Принципи побудови апаратури цифрових систем передачі (ЦСП)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИНЦИПИ ПОБУДОВИ АПАРАТУРИ ЦИФРОВИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧІ (ЦСП)

1. Порівнювальна оцінка ЦСП з АСП. Загальна характеристика цифрової ієрархії ЦСП

Сьогодні практично всі сучасні телекомунікаційні технології передбачають використання цифрових методів обробки й передачі інформації, побудову телекомунікаційних мереж на базі цифрових систем передачі (ЦСП). Доцільність такого напрямку розвитку телекомунікаційних технологій обумовлена істотними перевагами цифрових методів обробки й передачі інформації перед аналоговими.

До таких переваг можна віднести:

висока завадостійкість;

слабка залежність якості передачі сигналів від довжини лінії зв'язку;

стабільність електричних характеристик каналів і трактів передачі;

ефективне використання пропускної здатності каналів для передачі дискретних сигналів;

можливість побудови цифрової мережі зв'язку;

високі техніко-економічні показники ЦСП.

Висока завадостійкість ЦСП обумовлена поданням передавальної інформації в цифровій формі у вигляді послідовності імпульсів з невеликою кількістю дозволених рівнів (у більшості ЦСП не більше трьох) і детермінованою частотою проходження, що дозволяє відновлювати (регенерувати) ці імпульси в процесі передачі їх по лінії зв'язку. Можливість регенерації імпульсів різко знижує вплив перешкод і перекручувань на якість передачі інформації, тобто істотно знижує вплив перешкод на цифровий сигнал що передається. У результаті цього ЦСП можуть використовуватися на таких лініях зв'язку, на яких аналогові системи передачі не забезпечують необхідної якості передачі сигналів.

Слабка залежність якості передачі від довжини лінії зв'язку забезпечується тим, що завдяки регенерації сигналів, що передаються, перекручування сигналів у межах регенераторної ділянки мізерно малі. При цьому довжина регенераторної ділянки й устаткування регенератора не залежать від довжини лінії зв'язку, тобто залишаються такими ж, як при передачі на великі, так і при передачі на малі відстані. Так, зі збільшенням довжини лінії зв'язку в 100 разів для збереження якості передачі інформації достатньо зменшити довжину регенераційної ділянки на декілька (2-3) відсотків.

Стабільність параметрів каналів (залишкового загасання, частотної й амплітудної характеристик і т.д.) визначається в основному пристроями обробки сигналів в аналоговій формі, тому що ці пристрої більшою мірою, ніж цифрові, піддані впливу зміни температури, вологості й інших факторів. Оскільки аналогові пристрої становлять незначну частину апаратури ЦСП, то стабільність параметрів каналів у таких системах значно вища, ніж в аналогових.

Цьому також сприяють особливості ЦСП із тимчасовим поділом каналів, серед яких основними є відсутність впливу завантаження системи передачі на параметри окремих каналів й ідентичність параметрів усіх каналів. Як відомо, в аналогових системах передачі якість каналів зв'язку залежить як від завантаження системи передачі, так і від розміщення каналів зв'язку в лінійному спектрі.

Ефективність використання пропускної здатності при передачі дискретних сигналів забезпечується можливістю введення цих сигналів безпосередньо в груповий тракт ЦСП, у результаті чого швидкість їхньої передачі може наближатися до швидкості передачі групового сигналу. Так, наприклад, швидкість передачі сигналів по цифровому каналу, що відповідає одному стандартному каналу тональної частоти (ТЧ), може досягати 64 кбіт/с, у той час як швидкість передачі по каналу ТЧ в аналогових системах практично на порядок нижча.

Можливість побудови інтегральної цифрової мережі обумовлена тим, що всі види сигналів (телефонні, факсимільні, телевізійні й ін.) подаються в єдиній цифровій формі. При цьому в такій мережі передача ввід-вивід, транзит і комутація здійснюються також у цифровій формі, що дозволяє реалізувати весь апаратурний комплекс мережі зв'язку на цифровій основі, використовувати сучасне комунікаційне устаткування, комп'ютерні технології. В остаточному підсумку це забезпечує побудову високошвидкісної телекомунікаційної мережі з високими якісними показниками.

Високі інженерно-економічні показники ЦСП досягаються за рахунок реалізації апаратури на електронній основі із широким застосуванням електронної елементної бази (пристроїв обчислювальної техніки, інтегральних мікросхем, мікропроцесорів, мультиплексорів і т.д.) Це дозволяє уніфікувати устаткування, знизити енергоємність, вагу, габарити, підвищити надійність устаткування. Крім того, експлуатація сучасних ЦСП простіше експлуатації АСП, оскільки висока стабільність електронних цифрових пристроїв усуває необхідність регулювання вузлів апаратури ЦСП. З'являються й широко використовуються можливості організації автоматизованого контролю за станом апаратури ЦСП, що так само забезпечує підвищення техніко-економічних показників ЦСП.

На сьогодні існують два різновиди ієрархії - плезіосинхронна цифрова ієрархія (ПЦІ) і синхронна (СЦІ), англомовна абревіатура яких PDH і SDH відповідно.

ЦСП ієрархії PDH побудовані на послідовному з'єднанні стандартних груп каналів - первинних (ПГ), вторинних (ВГ), третинних (ТГ), четвертинних (ЧГ) і т.д., аналогічно тому, як це робиться і в ієрархії АСП.

В ЦСП аналогом типового каналу ТЧ є основний цифровий канал (ОЦК) зі швидкістю передачі В = 64 кбіт/с. Як первинна група використовується 30-ти канальна ЦСП зі швидкістю передачі 2048 кбіт/с.

Первинний цифровий потік може формуватися також шляхом об'єднання двох субпервинних потоків зі швидкостями 1024 кбіт/с кожний.

Сигнали ЦСП більш високих рівнів ієрархії будуються шляхом часового мультиплексування сигналів ЦСП попередніх рівнів.

На рис. 1 наведена плезіосинхронна цифрова ієрархія, яка прийнята в Україні та інших країнах Європи.

У європейському варіанті ієрархії ЦСП системи більш високого рівня (агрегатні системи) формуються шляхом мультиплексування (об'єднання) сигналів чотирьох систем попереднього рівня. Таким чином, коефіцієнт часового мультиплексування дорівнює чотирьом. Наприклад, із сигналів чотирьох ПГ (ІКМ-30) формується груповий сигнал ЦСП ІКМ-120, далі - ІКМ-480, ІКМ-1920. Швидкості передачі цих ЦСП дорівнюють відповідно 8448 кбіт/с, 34368 кбіт/с і 139264 кбіт/с. Як бачимо, кількість каналів в агрегатній системі більша, ніж у компонентній, в чотири рази, а швидкість передачі агрегатної системи перевищує швидкість передачі компонентної системи більш, ніж в чотири рази, тобто має місце збитковість швидкості передачі. Ця збитковість необхідна, бо в агрегатному цифровому потоці крім компонентних цифрових потоків потрібно передавати синхросигнали та інші службові сигнали, які забезпечують роботу агрегатної системи. Цифрові потоки ОЦК, ЦСП ІКМ-30, ІКМ-120, ІКМ-480 і ІКМ-1920 у теперішній час мають позначення Е0, Е1, Е2, Е3 і Е4 відповідно.

Рисунок 1

У північноамериканській та японській ієрархіях ЦСП первинною групою є 24 - канальна група (DS1), а кількість каналів груп більш високого порядку не кратна чотирьом, тобто коефіцієнт мультиплексування змінний.

Системи ієрархії PDH розроблені і розвивалися у другій половині минулого століття. Але протягом часу суттєво зросла необхідність у збільшенні швидкості передачі зростаючих потоків інформації, необхідність в ефективному керуванні цими потоками і контролю якості передачі сигналів, чого вже не могли повною мірою забезпечити ЦСП ієрархії PDH. Подальший розвиток технології цифрового зв'язку спричинив створення ЦСП синхронної ієрархії (SDH).

У системах передачі технології SDH базова швидкість передачі значно вища, ніж в технології PDH - вона складає 155,52 Мбіт/с. Це та швидкість, що забезпечує синхронний транспортний модуль STM-1 (що відповідає приблизно швидкості передачі ЦСП четвертинної системи ієрархії PDH - ІКМ - 1920, яка дорівнює 139,264 Мбіт/с.)

Вся інформація, що передається, розміщується в синхронному транспортному модулі (STM). Вхідними потоками STM-1 є цифрові потоки ЦСП ієрархії PDH. У технології SDH використовуються синхронні модулі різних рівнів, які створюються шляхом мультиплексування компонентних цифрових потоків синхронних модулів нижніх рівнів. Коефіцієнт мультиплексування цифрових потоків більш високого рівня дорівнює чотирьом, таким є коефіцієнт зростання швидкості передачі. Зокрема, використовуються такі STM-N зі швидкостями: STM-1 (155,52 Мбіт/с); STM-4 (622,08 Мбіт/с); STM-16 (2488,32 Мбіт/с); STM-64 (9953,28 Мбіт/с); STM-256 (39813,12 Мбіт/с).

Інформація, що передається, упаковується в STM у вигляді віртуального контейнера. Кожний контейнер постачається додатковою інформацією, яка зазначає місце розміщення контейнера серед інших у складі STM, та адресу пункту призначення інформації цього контейнера.

2. Стисла характеристика видів модуляції, що використовується у ЦСП

У ЦСП процес перетворення аналогового сигналу у цифровий передбачає виконання таких операцій: дискретизацію сигналу за часом, квантування за рівнем і кодування. Практично в аналого-цифрових перетворювачах, зазвичай, квантування і кодування абонентських аналогових сигналів виконується одночасно. Подальше формування групового багатоканального цифрового сигналу здійснюється шляхом часового мультиплексування.

Дискретизація за часом полягає у перетворенні сигналу у послідовність сигналів (відліків, дискрет) у дискретні моменти часу
(рис. 2, а):

,

де - період дискретизації, .

Сутність квантування полягає у заміні значення рівня кожного з відліків (вибірок, дискрет) найближчим дозволеним рівнем (рис. 2, б). Сусідні рівні квантування і відрізняються на величину кроку квантування . Кожному з дозволених рівнів однозначно відповідає визначена кількість кроків квантування, тобто відповідає визначене число.

Рисунок 2

Кодування полягає у відображенні величини рівня квантованого сигналу відповідним цифровим еквівалентом - числом, яке записано у тій чи іншій системі лічення, з наступним перетворенням цього числа в еквівалентну комбінацію електричних сигналів (рис 2, в). Під час використання двійкового коду співвідношення, що визначає квантований сигнал, має вигляд

,

де - крок квантування;

= 0; 1; - розрядність кодової комбінації, що однозначно пов'язана з дозволеною кількістю рівнів дискрет співвідношенням . Отримані цифрові відліки передаються у вигляді комбінацій імпульсів («одиниць») і пауз («нулів»).

Розглянутий спосіб аналого-цифрового перетворення, що забезпечує кодування абсолютної величини відліку (дискрети) сигналу, являє собою імпульсно-кодову модуляцію (ІКМ). Окрім ІКМ використовуються її різновиди: диференційна (відносна) імпульсно-кодова модуляція (ДІКМ) і дельта-модуляція (ДМ). На відміну від ІКМ у цих видах модуляції кодується не абсолютна величина відліку (дискрети), а відносна, що дорівнює різниці поточного значення рівня відліку і його попереднього значення.

3. Структурна схема кінцевої станції ЦСП

Структурна схема кінцевої станції ЦСП наведена на рис. 3. До її складу входять індивідуальне (ІО) та групове обладнання (ГО). Індивідуальне обладнання забезпечує обробку сигналів індивідуальних каналів, а групове - обробку групового сигналу. Індивідуальне обладнання усіх N каналів однакове, тому на рис 3 показано ІО тільки одного каналу. В склад передавальної частини цього обладнання входять диференційна система (ДС), підсилювач низької частоти (ПНЧ), фільтр низької частоти (ФНЧ) і модулятор (М). Сигнали від абонента проходять через ДС, підсилювач, ФНЧ, де здійснюється обмеження спектра сигналу ( кГц) перед дискретизацією, яку виконує модулятор. Модулятор (електронний ключ) формує амплітудно - імпульсний сигнал (дискрети, відліки). Роботою модулятора управляють імпульси, які надходять з генераторного обладнання з частотою дискретизації ().

У груповому обладнанні імпульси групового АІМ сигналу розширюються, їх амплітуда (рівень) втримується постійною (виконується перетворення АІМ-1 в АІМ-2) в межах канального часового інтервалу. Далі груповий АІМ сигнал надходить до кодера (КОД), де кожна дискрета АІМ сигналу перетворюється у 8-розрядну кодову комбінацію ІКМ сигналу. Таким чином, на виході кодера маємо послідовність групового ІКМ сигналу. Внаслідок того, що для нормальної роботи систем з часовим мультиплексуванням сигналів необхідно позначати початок циклу передачі, тому в інформаційний цифровий потік додається сигнал циклової синхронізації, що формується формувачем синхросигналу (ФСС). Крім того, передбачена передача сигналів управління і взаємодії (СУВ), які необхідні для управління приборами АТС і сигналів дискретної інформації (ДІ).

Об'єднання інформаційного ІКМ сигналу з сигналами СС, СУВ, ДІ здійснюється пристроєм об'єднання (ПО). На виході ПО формується повний груповий ІКМ сигнал, який має циклічну структуру і є потоком уніполярних імпульсів (цифровий потік). Оскільки передача такого сигналу по лінії зв'язку ускладнена, тому уніполярний код перетворюється у лінійний (частіше за все в двополярний) код, параметри якого відповідають певним вимогам. Після зазначеного перетворення перетворювачем коду передачі (ПКпд) лінійний сигнал через трансформатор (ЛТр1) надходить у лінію зв'язку. Крім погодження апаратури ЦСП з лінією зв'язку лінійний трансформатор (ЛТр1) забезпечує підключення блоку дистанційного живлення (ДЖ) до лінійних регенераторів. Дистанційне живлення постійним струмом здійснюється по проводах лінії зв'язку з використанням середніх точок обмоток лінійних трансформаторів.

Рисунок 3

На приймальній стороні сигнал з лінії зв'язку через лінійний трансформатор (ЛТр2) надходить на станційний регенератор (СР), який відновлює прийняті імпульси (регенерує їх). Крім того, на етапі відновлення сигналу здійснюється виділення з прийнятого сигналу складової тактової частоти (Fтч). Цю операцію виконує виділювач тактової частоти (ВТЧ). Після регенерації імпульсна послідовність у вигляді лінійного коду надходить на перетворювач коду прийому (ПКпм). На виході ПКпм видається уніполярний груповий ІКМ сигнал, із якого виділяються сигнали СС, СУВ, ДІ. Сигнали циклонної синхронізації (СС), які забезпечують синхронізацію генераторного обладнання ЦСП, виділяються приймачем синхросигналу (ПСС). Сигнали ДІ та СУВ виділяються відповідними приймачами ДІпм та СУВпм.

З виходу ПКпм груповий інформаційний ІКМ сигнал надходить на декодер (ДЕК). У декодері цифровий ІКМ сигнал перетворюється у груповий АІМ сигнал. Перетворення забезпечується шляхом послідовного декодування кодових комбінацій, внаслідок чого здійснюється перетворення кожної з них в дискрети (відліки) відповідних каналів.

Груповий АІМ сигнал надходить на індивідуальне обладнання, де він розподіляється за допомогою часових селекторів (ЧС) по окремих індивідуальних каналах. Роботою ЧС керують імпульсні послідовності, що формуються генераторним обладнанням (ГОпм) з частотою дискретизації . Далі у кожному з індивідуальних каналів за допомогою ФНЧ виділяється огинаюча послідовності канальних дискрет, тобто відновлюється початковий аналоговий сигнал. Після підсилення в ПНЧ цей сигнал через ДС надходить до телефона абонента.

Управління усіма вузлами кінцевої станції здійснюється генераторним обладнанням (ГОпд та ГОпм), що формує усі необхідні імпульсні послідовності з необхідними частотами (, та ін).

цифровий модуляція станція дискретизація

4. Дискретизація за часом

Відповідно до вищевикладеної загальної характеристики процесу дискретизації аналоговий сигнал перетворюється у періодичну послідовність імпульсів (АІМ сигнал), амплітуда яких змінюється за законом зміни аналогового сигналу, що модулюється. Причому ширина імпульсів, їх часові позиції і частота прямування залишаються незмінними. Як це відомо з попередніх дисциплін, розрізнюють АІМ-1 та АІМ-2. Під час формування ІКМ сигналу використовується АІМ-2, оскільки ширина відліку (дискрети) має бути не менше часу кодування, а амплітуда має бути постійною на цей час.

Відповідно до теореми Котельнікова будь-який аналоговий сигнал, спектр якого обмежений верхньою частотою , повністю визначається послідовністю дискретних відліків, що віддалені один від одного на часовий інтервал , де - період дискретизації, а частота дискретизації визначається з умови .

Оскільки для припустимої якості передачі телефонного сигналу достатньо передавати складові його спектра у смузі 0,3…3,4 кГц, то перед дискретизацією спектр сигналу обмежується ФНЧ до зазначених величин. Таким чином, відповідно до теореми Котельнікова частота дискретизації має бути кГц. Однак практично використовують кГц. Доцільність такого вибору обґрунтовується на основі аналізу спектра АІМ сигналу (рис. 4), у склад якого надходять:

– постійна складова ;

– складові з частотами модуляції від до ;

– складові частоти дискретизації та її гармоніки ;

– складові нижніх та верхніх бічних смуг біля частоти дискретизації та її гармонік .

Рисунок 4

Із аналізу спектра можна зробити висновок про те, що відновлення початкового аналогового сигналу можна забезпечити за допомогою ФНЧ, гранична частота якого дорівнює 3,4 кГц. Вибір величини кГц забезпечує наявність захисної смуги частот кГц. Наявність захисної смуги частот знижує вимоги до коефіцієнта передачі ФНЧ (). Без наявності захисної смуги частот необхідно було б використовувати ФНЧ з безкінцево великою крутизною амплітудно-частотної характеристики, що практично неможливо забезпечити. Однак збільшення частоти дискретизації недоцільно, бо це не впливає на точність відновлення аналогового сигналу, а тільки призводить до зростання швидкості передачі цифрового сигналу і, як наслідок, до зростання потрібної смуги частот лінії зв'язку.

Размещено на Allbest.ru