В процессе квантования возникает ошибка вследствие того, что передаваемый квантованный сигнал отличается от истинного на величину .

Эту ошибку можно рассматривать как специфическую помеху квантования, представляющую собой случайную последовательность импульсов, максимальное значение амплитуды которых не превышает половины шага квантования . Чем меньше шаг квантования, тем меньше шум квантования, но больше число передаваемых разрешённых уровней. Это число влияет на разрядность кодовой группы, полученной после процедуры кодирования соответствующих уровней квантования сигнала.

Рассмотрим подробнее процесс линейного квантования и кодирования. При линейном квантовании весь диапазон значений сигнала разбивается на ряд одинаковых поддиапазонов (уровней). Каждому уровню соответствует своя кодовая комбинация. В процессе кодирования любому значению сигнала между нижней и верхней границами уровня соответствует одна кодовая комбинация (рис. 5).

В рассмотренном примере на рисунке 5 число уровней квантования равно восьми, следовательно, при кодировании каждое квантованное значение сигнала будет представлено в виде цифровой кодовой группы с разрядностью двоичного числа в группе, равной трем.

Как уже упоминалось, хорошему качеству передачи соответствует достаточно большое число уровней квантования, кроме того, при квантовании учитывают отношение сигнал/шум, влияющее на качество преобразования сигнала и его передачу.

При линейных способах квантования и кодирования увеличение числа уровней ведет к увеличению разрядности кодовой группы. Например, для 4096 уровней квантования разрядность группы будет , она равна 12. В современных ЦСП, в основном, используют 8 - разрядные кодовые группы.

Недостатков линейных способов лишены нелинейные способы квантования.

Рис. 5. Квантование сигнала (линейное) и кодирование с числом уровней квантования, равным 8

При нелинейном квантовании шаг квантования изменяется от одного уровня квантования к другому. Это изменение должно поддерживаться, например, логарифмическим законом.

Различают два основных способа нелинейного квантования:

- по А-закону, стандартизирован СЕРТ и МСЭ, используется в Европе (рис. 6, б)

- по -закону, стандартизирован Североамериканской системой Bell и МСЭ, используется в США, Японии (рис. 6, в).

В процессе кодирования квантованных АИМ - сигналов может использоваться ИКМ (импульсно - кодовая модуляция), получившая широкое распространение.

При ИКМ каждый АИМ - импульс кодируется соответствующим значением цифрового сигнала. Разрядность цифрового сигнала или кодовой группы влияет на процесс группообразования цифровых сигналов от различных источников в виде единого цифрового группового сигнала (рассмотрим позже).

Приведем структуру кодовой группы тракта ИКМ - 30/32, в котором в каждом канальном интервале используется 8 - разрядное кодовое слово.

- разряды кодовой группы одного канала.

- знаковый разряд, учитывающий положительное и отрицательное значение исходного сигнала.

« + » -

« ? » -

- сегмент квантования содержит определенное число уровней квантования с одинаковым шагом квантования внутри одного сегмента.

- шаг квантования определяется числом уровней квантования в сегменте.

Рис. 6. Кривые законов квантования

Рассмотрим подробнее ИКМ - преобразование на примере системы СЕРТ.

Для обеспечения требуемого качества передачи речевого сигнала в телефонных системах принято максимальное число уровней квантования 4096 уровней для положительных и отрицательных полуволн сигнала.

Примем количество сегментов, равным 8, шаг квантования в сегменте и его числовое значение равно: .

Шаг квантования в различных сегментах разный (табл. 2).

Процесс кодирования исходного сигнала сводится к следующему:

1. Определяется уровень квантования для данного значения сигнала по формуле:

2. Определяется сегмент квантования (С) и шаг квантования (К) в данном сегменте по полученному значению уровня квантования .

3. Определяется кодовое значение сегмента и шага квантования.

4. Определяется значение знакового разряда по знаку .

5. Составляется кодовое слово, которое будет передано в линию.

Процесс декодирования можно выполнить с помощью обратного преобразования, используя формулы:

Таблица 2

Квантование и кодирование по закону А

Сегмент квантования (кодовое значение), C	Шаг квантования (кодовое значение), K
0	1	2	3	4	5	6	7
000	001	010	011	100	101	110	111
0	32	64	128	256	512	1024	2048
	0	0000
2	34	68	136	272	544	1088	2176
	1	0001
4	36	72	144	288	576	1152	2304
	2	0010
6	38	76	152	304	608	1216	2432
	3	0011
8	40	80	160	320	640	1280	2560
	4	0100
10	42	84	168	336	672	1344	2688
	5	0101
12	44	88	176	352	704	1408	2816
	6	0110
14	46	92	184	368	736	1472	2944
	7	0111
16	48	96	192	384	768	1536	3072
	8	1000
18	50	100	200	400	800	1600	3200
	9	1001
20	52	104	208	416	832	1664	3328
	10	1010
22	54	108	216	432	864	1728	3456
	11	1011
24	56	112	224	448	896	1792	3584
	12	1100
26	58	116	232	464	928	1856	3712
	13	1101
28	60	120	240	480	960	1320	3840
	14	1110
30	62	124	248	496	992	1984	3968
	15	1111
32	64	128	256	512	1024	2048	4096

Пример кодирования сигнала

Дано значение исходного сигнала =+0,0290 В.

1. Определяем уровень квантования для данного значения сигнала по формуле:

= 0.0290 / 0.00024=121

2. Определяем сегмент квантования (С) и шаг квантования (К) по табл.2. в данном сегменте по полученному значению уровня квантования =121. Значению 121 соответствует сегмент квантования (С)=2(010), шаг квантования (К)=14(1110).

3. Кодовое значение сегмента 010 и шага квантования 1110.

4. Определяем значение знакового разряда по знаку . =+0,0290 В, в нашем случае т.к. «+», поэтому первый знак будет «1».

2. Составляем кодовое слово, которое будет передано в линию:

10101110.

Процесс декодирования можно выполнить по следующей формуле:

, если C>0

, если C=0

1. У нас С=2 (С>0), К=14, поэтому будем использовать первый случай:

= 0,00024*22(14+16,5)= 0,02928 В.

2. Теперь найдем погрешность вычисления кодирования:

?= ¦0,0290-0,02928¦= 0,00028

Погрешность составила 0,00028*100%= 0,028%, преобразование сигнала б



Практическая работа № 4

Образование и структура потока Е1

Цель работы

Изучить образование потока Е1, его структуру, стандарт, основные парметры и принцип работы на сети связи.

Задание

Сделать отчет и подготовиться к защите.

Теоретические сведения

Цифровой поток E1 применяется для организации качественных голосовых каналов в многоканальной телефонной связи. Используется как вкрупных учреждениях, так и в административных строениях при распределении нагрузки на телефонные сети и расширении телефонной номерной емкости.

Из 32 мильтиплексируемых канала, 2 канала применяются для кадровой сигнализации и синхронизации по телефонным каналам (служебная информация, требуемая для деятельности телефонных сетей), оставшиеся 30 каналов расходуются для передачи голосовой связи.

Следовательно, применение технологии потока E1 дает возможность организовать 30 одновременных высококачественных голосовых каналов связи в одном физическом потоке.

Поток Е1 представляет уплотненный канал передачи данных и складывается из 32 мильтиплексируемых каналов, с пропускной способностью каждого 64 Кбит/сек. В следствии суммарная скорость передачи данных в потоке Е1 составляет 2048 Кбит/сек. Тех. характеристики интерфейса E1 отвечают стандарту ITU-T G.703

Канал Е1 - первичный канал иерархии PDH - является основным каналом, используемым во вторичных сетях телефонии, передачи данных и ISDN. По сравнению с остальными каналами иерархии PDH этот канал имеет несколько особенностей, связанных с его использованием, а именно сверхцикловую структуру и канал сигнализации, используемый во вторичных сетях цифровой телефонии и ISDN.

Остальные каналы иерархии PDH имеют только цикловую структуру. Такое отличие канала Е1 обусловлено его функцией в современной первичной сети - канал Е1 обычно является "пограничным" каналом между первичной и вторичными сетями. Структура систем передачи Е1 включают три уровня эталонной модели OSI: физический, канальный и сетевой. Физический уровень описывает электрический интерфейс потока Е1, а также параметры сигнала Е1. Канальный уровень описывает процедуры мультиплексирования и демультиплексирования каналов более низкого уровня иерархии (ОЦК 64 кбит/с и каналов ТЧ) в поток Е1, цикловую и сверхцикловую структуру потока Е1, встроенные процедуры контроля ошибок и т.д. Наконец, сетевой уровень описывает процедуры управления каналами Е1 в первичной сети, а также контроль параметров ошибок на сетевом уровне. Этот уровень является относительно неполным и включает всего лишь несколько процедур. Основным же для рассмотрения систем передачи Е1 является структура канального уровня. Рассмотрим более подробно структуру каждого из трех уровней систем Е1.

Физический уровень Е1

Физический уровень Е1 включает в себя описание электрических параметров интерфейсов Е1 и параметров сигналов передачи, включая структуру линейного кода. Рассмотрим наиболее важные эксплуатационные параметры физического уровня Е1.

Канальный уровень Е1

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. Последние включают в себя процедуры дискретизации, квантования и компандирования аналогового сигнала.Рассмотрим цикловую структуру потока Е1 и встроенные процедуры контроля ошибок.

Цикловая и сверхцикловая структура Е1

При передачи по первичной сети цифровой поток преобразуется в блоки стандартной логической структуры - циклы. Цикловая структура обеспечивает работу процедур мультиплексирования и демультиплексирования, передачу управляющей информации, а также встроенную диагностику по параметру ошибок в цифровой системе передачи. Существует три основных варианта цикловой структуры Е1: неструктурированный поток, с цикловой структурой и с цикловой и сверхцикловой структурой.

Неструктурированный поток Е1 используется в сетях передачи данных и не имеет цикловой структуры, т.е. разделения на каналы (обычно это мультиплексирование каналов ОЦК - 64 кбит/с).

Поток Е1 с цикловой структурой предусматривает разделение на 32 канала ОЦК по 64 кбит/с в форме разделения на канальные интервалы (Time Slot - TS) от 0 до 31. Для каждого канального интервала в составе цикла отводится 8 битов, таким образом длина цикла равна 256 битов, что при заданной скорости передачи Е1 составляет 125 мкс (длительность одного цикла). Нулевой канальный интервал отводится под передачу сигнала цикловой синхронизации FAS (Frame Alignment Signal).

Структура цикла FAS представлена на рисунке ниже. Различаются четные и нечетные циклы. В TS0 нечетных циклов передается сигнал FAS (на рисунке - первая строчка), который включает в себя последовательность цикловой синхронизации 0011011 и один служебный бит, зарезервированный под задачи международного использования. В TS0 четных циклов передается сигнал NFAS, не содержащий кодовую последовательность цикловой синхронизации.

Сетевой уровень Е1

Стандартизация систем передачи Е1 охватывает также третий, сетевой уровень, где осуществляются процедуры управления первичной сетью. При работе процедур управления, они широко используют сигналы о неисправностях, генерируемые в современных цифровых системах передачи, а также сигналы о возникновении ошибок, фиксируемые встроенными средствами диагностики. Эта информация собирается в узлах системы управления и обрабатывается. Таким образом, сетевой уровень Е1 включает в себя набор определенных служебных сигналов и сообщений, используемых системой управления первичной сетью. Такие сообщения делятся на три категории:

· сообщения о возникновении ошибок в системе передачи;

· сообщения о неисправностях, возникающих в системе передачи;

· сообщения, используемые для реконфигурации первичной сети и восстановлении плана синхронизации.

Последняя категория сообщений сетевого уровня Е1, получивших название сообщений SSM (System Synchronization Messages - сообщения в системах синхронизации), будет отдельно рассматриваться в главе, посвященной проблемам построения и эксплуатации современных систем синхронизации. Здесь же мы рассмотрим первые две категории сообщений.

Сообщения о возникновении ошибок в системе передачи Е1 использует сообщения E1E2. Действительно, сообщения, передаваемые битами Е, служат подтверждением возникновения блоковой ошибки CRC и могут служить критерием качества цифровой системы передачи. Система управления анализирует значения битов Е и собирает информацию о возникающих в системе передачи Е1 ошибках.

Сообщения о неисправностях в системе передачи передаются в циклах NFAS, а также битами MFAS в случае, если поток Е1 имеет сверхцикловую структуру. Как было описано в предыдущем разделе, в состав четных циклов NFAS входят биты, зарезервированные под задачи национального использования - бит А и биты Sn4, Sn5, Sn6, Sn7, Sn8. Именно эти биты используются для передачи различных сообщений о неисправностях в цифровой систем передачи. Биты Sn образуют своего рода канал управления, ресурсы которого используются сетевым уровнем Е1. Помимо битов Sn для передачи сообщений о неисправностях могут использоваться биты XXYX MFAS.

Эти биты используются главным образом для передачи сигналов о неисправностях в сверхцикловой структуре Е1 (так бит Y непосредственно и определяется как индикатор неисправности MFAS на удаленном конце). Бит А (иногда он называется также Sn3) представляет собой бит оперативного сигнала о неисправности. В случае возникновения существенной неисправности, требующей оперативного вмешательства, бит А становится равным единице. Такую существенную неисправность называют RDI (Remote Defect Indication - Индикация дефекта на удаленном конце).

В случае возникновения так называемого "не оперативного" сигнала неисправности, система передачи генерирует NFAS с инверсией бита Sn4 с 0 на 1. Рекомендации ITU-T устанавливают следующие возможные причины генерации такого сигнала:

· В случае, если параметр ошибки BER в FAS становится хуже, чем 10(-3)

· В случае неисправности в цепи питания кодека

· В случае, если потерян входной сигнал или имеет место сбой цикловой синхронизации

Неоперативный сигнал о неисправности дает возможность получения информации о значительном увеличении параметра ошибки на стороне передатчика. Оборудования приемника обычно имеет установленные пороговые значения для генерации сигнала Sn4. В случае увеличения параметра ошибки более порога приемник генерирует сигнал "неоперативной" неисправности в направлении передатчика. При получении этого сигнала система управления может перевести передачу на резервный канал Е1, за счет чего достигается высокое качество связи.

Биты Sn5, Sn6, Sn7, Sn8 образуют служебный канал передачи данных емкостью 2 кбит/с, который может использоваться для передачи сигналов о неисправностях. В последнее время в связи с развитием систем управления (в частности платформы TMN) возможности этого канала используется довольно широко. Речь здесь идет именно о канале, поскольку в этом случае важно не абсолютное значение битов Sn, а последовательность сигналов, генерируемых в этих битах. Каждый бит образует так называемый "вертикальный протокол", т. е. сообщение о неисправности передается не одним, а несколькими последовательными битами Sn.

Тип передаваемых сообщений и алгоритм их генерации устанавливается национальными стандартами, производителями оборудования или специальными требованиями (например, операторов ведомственных сетей). Наибольшее распространение получил стандарт ETS 300-233, определяющий использование битов Sn в мультиплексорах PRI ISDN. Генерируемые и принимаемые оборудованием сообщения могут успешно использоваться системами управления, которые работают на принципах анализа именно этих сообщений. Таким образом, сообщения о неисправностях представляют собой базу для создаваемых систем управления, их количество непосредственно определяет максимальный уровень интеллектуальности системы управления и перечень параметров, доступных для контроля сети. Использование битов Sn дает возможность разграничить степень ответственности различных операторов.



Формирование группового цифрового сигнала

Формирование ГЦС (группового цифрового сигнала), позволяет организовывать большое число независимых каналов, использующихся для передачи кодовых групп от определенного числа абонентов. Это является решением наиболее эффективного использования линейных сооружений, так как затраты на линейные сооружения составляют значительную часть капитальных затрат при организации связи.

В настоящее время существуют системы передачи позволяющие организовывать по одной цепи от десятков до тысяч каналов передачи. Для того чтобы первичные сигналы от N источников (рис. 1) сообщений могли существовать одновременно и занимать одинаковые полосы частот (0.3ч3.4кГц),

а, b, c - циклы передачи

Рис. 1. Схема группообразования цифрового сигнала

необходимо чтобы после преобразования на передаче (АЦП), сигналы отличались друг от друга , т.е. находились в разных канальных интервалах, например, если использовать системы передачи (СП) с ВРК (временное разделение каналов). В этом случае удается выделить из группового сигнала канальные сигналы.

После функции АЦП сигналы от группы источников объединяются и с помощью ВРК передаются по линии связи. Для этого используется аппаратура уплотнения и системы передачи, например с ИКМ (рис. 1).

Структура первичного цифрового потока ИКМ 30/32 (Е1)

Рассмотрим структуру и параметры СП ИКМ 30/32 (рис.2).

Рис. 2. Структура тракта ИКМ 30/32

ИКМ 30/32 использует логическое деление ГЦС на сверхциклы. В одном сверхцикле передаются кодовые группы 16-ти циклов передачи. В каждом цикле - 32 канальных интервала с 8-ми разрядными кодовыми словами в каждом канале. Из 32 каналов - 30 речевых и 2 служебных (0-й и 16-й). Таким образом, ИКМ 30/32 используется для группообразования 30-ти речевых канальных интервалов (с 1 по 15, с 17 по 31) в одном цикле передачи совместно с каналом синхронизации (0-й) и каналом сигнализации (16-й) (рис. 2). При этом частота дискретизации кГц, тактовая частота кГц.

Формирование цифрового сигнала на передающей стороне и его распознавание на приемной происходит под управлением генератора тактовых импульсов (ГТИ), формирующего тактовые импульсы (использующиеся при дискретизации, например), необходимых для осуществления функций АЦП и ЦАП.

Для того, чтобы при передаче и приеме сигнала не возникали ошибки необходимо, чтобы генераторное оборудование приемо-передающих станций работало синхронно, т.е. в такт. Кроме того, при передаче сигнала на большие расстояния также необходимо выполнять синхронизацию приемо-передающих потоков с генераторным оборудованием приемной станции. Для этих целей используются схемы синхронизации.

Успехи в развитии интегральной микросхемной техники позволили объединить в корпусе одной небольшой микросхемы электронный ключ и кодер. Такая микросхема преобразует непрерывную аналоговую электрическую величину в двоичный цифровой код и называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Микросхемы АЦП выпускаются

с 8-, 10- и 12- разрядными двоичными кодами.

На рис. 3. представлен пример реализации ИКМ в абонентском интерфейсе.



Рис. 3. Пример реализации ИКМ в абонентском интерфейсе

В настоящее время на цифровых сетях широко используются СП ИКМ различных порядков. На основе СП ИКМ-30 можно, например, из четырех потоков 2048 кбит/с (2-х Мбит/с) получить второй уровень ЦСП со скоростью 8 Мбит/с.

Синхронизация по тактовой частоте

Для синхронизации работы оборудования приема - передачи используют тактовую синхронизацию или синхронизацию по тактовой частоте.

Для выделения тактовой частоты из приемного цифрового потока (ГЦС) можно использовать следующую цепочку преобразования сигнала (рис. 4).

Рис. 4. Выделение тактовых импульсов из приемного ГЦС

Входящий цифровой сигнал поступает в приемник и одновременно на схему анализатора тактовой частоты. Для выделения тактовой частоты из входящего цифрового сигнала используют фильтр (Ф), настроенный на заданную тактовую частоту и с помощью схемы усиления (У) и ограничения (О) добиваются формирования тактовых импульсов, на которых и основывается работа ГТИ приемной станции. Таким образом, происходит подстройка работы генераторного оборудования приемной стороны на частоту работы передающей станции. Тем самым выравнивается (синхронизируется) работа приемо-передающего оборудования.

Возможны ситуации, когда между приемо-передающими станциями отсутствует исходная (речевая) информация (например, глубокой ночью) либо в самом ГЦС присутствует достаточно большое количество нулей. Это приводит к тому, что информационный поток «не насыщен» единичными импульсами, а именно они несут тактовую частоту. Для исключения таких случаев используют методы вынужденного насыщения ГЦС единичными импульсами, если они на протяжении определенного времени отсутствуют в самом сигнале. Для этого применяются специальные линейные коды, например код HDB-3.

Цикловая синхронизация

Выполнив процедуру восстановления исходного цифрового сигнала по тактовой частоте необходимо правильно распознать кодовые группы каждого канального интервала. Для этих целей используется синхронизация по циклам.

Для обозначения начала следования цикла используется специальная служебная кодовая комбинация, которая известна оборудованию приемной станции - цикловой синхросигнал (ЦСС)

Для этого ЦСС помещают в позицию нулевого канала всех четных циклов в сверхцикле (рис. 5).

Рис. 5. Назначение разрядов нулевых каналов.

Приемник «выискивает» служебную комбинацию (х0011011) циклового синхросигнала из ГЦС и тем самым определяет позицию нулевого канала. Для исключения имитации ЦСС перед запуском оборудования (начальная работа) выполняют принудительную начальную синхронизацию, после которой приемник уже настроен на частоту следования цикла. Задержки же могут привести к тому, что этот ЦСС сдвинется на несколько разрядов, не более того. Схема приема ЦСС настроена таким образом, что возможно выполнение поиска ЦСС путем сдвига разрядов кодовых групп.

Тем самым, после определения позиции нулевого канала, оборудование приема точно «знает» позиции всех остальных каналов в цикле.

Для осуществления контроля наличия циклового синхросигнала используются нулевые каналы нечетных циклов (рис. 5), а именно разряд . В разряде всегда передается логическая единица, - используется для контроля уровня остаточного затухания линии передачи

Сверхцикловая синхронизация

Восстановив структуру цикла после выполнения цикловой синхронизации, необходимо перейти к процедуре сверхцикловой синхронизации (СЦС). Сверхцикловая синхронизация необходима для правильного распределения сигналов управления и взаимодействия (СУВ) соответствующих речевых каналов. Для этого используется сверхцикловой синхросигнал (СЦСС) в разрядах в 16 канале нулевого цикла в сверхцикле вида 0000.

16 канальный интервал, 0 цикл

0 0 0 0 x y x x

Где y - аварийный сигнал наличия СЦСС.

По сверхцикловому синхросигналу приемник определяет позицию нулевого цикла в структуре сверхцикла, т.е. определяет начало сверхцикла. После чего происходит распознавание позиций 16 канальных интервалов всех циклов (с 1 по 15), в которых находятся СУВ всех 30 речевых каналов. - для выполнения сигнализации по выделенным сигнальным каналам (ВСК) (рассмотрим позже).

Где - разряды СУВ для всех 30 речевых каналов (i меняется с 1 по 15, с 17 по 31 соответственно для каждого цикла передачи).

Режимы синхронизации сети

На цифровых сетях связи с использованием цифровых СП необходимо поддерживать синхронизацию между отдельными узлами коммутации. Эта синхронизация получила название сетевой синхронизации.

Существуют два основных режима синхронизации сети - асинхронный (плезиохронный) и синхронный.

В асинхронном режиме каждая станция имеет свой независимый высокостабильный тактовый генератор (ТГ). В этом режиме отказ любого узла сети не влияет на синхронизацию других узлов, но невозможно исключать проскальзывания и поэтому предъявляются повышенные требования к стабильности всех тактовых генераторов без исключения, не позволяется применять менее стабильные, но дешевые кварцевые генераторы. Используются цезиевые и рубидиевые генераторы со стабильностью работы .

В синхронном режиме возможна принудительная и взаимная синхронизация тактовых генераторов.

В первом случае главная (ведущая) станция синхронизирует подчиненные по принципу «ведущий-ведомый» (master-slave), тогда тактовые частоты остаются одинаковыми, а разность фаз постоянной. Часто предусматривается иерархическая система синхронизации с несколькими уровнями иерархии. Главный тактовый генератор первого уровня синхронизирует ведомые тактовые генераторы второго уровня, а те в свою очередь - тактовые генераторы третьего уровня и т.д. (используется как правило, не больше 6 уровней).

При выходе из строя определенного генератора подчиненные ему тактовые генераторы переходят в плезиохронный режим работы и берут на себя синхронизацию тактовых генераторов низших уровней. Таким образом, при наличии только одного главного генератора требования к стабильности тактового генератора низших уровней остаются высокими.

При взаимной синхронизации тактовых генераторов каждая станция синхронизируется по усредненной величине тактовых частот всех своих трактов приема («демократическая» синхронизация). Возможна и иерархическая система взаимной синхронизации, в которой более стабильные тактовые генераторы имеют большее влияние - тогда каждая станция синхронизируется по средневзвешенной частоте трактов приема.



Контрольные вопросы

1. Назначение синхронизации

2. Структура, характеристики и основные параметры тракта ИКМ 30

3. Способы синхронизации по тактовой частоте, по циклам и сверхциклам

4. Сетевая синхронизация

5. Способы синхронизации цифровых сетей - синхронные и асинхронные сети

6. Линейное кодирование. Назначение, свойства линейных кодов

7. Кодирование NRZ, RZ, AMI и HDB-3

8. Сравнительная характеристика приведенных способов линейного кодирования



Практическая работа № 5

Технологии передачи информации на физическом уровне

Цель работы

Целью работы является изучение основных уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI, основных принципов передачи информации на физическом уровне, видов модуляции и их значение, видов линейных кодов и принципы их использования на сети телекоммуникации.

Задание

1. По исходным данным (таблица 1) выполнить линейное кодирование исходной кодовой последовательности кодами NRZ, RZ, AMI, HDB-3

Таблица 1

№ п/п	Исходная кодовая последовательность с учетом знака первого единичного импульса для кодов AMI и HDB-3
1	+ 0101100010000001011011000001000000
2	- 0100010001101000001011111000001000
3	+ 0110100011010010000010110100000001
4	- 1110101011000100001011000000001100
5	- 0100010010110000010101011100001011
6	+ 1001110101000001011101110000010000
7	- 0010101110100010000101110101000010
8	+ 1010000111010001000001010100001000
9	- 0101100100010000011101101000010001
10	+ 1011011110000100101000001011011000
11	- 1110100010000001001000010110000010
12	- 1000011010001000010011100000010100
13	+ 0101110110000001010100011000000111
14	- 1100010010000010001001101000010000
15	+ 0111110000001000111000110000001010
16	+ 1001111100000001010001101000001000
17	- 1100101010000100010011000000101101
18	+ 0110001000011110101000010010000101
19	- 1011011000000100111010100001000101
20	+ 0010111010110000000010011100110000
21	+ 0111001000001000001001000010001100
22	- 0100100100001001110000101010000001
23	+ 1101011000010100000001000011110000
24	+ 0100001001001000011101000011000000
25	- 1000001100000010101100000100001010
26	- 1100011100001000001100001101000000
27	+ 1001111000001010111001000010000100
28	- 0110110110000100000000101011000001
29	- 1000000001110000010010010000010000
30	+ 0110000100010000010110000000010100

Список литературы

1. Галкин В.А. и др. Телекоммуникационные сети. Уч. Для бакавров направления «Информационные технологии»: M, 2003.

2. Ломовитский В.В., Михайлов А.И. и др.; Основы построения систем и сетей передачи информации - M., 2005.

3.Битнер В.И. Принципы и протоколы взаимодействия телекоммуникационных сетей.- M., 2008.

4. Крухмалев В.В. и др. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей. - M., 2008.

Контрольные вопросы

1. Уровни эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI

2. Что такое данные?

3. Какие типы физического кодирования применяются при передаче данных по каналам связи

4. Что такое модуляция?

5. Что такое цифровое кодирование?

6. Что такое цифровой сигнал?

7. Приведите преимущества цифровой передачи

8. Для чего предназначена дискретизация во времени

9. Квантование по уровню. Линейные и нелинейные способы квантования

10. Законы квантования

11. Что такое шум квантования?

12. Как выполняется кодирование квантованных сигналов?

13. Какие требования существуют при АЦП- ЦАП для хорошего качества приема- передачи сигнала

14. Правила кодирования- декодирования сигнала по закону СЕРТ (ИКМ 30/32)

15. В каких модулях ЭАТС выполняются функции АЦП и ЦАП для аналоговых линий?

16. Линейное кодирование. Назначение, свойства линейных кодов

17. Кодирование NRZ, RZ, AMI и HDB-3

18. Сравнительная характеристика приведенных способов линейного кодирования.

Теоретические сведения

Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI

Базовая эталонная модель OSI является концептуальной основой, определяющей характеристики и средства открытых систем. Она определяет взаимодействие открытых систем, обеспечивающее работу в одной сети систем, вьшускаемых различными производителями, и координирует: * взаимодействие прикладных процессов; * формы представления данных; * единообразное хранение данных; * управление сетевыми ресурсами; * безопасность данных и защиту информации; * диагностику программ и технических средств.

Модель разработана международной организацией стандартов (МОС) - ISO и широко используется во всем мире как основа концепций информационных сетей и их ассоциации. На базе этой модели задаются правила и процедуры передачи данных между открытыми системами. Рассматриваемая модель так же описывает структуру открытой системы и комплексы стандартов, которым она должна удовлетворять. Основными элементами модели являются уровни, объекты, соединения, физические средства соединения.

В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный, физический.

Уровни модели OSI

Ниже перечислены (в направлении сверху вниз) уровни модели OSI и указаны их общие функции.

Уровень приложения (Application) - интерфейс с прикладными процессами.

Уровень представления (Presentation) - согласование представления (форматов, кодировок) данных прикладных процессов.

Сеансовый уровень (Session) - установление, поддержка и закрытие логического сеанса связи между удаленными процессами.

Транспортный уровень (Transport) - обеспечение безошибочного сквозного обмена потоками данных между процессами во время сеанса.

Сетевой уровень (Network) - фрагментация и сборка передаваемых транспортным уровнем данных, маршрутизация и продвижение их по сети от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю.

Канальный уровень (Data Link) - управление каналом передачи данных, управление доступом к среде передачи, передача данных по каналу, обнаружение ошибок в канале и их коррекция.

Физический уровень (Physical) - физический интерфейс с каналом передачи данных, представление данных в виде физических сигналов и их кодирование (модуляция).

Передача данных на физическом уровне. Под данными понимают информацию, закодированную в цифровой форме. При передаче данных по каналам связи применяют два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называют также модуляцией или аналоговой модуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Это не удивительно, если вспомнить, что спектр идеального импульса имеет бесконечную ширину. Применение синусоиды приводит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информации. Однако для реализации синусоидальной модуляции необходима более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.

В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму - речь, телевизионное изображение, - передают по каналам связи в дискретном виде, т. е. в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией

При передаче данных по непрерывному (аналоговому) каналу связи используют определенный физический процесс, называемый сигналом-переносчиком. Модуляция - отображение на передающей стороне множества возможных значений входного сигнала на множество возможных значений информативного параметра сигнала-переносчика. На приемной стороне возникает обратная задача - восстановить исходный сигнал, т. е. осуществить демодуляцию.

Как правило, аналоговую модуляцию применяют для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты (ТЧ), предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонньс сетей. Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Строгое ограничение полосы пропускания канала ТЧ связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях. Устройство, осуществляющее модуляцию несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляцию на приемной стороне, носит название модем (модулятор-демодулятор). Виды модуляции: - Амплитудная модуляция. - Импульсная амплитудная модуляция. - Частотная модуляция. - Фазовая модуляция. - Квадратурно-амплитудная модуляция. - Модуляция с решетчатым кодированием. - Амплитудно-фазовая модуляция с несколькими несущими.

Дискретная модуляция аналоговых сигналов. Одной из основных тенденций развития сетевых технологий является передача в одной сети как дискретных, так и аналоговых по своей природе сигналов. Источниками дискретных сигналов являются компьютеры и вычислительные устройства, а источниками аналоговых сигналов - телефоны, видеокамеры, звуко- и видео- воспроизводящая аппаратура.

На ранних этапах решения этой проблемы в территориальных сетях все типы данных передавались сигналами в аналоговой форме, при этом дискретные по своему характеру компьютерные данные преобразовывались в аналоговую форму при помощи модемов. Однако по мере развития техники съема и передачи аналоговых данных выяснилось, что передача их в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принятых на другом конце линии данных, если они существенно исказились при передаче. Сам аналоговый сигнал не дает никаких указаний ни о том, что произошо искажение, ни о том, как его исправить, поскольку форма аналогового сигнала может быть любой, в том числе и такой, которую зафиксировал приемник. Улучшение же качества линий, особенно территориальных, требует огромных усилий и капиталовложений.

Цифровое кодирование. При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используют только значение потенциала сигнала, а его перепады не учитывают. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо фронтом импульса - перепадом потенциала определенного направления. При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно: * имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала. Более узкий спектр сигналов позволяет в канале с ОДНОЙ и той же полосой пропускания получать более высокую скорость передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, т. е. наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока; * обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником. Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях связи решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи, в которой информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет позже или раньше соответствующего сигнала даьнньх и бит данных будет пропущен или считан повторно.

Поэтому в сетях применяют так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществить распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - служит хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком. При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода; * обладал способностью распознавать ошибки и низкой стоимостью реализации. Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы верхних уровней: канального, сетевого, транспортного или прикладного. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.

Линейное кодирование

Код, используемый для передачи по линейному тракту ЦСП, должен удовлетворять следующим основным требованиям:

· спектр линейного сигнала не должен содержать постоянной составляющей, что позволяет использовать симметрирующие трансформаторы и обеспечить дистанционное питание регенераторов постоянным током;

· энергетический спектр сигнала должен занимать как можно более узкую полосу частот, причем желательно, чтобы максимум этого спектра лежал в области относительно низких частот, что позволяет получить большие длины участков регенерации, т.к. в области более низких частот уменьшается затухание кабеля и переходное влияние;

· должна обеспечиваться возможность выделения сигнала тактовой частоты, необходимого для нормальной работы регенераторов;

· структура кода должна быть такой, чтобы в случае её нарушения за счет возникновения ошибок в процессе регенерации, можно было бы осуществлять контроль за коэффициентом ошибок в процессе эксплуатации.

Практические методы линейного кодирования потока данных

Учитывая, что канал, как среда передачи, может быть электрическим, оптическим, или радиоканалом, полученную последовательность приходится еще, по крайнем мере, дважды перекодировать для оптимизации её прохождения через интерфейс (интерфейсное кодирование) и линию связи (линейное кодирование). Поток бит, полученный в результате квантования и двоичного кодирования (кодификации), оптимален только с точки зрения уменьшения ошибок квантования, но непригоден для передачи по каналу связи по ряду причин, основные из которых следующие:

- выходной цифровой поток имеет широкий спектр, что затрудняет его передачу по каналу связи с ограниченной полосой пропускания и осложняет процесс регенерации сигнала синхронизации, передаваемого в канале, особенно в случае восстановления потерянного синхронизма;

- спектр сигнала имеет значительную долю низкочастотных составляющих, которые могут интерферировать с составляющими передаваемого низкочастотного сигнала;

- спектр содержит, большую постоянную составляющую, усложняющую фильтрацию напряжения сети питания.

Для оптимизации спектра сигнала, подаваемого в линию связи, используется так называемое линейное кодирование. Оно должно обеспечить:

- минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах;

- информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала в виде дискретной составляющей, легко выделяемой на фоне непрерывной части спектра;

- достаточно узкополосный непрерывный спектр для передачи сигнала через канал связи без искажений;

- малую избыточность, для снижения относительной скорости передачи в канале связи;

- минимально возможные длины блоков повторяющихся символов ("1" или "О") и диспаритетность, (неравенство числа "l" и "0" в кодовых комбинациях).

Линейные коды

При реализации кодов необходимо представлять их символы в виде элементов дискретного сигнала той или иной формы, удобной для выполнения последующих операций и передачи по линиям связи. Формы сигналов не обязательно жестко закрепляются за символами кода. Широко распространены правила относительного кодирования, когда один символ кода отображается чередованием форм, а второй - формой предыдущего элемента. Выбор формы сигнала самым непосредственным образом определяет: энергетический спектр (занимаемую полосу частот), возможности выделения сигналов синхронизации, скорость передачи в расчете на единицу полосы частот (удельную скорость передачи). Формы цифровых сигналов, предназначенных для передачи по линии связи, получили наименование линейных кодов (ЛК). ЛК применяются для передачи данных без модуляции в первичной полосе частот, начинающейся с нуля. Иначе говоря, кадры цифровых систем передачи, сформированные и представляющие собой обычные двоичные последовательности, перед подачей в линию связи подвергаются соответствующему преобразованию в линейном кодере. Рассмотрим основные типы линейных кодов.

Код без возвращения к нулю - Non Return to Zero (NRZ) представляет собой обычную двоичную последовательность и код является простейшим линейным кодом, широко применяемым на практике.

Важной особенностью спектра NRZ сигнала является конечное значение спектральной плотности на нулевой частоте.

Существуют две разновидности этого кода - униполярный и биполярный NRZ коды. В биполярном NRZ коде логической единице соответствует прямоугольный импульс положительной полярности, а логическому нулю - прямоугольный импульс отрицательной полярности. Длительность импульсов равна длительности одного бита. Положительное или отрицательное напряжение на выходе кодера сохраняется неизменным в течение длительности символа, что и определяет термин "невозвращающийся в нуль" код. Униполярный NRZ код отличается от биполярного, тем что логическому нулю соответствует не отрицательный импульс, а нулевое напряжение. Форма сигнала на выходе биполярного и униполярного NRZ кодера имеет вид, приведенный на рис. 1.

Рис.1 Примеры структур линейных кодов

В коде с возвращением к нулю - Return to Zero (RZ) единица передается импульсом вдвое меньшей длительности. Спектры простейших типов кодов обладают следующими недостатками: наличие постоянной составляющей; малая мощность тактовой частоты (частоты синхронизации); возможное наличие длинных последовательностей нулей. Код RZ требует более широкую полосу пропускания, чем NRZ, но имеет меньшее значение постоянной составляющей. Широкое применение в системах передачи, предназначенных для работы по металлическим кабелям, нашли троичные коды. Их применение основано на возможности разнополярного подключения генератора ЭДС к нагрузке (металлическому кабелю). Код имеет две разновидности - биполярный RZ код и униполярный RZ код. Униполярный RZ код отличается от биполярного тем, что логическому нулю соответствует не отрицательный импульс, а нулевое напряжение. Спектр биполярного RZ сигнала подобен спектру биполярного NRZ и также имеет постоянную составляющую. Форма сигнала на выходе биполярного и униполярного RZ кодера приведена на рис.1.

Код с чередующейся полярностью импульсов (ЧПИ) - Alternate Mark Inversion (AMI) - биполярный код, представляющий одну из разновидностей троичного кода: нулям соответствует отсутствие импульса, а единицам - попеременно чередующиеся прямоугольные импульсы отрицательной и положительной полярности (рис.2.9). Так как постоянная составляющая импульсной последовательности равна нулю, то возможна передача по линиям, содержащим разделительные трансформаторы. Преимуществом данного кода является простота преобразования в двоичный код.

Широкое распространение получил код высокой плотности следования единиц КВП-3 - High-Density Bipolar (HDB-3), у которого n=3 (рис. 2.9). Основным требованием к линейным кодам волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) является использование только двух значащих уровней сигнала в связи с тем, что источник излучения (лазер или светодиод) работает в двух мощностных режимах - наличие или отсутствие излучения. В коде AMI осуществляется чередование импульсов положительной и отрицательной полярности при преобразовании единичных символов исходной двоичной последовательности, вне зависимости от числа нулевых символов между ними. Благодаря указанному принципу преобразованию в энергетическом спектре кода в линии исключается постоянная составляющая. Основная энергия кода AMI сосредоточена в области частот, близких к 0,5fт. Поэтому расчет участка регенерации и оценка взаимных влияний должны осуществляться на 0,5fт.

Благодаря используемому принципу чередования полярности импульсов код AMI позволяет легко обнаружить ошибки, возникающие при регенерации сигнала, так как ошибка при регенерации любого символа приведёт к нарушению принципа чередования полярностей символов в линейном тракте. По числу таких нарушений за определённое время можно оценить коэффициент ошибок в линейном тракте.

Наиболее существенным недостатком кода с AMI является необходимость передачи по линейному тракту сигнала с длинными сериями нулей, что может нарушить нормальную работу регенераторов, так как затрудняется процесс выделения тактовой частоты. С целью устранения этого недостатка было разработано несколько модификаций кода с AMI, наибольшее распространение среди которых получил код HDB-3.

Принцип построения кода HDB-3 такой же, как и кода с AMI, до тех пор, пока между двумя единичными символами не появится более трех следующих подряд нулевых символов. При этом каждая последовательность из четырех нулевых символов (0000) в исходном двоичном коде заменяется одной из двух последовательностей вида ВООV или ОООV, где В обозначает импульс, полярность которого противоположна полярности предшествующего импульса, а V - импульс, полярность которого повторяет полярность предыдущего импульса В. Комбинация вида ОООV используется в том случае, если после предыдущего символа V появилось нечетное число символов В, а комбинация ВООV, если после предыдущего символа V появилось четное число символов В. Использование двух замещающих последовательностей обеспечивает чередование полярности символов V, появляющихся в различных местах линейного сигнала, что, в свою очередь, позволяет устранить влияние этих символов на среднее значение, которое так же, как и у кода AMI, оказывается равным нулю. Однако цифровая сумма кода HDB-3 из-за введения символов V оказывается больше, чем для кода с AMI и может составлять 2 (+1/2) или 2(-1/2). Таким образом, при использовании кода HDB-3 существенно сокращается диапазон изменения вероятности появления единичных символов в линейном сигнале, который ограничивается пределами 0,25 < р (1) < 1, в то время как в коде с AMI вероятность появления единичного символа в случайной последовательности практически может уменьшаться до нуля.



Практическая работа № 6

Архитектура сети INTERNET и знакомство с оборудованием

Цель работы

Ознакомиться с архитектурой сети Интернет, назначением каждого оборудования, принципы работы, топологии сети,

Задание

Сделать отчет и подготовиться к защите.

Теоретические сведения

Интернет - это множество компьютеров (хостов) и различных сетей, объединенных сетью на базе протоколов связи TCP/IP. Компьютеры, подключенные к сети Интернет, могут иметь любые аппаратные и программные платформы, но при этом они должны поддерживать стек протоколов (семейство протоколов) связи TCP/IP. Единого владельца и центра управления сети Интернет не существует.

Интернет начал свое существование с сети ARPANet в 1969 году. Эта компьютерная сеть с применением технологии коммутации пакетов была создана в США по заданию военного ведомства США как высоконадежная сеть передачи данных. В 1983 году ARPANet разделилась на две сети, одна - MILNET стала частью оборонной сети передачи данных США, другая - была использована для соединения академических и исследовательских центров, которая постепенно развивалась и в 1990 году трансформировалась в Интернет.



Структура сети

Узлы и магистрали сети Интернет - это ее инфраструктура, а в сети Интернет существует несколько сервисов или служб (E-mail, USENET, TELNET, WWW, FTP и др.), одним из первых сервисов является электронная почта E-mail.

В настоящее время большая часть трафика в Интернет приходится на службу World Wide Web (всемирная паутина).

Принцип работы сервиса WWW был разработан физиками Тимом Бернес-Ли и Робертом Кайо в европейском исследовательском центре CERN (Женева) в 1989 году. В настоящее время Web - служба Интернет содержит миллионы страниц информации с различными видами документов.

Компоненты структуры сети Интернет объединяются в общую иерархию.

Интернет объединяет множество различных компьютерных сетей и отдельных компьютеров, которые обмениваются между собой информацией. Вся информация в Интернет хранится на Web-серверах. Обмен информацией между Web-серверами осуществляется по высокоскоростным магистралям.

К таким магистралям относятся: выделенные телефонные аналоговые и цифровые линии, оптические каналы связи и радиоканалы, в том числе спутниковые линии связи. Серверы, объединенные высокоскоростными магистралями, составляют базовую часть Интернет.

Пользователи подключаются к сети через маршрутизаторы местных поставщиков услуг Интернета или провайдеров (ISP), которые имеют постоянное подключение к Интернет через региональных провайдеров. Региональный провайдер, подключается к более крупному провайдеру национального масштаба, имеющего узлы в различных городах страны.

...