразно применение технологий спектрального мультиплексирования. В некоторых из них не требуется столь высокие суммарные потоки информации, которые обеспечивает технология DWDM. Поэтому вновь возродился интерес к WDM-системам с менее плотным расположением спектральные каналов. Такие системы называются системами с грубым спектральным мультиплексиронием, и для них принято международное обозначение CDWM(CoarseWDM). Международным стандартом ITUG.624.2 установлена спектральная сетка для центральных длин волн CWDM –каналов. Соседние каналы разделены спектральным интервалом 20 нм в диапазоне длин волн от 1270 до 1610нм.
Стандарт определяет и область применения технология CWDM – городские сети с расстоянием до 50 км.
Основное преимущество технологии CWDM перед технологией DWDM – меньшая стоимость. Оценки, сделанные различными авторами, показывают, что цены на CWDM – системы в 1,5-2,5 раза ниже цен не аналогичные DWDM-системы. Снижение цены обусловлено меньшей стоимостью компонентов. В частности, используемые в CWDM-системах оптические передатчики не требуют температурной стабилизация лазеров обязательна), стоимость CWDM – мультиплексоров ниже стоимость DWDM –мультиплексоров. Главный недостаток технологии CWDM заключается в ограниченных возможностях масштабирования информации по мере суммарного по всем каналам потока передаваемой информации по мере роста потребностей заказчика.
Выделяют три основных достоинства технологии WDM:
Пропускную способность транспортной сети с WDM можно наращивать, увеличивая число каналов (длин волн), применимых в системах передачи, и не повышая скорости передачи в едином составном канале, как это реализовано в технологии TDM.
Транспортные сети, основанные на технологии WDM, обладают большой гибкостью, так как, во-первых, каждый спектральный канал можно использовать независимо для передачи различных видов трафика. Например, на одной длине волны можно передавать Internet, на другой SONET или ATM. Во-вторых, можно не ограничиваться использованием только физической топологии сети, а строить также различного рода виртуальные сети.
Сигналы, передаваемые по одному волокну, во всех спектральных каналах можно усиливать с помощью одного оптического усилителя. Этим оптические усилители выгодно отличаются от ретрансляторов, где для каждого спектрального канала необходимо использовать отдельный электрический усилитель.
Контрольные вопросы.
1. Назовите состав технические средства ВОСП.
2. Назовите основные достоинства ВОСП.
3. Поясните особенности распространения сигнала по оптическому волокну .
4. В чем заключается сущность и каковы возможности спектрального уплотнения.
5. Сравните возможности различных технологий спектрального уплотнения.
6. Какие требования предъявляются к источникам оптического излучения?
7. Какие требования предъявляются к приемникам оптического излучения?
8. Принцип аналоговые волоконно-оптические системы передачи (АВОСП).
9. Принцип цифровые волоконно-оптические системы передачи (ЦВОСП).
10. Принцип построения двухволоконной однополосной однокабельной
ВОСП.
11. Обобщенная структурная схема ВОСП.
12. Назовите основные типы и характеристики источников оптического излучения.
13. Какие требования предъявляются к приемникам оптического излучения?
14. Назовите основные типы и характеристики приемников оптического излучения.
15. Назовите способы модуляции оптического излучения.
16. Назовите типы оптических модуляторов и поясните принципы их работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов Иванов В.В., Гордиенко В.Н., Попов и др.: под редакцией В.И. Иванова; Москва; Радио и связь, 1995- 232.
2. В.В. Крухмалиев , В.Н. Гордиенко, А.Д. Моченов . Цифровые системы передачи. Москва, Горячая линия – Телеком 2007.
3. Скалин Ю.В., Бернштейн А.Г. Цифровые системы передачи. – М.: Радио и связь, 1988.-272с.
4.Берганов И.Р., Гордиенко В.Н. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи.- М.: Радио и связь, 1989-272с.
5. Дурнев В.Г., Стандрик В.Д. Основы построения систем передачи ЕАСС: Учебник для повышения квалификации рабочих связи на производстве.-М.: Радио и связь, 1985. – 208 с, ил
6. Л.С. Левин, М.А. Плоткин. Цифровые системы передачи информации.Москва «Радио и связь» 1982.
7. О. К. Скляров. Волоконно-оптические системы передачи — фундамент телекоммуникационной сети. Технологии и средства связи 2003-150.
8. Иванов А.Б. Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения. – М.: Сайрус Системе, 1999. – 671с.
9. Слепоп Н.Н. Современные технологии цифровых оптиволоконных сетей связи. – М.: Радио и связь, 2000 -468с.
10. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH. М.: Эко-Трендз, 1997. - 148с.
11. Гордиенко В.Н., Кунегин С.В. Современные высокоскоростные цифровые телекоммуникационные системы. Часть 4. Проектирование высокоскористных синхронных сетей СЦИ.- м.: МТУСИ, 2001.-28
12. Л.С. Левин, М.А. Плоткин. Цифровые системы передачи информации. Москва « Радио и связь» 1982 г.
13.Э.А. Кудрявцева, О.Б. Гавриленко. Телекоммуникационные цифровые системы передачи. Учебное пособие, Новосибирск - 2004г.
14. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов / 13.11. Иванов В.В., Гордиенко В.Н., Попов и др.: под редакцией В.И. Иванова; Москва; Радио и связь, 1995- 232.
15. Телекоммуникационные системы и сети. Учебное пособие. В 3-х томах. Том1 – Современные технологии / Б.И. Крук, В.Н. Попандопалас, В.П. Шувалов; под ред. проф. В.П. Шувалова. – Изд. 3-е, испр. и доп. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. - 647 с.

Форма импульса электрического / сигнала	В соответствии с рисунком «V» определяется значением номинальной пиковой амплитуды импульса
Тип пары в каждом направлении	Одна коаксиальная пара	Одна симметричная пара
Импеданс	75 Ом	120 Ом
Номинальное пиковое напряжение импульса	2.37 В	3 В
Пиковое напряжение при отсутствии импульса	0 ± 0.237 В	0 ± 0.3 В
Номинальная ширина импульса	244 нс
Отношение амплитуд положительного и отрицательного импульсов в середине импульсного интервала	от 0.95 до 1.05
Отношение ширины положительного и отрицательного импульсов с середине номинальной амплитуды	от 0.95 до 1.05

Форма импульса электрического сигнала	В соответствии с рисунком «V» определяется значением номинальной пиковой амплитуды импульса
Тип пары в каждом направлении	Одна коаксиальная пара	Одна симметричная пара
Импеданс	75 Ом	120 Ом
Номинальное пиковое напряжение импульса	2.37 В	3 В
Пиковое напряжение при отсутствии импульса	0 ± 0.237 В	0 ± 0.3 В
Номинальная ширина импульса	244 нс
Отношение амплитуд положительного и отрицательного импульсов в середине импульсного интервала	от 0.95 до 1.05

269 нс (244+25)

10% 20%
10% 20%

194 нс
244-50

244 нс

219 нс (244-25)

10%
10%

10%
10%

20%

488 нс (244+244)

Рисунка 2.9. Структура первичного группового сигнала потока Е1

Виды передаваемой / информации	Номер позиции / в цикле	Номер группы / в цикле
Синхросигнала	1-8	1
Информационные символы	9-264
Первые символы КСС	1-4	2
Символы служебной связи	5-8
Информационные символы	9-264
Вторые символы КСС	1-4	3
Символы дискретной информации	5-8
Информационные символы	9-264
Третьи символы КСС	1-4	4
Информационные символы, формируемые при отрицательном согласовании скоростей, сигналы контроля и сигнализации	5-8
Информационные символы	9-264	5

Вид передаваемой информации	Номер группы в цикле	Номера позиций в группе
Цикловый синхросигнал (111101000000) / Информационные символы	I	1…12 / 13…716
Первые символы КСС / Символы служебной связи / Сигналы контроля и сигнализации / Вторые символы КСС / Информационные символы	II	1…4 / 5…6 / 7…8 / 9…12 / 13…716
Третьи символы КСС / имволы дискретной информации / нформационные символы, формируемые ри отрицательном согласовании скоростей / Информационные символы	III	1…4 / 5…8 / 9…12 / 13…716

Контрольные вопросы.
1. Необходимость иерархии цифровых систем передачи на основе ИКМ.
2. Способы объединения цифровых потоков, их сравнительный анализ и область применения.
3. Сущность асинхронного объединения цифровых потоков. Причины пояления неоднородностей в агрегатном цифровом потоке.
4.Изобразите схему мультиплексирования цифровых потоков PDH.
5.Сущность согласования скоростей. Способы согласования скоростей , их достоинства и недостатки.
6. Структурная схема тракта передачи оборудования цикла передачи ЦСП ИКМ –ВРК.
7.Поясните назначение символов потока E1.

Тип кабеля	Т-0,7	Т-0,6	Т-0,7	ТПП-0,5	ТПП-0,7
Длина регенерационного / участка, км / Максимальное расстояние / Между ОРП и ОЛТ, км	0,35-1,5 / 30	0,52-2,3 / 46	0,59-2,6 / 52	0,47-2,0 / 40	0,62-2,7 / 54

j1	Индикация пути (постоянное подтверждение наличия связи)
B3	Контроль четности (контроль качества тракта) в предыдущем контейнере
C2	Структура (компоновка) виртуального контейнера
G1	Состояние маршрута (наличие ошибок или сбоев)
F2	Техническое обслуживание
H4	Обобщенная индикация положения нагрузки (компонентных блоков)
F3	Техническое обслуживание
K3	Автоматическое защитное переключение
N1	Контроль транзитного (тандемного) соединения

#

#