Основные направления развития и принципы построения современных цифровых систем передачи данных

Информация конкретного сообщения может занимать ту или иную часть фрейма, называемую контейнером. Чем больше длина контейнера, тем выше информационная скорость. Предусмотрено несколько типов контейнера, тем выше информационная скорость. Предусмотрено несколько типов контейнеров со скоростями 1,5; 6; 45 и 140 Мбит/с (по американскому стандарту) или 2; 4; 34; и 140 Мбит/с (по европейскому). Общая скорость передачи для STM-1 равна 155,52 Мбит/с.

Кроме STM-1 в стандарте введены также модули STM-4 и STM-16 со скоростями соответственно 622 и 2488 Мбит/с.

Примером высокоскоростной сети передачи данных на основе ВОЛС может служить сеть SONET.

1.5 Основные характеристики канала передачи данных

Рассмотрим характеристики каналов связи, которые подлежат настройке и эксплуатационному контролю в соответствии с нормативными документами по Министерству связи России.

Приказ Министерства связи РФ №43 от 15.04.96 содержит требования к следующим электрическим параметрам каналов ТЧ:

Основные характеристики:

допустимая величина среднеквадратического отклонения остаточного затухания (усиления) во времени от его среднего значения на частоте 1020 Гц;

максимальное значение отклонения остаточного затухания за любой час в каналах, находящихся в трактах с АРУ;

допустимые отклонения остаточного затухания при "разовых" измерениях;

частотная характеристика остаточного затухания; отклонения величины остаточного затухания от значения, измеренного на частоте 1020 Гц;

среднеминутное значение псофометрической мощности шума в точке нулевого относительного уровня;

уровень анализа максимальной среднеминутной псофометрической мощности шума в точке нулевого относительного уровня при "разовых" измерениях;

защищенность от внятных переходных влияний между прямым и обратным направлениями передачи одного итого же канала ТЧ;

защищенность от внятных переходных влияний между разными каналами;

защищенность сигнала от псофометрической мощности суммарных искажений при синусоидальном испытательном сигнале;

Дополнительные характеристики каналов ТЧ, предоставляемых во вторичные сети для передачи данных (ПД), ТТ, факсимильной передачи -

в каналах ТЧ магистральной сети, предоставляемых во вторичные сети передачи данных, ТТ, факсимильной передачи, число участков транзита по ТЧ в АСП и ЦСП должно быть не более 5-ти шт.;

уровень среднеминутной невзвешанной мощности шума в точке нулевого относительного уровня;

при "разовых" измерениях уровень среднеминутной невзвешанной мощности шума в точке нулевого относительного уровня;

амплитудная характеристика канала (при включённом ограничителе амплитуд);

коэффициент нелинейных искажений (затухание нелинейности) при номинальном уровне передачи (при включенном ограничителе амплитуд) простых и составных каналов;

защищенность от продуктов паразитной модуляции сигнала помехами источников питания на частотах +50 * К Гц, где К=1+8;

изменение частоты сигнала в канале;

отклонение величины группового времени прохождения от значения, измеренного на частоте 1,9 кГц;

уровень селективных помех;

суммарное относительное время импульсных помех и кратковременных перерывов уровня сигнала за часовой отрезок времени;

суммарное число импульсных помех, превышающих минус 18 дБмО, кратковременных перерывов уровня при занижениях на 10дБмО и более, скачков амплитуды, превышающих +2 дБ, скачков фазы, превышающих 15 град., для каналов ТЧ в АСП, ЦСП и смешанных каналах за 15-ти минутные сеансы времени;

относительное время действия кратковременных перерывов уровня сигнала за часовой отрезок времени;

относительное время действия импульсных помех за часовой отрезок времени;

при "разовых" измерениях суммарное относительное время импульсных помех и кратковременных перерывов уровня сигнала за 15-ти минутный отрезок времени;

при "разовых" измерениях суммарное относительное время импульсных помех, кратковременных перерывов уровня сигнала, скачков фазы и амплитуды за 15-ти минутный сеанс измерения;

дрожание фазы с частотой 20-300 Гц для каналов ТЧ, образованных АСП, ЦСП и для смешанных каналов ТЧ;

число скачков фазы в каналах ТЧ, образованных АСП, ЦСП и в смешанных каналах ТЧ, превышающих 15 град., в 15-ти минутные сеансы измерения;

число скачков амплитуды в каналах ТЧ, образованных АСП, ЦСП и в смешанных каналах ТЧ, превышающих +2 дБ, за 15-ти минутные сеансы измерения;

псофометрический уровень каждой одночастотной помехи от радиостанций в любом канале ТЧ;

защищенность сигнала (S/Q) от невзвешанной мощности сопровождающих помех, включая шум квантования, для шумового испытательного сигнала.

Из данного нормативного документа видно, что качество канала связи определяется только по совокупности целого ряда параметров. Отсюда следует, что оценка и нормирование качества канала происходят с помощью именно полного набора перечисленных выше свойств. Так и поступают при заключении договоров на аренду телефонных каналов в технологически развитых странах, оговаривая при этом значения множества параметров и используя в качестве нормативной базы рекомендации МСЭ-Т. В России при заключении подобных договоров в лучшем случае указывается лишь скорость передачи (обычно 2400 или 9600 бит/с), а остальные физические характеристики канала остаются без внимания. Это порождает массу недоразумений во взаимоотношениях поставщика услуг и пользователя, лишая последнего предъявить претензии. До недавнего времени заключение подобных договоров было затруднено из-за отсутствия измерительных приборов доступных широкому кругу потребителей. Применяя приборы, подобные данному анализатору канала ПД, любой потребитель может требовать от поставщика услуг связи, соблюдения оговоренного качества канала. Правда, для этого в договор на аренду линии связи с самого начала необходимо включить ссылки на официальные документы, регламентирующие основные нормы и параметры арендуемых каналов. В России такими документами могут быть следующие:

руководящие документы по общегосударственной системе автоматизированной телефонной связи (ОГСТфС), утверждённые Межведомственным координационным советом при Министерстве связи СССР 31 октября 1986 г.;

приказ по Министерству связи России № 43 от 15 апреля 1996г. "Об утверждении норм на электрические параметры каналов тональной частоты магистральной и внутризоновой первичных сетей" с приложением;

стандарт ОСТ 45.36-86 "Линии кабельные, воздушные и смешанные городских телефонных сетей. Нормы электрические эксплуатационные".

Перечисленными документами обязательно должны руководствоваться все поставщики услуг связи, и их упоминание в договоре о предоставлении услуг вполне оправдано.

В приборе фирмы НПП "Аналитик-ТС" TDA-5 (прототип многофункционального анализатора канала ПД) реализованы алгоритмы контроля и измерения следующих характеристик канала ПД (в скобках указаны дополнительные сведения, погрешности и соответствующие рекомендации МСЭ-Т серии "O"):

измерение уровней сигнала и шума от -95 до +10 дБм (рек. О.41, ± [0,2...2]дБ);

измерение соотношения "Сигнал/Шум" (шум квантования) по псевдослучайному (рек. O.131) и гармоническому (рек. O.132) сигналам в диапазоне от 0 до 50 дБ (± [1...2]дБ);

измерение частоты от 300 до 3400 Гц (±0,01 %) и изменения частоты 1020 Гц в канале связи (±0,1 Гц);

измерение затухания эхо-сигнала до 60 дБ (±1 дБ);

измерение нелинейных искажений по гармоническому и четырехчастотному сигналу (рек. O.42) в диапазоне от 0,1 до 10 % (±10 % от измеренного значения);

с использованием многочастотного сигнала в диапазоне от 100 до 3800 Гц производятся быстрые измерения частотных характеристик:

затухания - АЧХ до 35 дБ (±0,2 дБ);

группового времени прохождения - ГВП до 10 мс (±3 %);

соотношения "Сигнал/Шум";

импеданса до 10000 Ом (± [3...10] %);

электрической емкости от 10 до 2000 нФ (±5 %);

с использованием двухчастотного измерительного сигнала по рек. О.81 измеряются АЧХ и ГВП (режим введен в целях совместимости с ранее выпускавшимися анализаторами);

измерение затухания паразитной модуляции до 70 дБ (± [0,4...1]дБ) и уровней селективных помех до -99 дБм (± [0,2...2]дБ);

измерение размаха дрожания фазы до 45 угловых градусов (O.91, ±5 %) и амплитуды до 70 % (±5 %);

счет импульсных помех (O.71), перерывов связи (O.62), скачков амплитуды и фазы (O.95).

В данном анализаторе каналов ПД будут реализованы методы измерения и контроля за следующими характеристиками канала:

амплитудно-частотная характеристика;

дрожание фазы;

отношение сигнал-шум.

Ниже привожу требования к ним в соответствии с введёнными в качестве временных "Эксплуатационных норм на электрические параметры каналов сети ТФОП" со сроком действия до 30.12.98 приказом Госкомсвязи России № 74 от 03.06.97.

Амплитудно-частотная характеристика канала нормируется на частотах - 1800 Гц и 2400 Гц. Предельное значение затухания на частотах 1800/2400 между абонентами не должно превышать:

для каналов местных (городских и сельских) и зоновых сетей 37,0/41,0 дБ;

для каналов междугородной связи 38,0/42,0 дБ.

В том числе, для некоторых видов сетей и абонентов, включенных в определенные станции. Затухание между АТС сети, куда включены абоненты, нормируется значением на 13,0/15,0 дБ меньше.

Дрожание фазы сигнала (джиттер) частотой 20-300 Гц для каналов ТЧ, образованных АСП, ЦСП и для смешанных каналов ТЧ, измеренный у абонента или на РАТС должно быть не более 15 градусов.

Отношение сигнал-шум на выходе коммутируемого канала у абонента или на РАТС не должно быть менее следующих значений (дБ):

на каналах городской, сельской,

или внутризоновой сети 25,0 (дБ);

на каналах междугородной сети на

каналах междугородной сети

длиной < 2500 км 25,0 (дБ);

и длиной > 2500 км 20,0 (дБ).

При измерении абонент-абонент уровень измерительного генератора 1020 Гц должен быть минус 5 дБМ, при измерении АТС-АТС уровень генератора должен быть минус 10 дБМ.

Анализ действующих искажений и помех и их влияние на параметры цифровой передачи.

Основным отличием цифровой системы передачи от аналоговой является передача данных в цифровой форме. В аналоговых системах передачи канал вносит различные воздействия на параметры передаваемого аналогового сигнала, в результате этих воздействий происходит снижение качественных параметров аналогового сигнала. Аналогично, в цифровых системах передачи различные воздействия на цифровой канал приводят к снижению основного качественного параметра - параметра ошибки в цифровом канале. Следует учесть, что причины возникновения ошибок в цифровом канале имеют аналоговую природу, поскольку связаны с интерференцией, затуханием в линии и различными аддитивными шумами (рисунок 3.7).

Рис. 1.7. Основные источники ошибок в цифровом канале

На рисунке представлены основные источники ошибок в цифровом канале: искажения в канале, наличие импульсных помех, аддитивный шум в канале и затухание в линии. Как видно из рисунка, наличие искажений в канале может бить связано как с затуханием, так и с отражением сигнала. Источником шумов здесь выступают физически разрушенный кабель (например, разбитая пара), слишком малое поперечное сечение, большая распределённая ёмкость в кабеле. Вторым важным источником шумов является интерферирующие импульсы или импульсные помехи в канале. Источниками ошибок здесь могут явиться силовые кабели, проложенные в непосредственной близости от линии связи, нарушение обвязки кабелей, наличие сигнализации по постоянному току. Наиболее существенным и многоплановым фактором влияния на параметры цифрового канала является наличие аддитивных шумов различной природы. Источниками ошибки здесь могут бить нарушения балансировки кабеля, параметра скручивания витой пары, интерференция с различными радиочастотными и СВЧ-сигналами, сигналы вызова, нарушения полярности кабеля (перепутанные жилы, короткое замыкание между жилами и т. д.) Высокий уровень шумов может привести к значительному увеличению параметра ошибки.

Общеизвестно, что цифровые системы передачи имеют большую по сравнению с аналоговыми системами помехозащищённость. Однако эта закономерность влияния уровня шума на параметр ошибки справедлива только для большого отношения сигнал/шум. Если рассматривать влияние интерференции на параметры цифрового канала, то закономерность можно схематически представить графиком рисунок. Как видно из графика, цифровые системы передачи имеют определённый порог чувствительности к интерференции в отличие от аналоговых систем передачи, где имеет место прямая зависимость эффекта влияния интерференции от её уровня. Однако влияние интерференции на параметры цифровых систем передачи более существенно, и с определённого уровня эффект этого влияния даже превышает эффект воздействия на параметры аналоговых систем.

Наконец, четвёртым важным источником шумов в цифровых каналах является затухание в кабелях и линиях передачи, причём не только высокий.

Рис. 1.8. Влияние интерференции на параметры аналоговых и цифровых систем передачи

Если рассматривать источники ошибок не только в канале, но и в цифровой системе передачи, то можно выделить внутренние и внешние источники.

К внутренним источникам ошибок относятся:

различные нестабильности во внутренних цепях синхронизации цифровых устройств, дрейф в системе внутренний синхронизации устройства;

нестабильности, связанные с измерением характеристик компонентов со временем;

перекрёстные помехи в цепях устройств;

нарушения в работе эквалайзеров и в процессах, связанных с неравномерностью АЧХ;

повышение порога по шуму, связанное с изменением параметров модулей устройств со временем.

К внешним источникам ошибок можно отнести различные параметры, воздействующие на цифровой канал:

перекрёстные помехи в каналах передачи;

джиттер в системе передачи;

электромагнитная интерференция (от машин, флуоресцентных ламп и т. д.);

вариации питания устройств;

импульсные шумы в канале;

механические повреждения, воздействие вибрации, плохие контакты;

деградация качественных параметров среды передачи (электрического или оптического кабеля, радиочастотного канала и т. д.);

глобальные нарушения, связанные с разрушением канала цифровой передачи;

Как показано выше, влияние всех перечисленных источников ошибок и интерференции значительно повышается при снижении параметра отношения сигнал/шум.

Если рассмотреть влияние интерференции на параметры качества работы цифровой системы передачи, можно отметить, что влияние битовых ошибок отличается для различных услуг и систем передач в зависимости от следующих факторов:

типа передаваемого трафика (голос, данные, видео, мультимедиа и т. д.);

типа системы передачи, принципы кодирования и наличие цепей резервирования передачи сигнала;

количества и частоты битовых ошибок;

распределения битовых ошибок (равномерно распределённые ошибки, ошибки, возникающие пакетами и т. д.);

источника интерференции;

устойчивости принятого в системе передачи принципа передачи цифровой информации к ошибкам;

устойчивости принятого в системе передачи принципа передачи цифровой информации к другим факторам воздействия (джиттеру, нестабильности синхронизации и т. д.)

1.6 Методики проведения контрольных измерений характеристик канала передачи данных

Методики проведения контрольных измерений характеристик канала ПД даны в соответствии с введёнными в качестве временных "Эксплуатационных норм на электрические параметры каналов сети ТФОП" со сроком действия до 30.12.98 приказом Госкомсвязи России № 74 от 03.06.97.

Измерения АЧХ на частотах 1800 и 2400 Гц осуществляется аналогично измерению остаточного затухания.

Измерения остаточного затухания должно осуществляться с помощью генератора с выходным сопротивлением 600 Ом частотой 1020 Гц и уровнем передачи минус 10 дБм (на РАТС, ОС) или минус 5 дБм (у абонента).

Допускается использовать частоту 1000 Гц если в тракте нет систем ИКМ.

На другой станции включается указатель уровня с входным сопротивлением 600 Ом.

Примечание. Указанные уровни генератора на передающем конце относятся ко всем последующим методам измерений.

Время измерения - 10 секунд. Регистрируется усреднённое значение уровня приёма и вычисляется остаточное затухание канала.

Измерение соотношения сигнал/помеха проводится прибором, выполненным по рекомендации О.132.При измерении общего уровня аддитивных и мультипликативных помех на вход канала включается генератор 1020 Гц с коэффициентом нелинейности не более 0,5 % (46 дБ) и защищенностью от продуктов паразитной модуляции гармониками питающего напряжения 50 Гц не менее 60 дБ.

На выходе канала включается указатель уровня с входным сопротивлением 600 Ом, имеющий в своем составе режекторный фильтр на частоту 1020 Гц (или внешний фильтр). Измерение проводится в полосе частот 300-3400 Гц в течение 20-30 секунд (использование фильтра 300-3400 Гц обязательно, т.к. на физических соединительных линиях окончания канала могут быть большие уровни помех вне полосы пропускания частот). Регистрируются усредненные значения суммарных помех. Затем вычисляется искомая помехозащищенность канала:

Рс/ш = Рс - Рш,

где Рс - уровень сигнала 1020 Гц, измеренный в точке приема, дБм;

Рш - суммарный уровень по мощности аддитивных и мультипликативных помех, дБм.

Примечание. В некоторых приборах сразу определяется соотношение сигнал/шум.

Измерение дрожания фазы сигнала (джиттера) производится прибором, выполненным по Рекомендации МСЭ-Т О.91.

На вход канала включается генератор 1020 Гц на выходе прибор для измерения джиттера в диапазоне 20-300 Гц. Учитывается и регистрируется размах дрожания в угловых градусах. Время измерения 20 секунд.

Методологию измерения джиттера рассмотрим подробнее в следующем разделе.

1.7 Методология измерений джиттера в цифровых системах передачи

1.7.1 Понятие джиттера, его классификация и влияние на параметры качества канала

Переход к цифровым методам передачи и коммутации помимо преимуществ, обусловленных новыми технологиями связи, вызвал множество проблем, специфически связанных с принципами передачи сигналов в цифровом виде. Новым и очень важным классом задач в теории и практике цифровых телекоммуникаций являются задачи дискретизации и восстановления сигналов, синхронизации сети и её стабильности. В этом разделе нас будет интересовать методология измерений параметра, непосредственно связанного с тестированием систем синхронизации - джиттера.

Джиттером или дрожанием фазы называется явление фазовой модуляции принимаемого сигнала (как аналогового, так и цифрового). На практике получили распространение два основных подхода к определению джиттера - в терминах фазы и в терминах частоты. Учитывая, что параметры частоты и фазы связаны простым соотношением, оба подхода эквивалентны. Подход к описанию джиттера в терминах фазовой нестабильности принимаемого цифрового сигнала является распространением теоретическим описанием процесса. Распространения этого подхода привело к появлению определения джиттера как фазового дрожания. Однако для целей практического измерения параметров джиттера, его рассмотрение в терминах фазы оказалось неудобным, что связано с объективными трудностями фазовых измерений. В результате появилось прикладное рассмотрение джиттера как вариации частоты принимаемого сигнала. В этом случае основными параметрами джиттера становятся его амплитуда и частота. Такое рассмотрение получило широкое практическое применение в методиках измерений и в технологии анализа результатов. Естественно, вариации фазы связаны с вариациями частоты дифференциальным соотношением, поэтому оба рассмотрения в этом смысле эквивалентны.

Рассмотрим функцию нестабильности частоты принимаемого цифрового сигнала (рисунок 1.1).

Как известно, частота принимаемого сигнала характеризуется своим средним значением f и девиацией f. Предположим, что имеет место модуляция, при которой измерение частоты проходит периодически с периодом Т. Тогда, связав частоту модуляции с периодом измерения частоты f = 1 / T, различают два типа измерений частоты:

быстрые колебания частоты, характеризующиеся fd > 10 Гц и получившее название собственно джиттера (в отечественной терминологии фазового дрожания);

медленные колебания частоты с fd < 10 Гц, получившее название вандера (в отечественной терминологии дрейфа фазы).

Рис. 1.1. Нестабильность частоты принимаемого цифрового сигнала

Необходимость разделения девиации частоты на джиттер и вандер связана с тем, что эти два параметра обычно возникают вследствие разных причин и по-разному влияют на параметры качества цифровой передачи.

В современной технологии получила распространение практика измерения джиттера в единицах времени: абсолютных (обычно, в микросекундах) или в приведенных единицах - единичных интервалах (Unit Interval - UI). Единичным интервалом называется время, необходимое для передачи одного бита информации при заданной скорости передачи. Иными словами:

J = T = 1 / fd [мкс]; J = fT = f / fd, [UI].

Рассматривая влияние джиттера на параметры качества сигналов современных телекоммуникаций, необходимо отметить, что это влияние проявляется в двух направлениях.

В случае передачи оцифрованного аналогового сигнала наличие джиттера приводит к тому, что восстановленный сигнал оказывается неравномерно дискретизированным, что может привести к значительным нарушениям в структуре аналогового сигнала. В основном такое влияние джиттер оказывает на параметры систем с частотным разделением и аналоговые каналы сетей IDN. Учет влияния джиттера в этом случае зависит от его структуры: регулярный или нерегулярный джиттер. В случае постоянного (регулярного) джиттера, обусловленного обычно процессами мультиплексирования и регенерации, его влияние предсказуемо, носит аддитивный характер и компенсируется регенераторами и мультиплексорами. Нерегулярный (случайный) джиттер не может быть скомпенсирован и рассматривается как аддитивный шум. Исследования показали его связь с параметрами теплового шума и возможность накопления по мощности в составном цифровом канале. Наиболее существенным считается процесс накопления регулярного джиттера, поскольку регулярный джиттер аккумулируются быстрее нерегулярного.

При передаче данных в цифровой форме джиттер, непосредственно связанный с нарушениями в синхронизации цифрового потока, приводит к двум эффектам:

§ в процессе регенерации, в синхронизации приводят к отклонению точек считывания дискретов от центра глазковой диаграммы. В результате, снижается пороговый уровень работы по шумам, что приводит к появлению битовых ошибок. Сточки зрения принятого нами разделения, такое влияние в большей степени связано с джиттером;

§ на выходе асинхронных мультиплексоров (т.е. на входе в коммутационную станцию) наличие джиттера в системе синхронизации может привести к переполнениям эластичных буферов и проскальзованиям с потерями цикловой синхронизации, что приводит к значительной деградации качества связи. Обычно проскальзования вызываются вандером.

1.7.2 Причины возникновения джиттера. Типы джиттера

Существует несколько основных причин возникновения джиттера, которые влияют на его структуру и воздействуют на параметры качества систем связи. В частности, возникновение в системе регулярного и нерегулярного джиттера обусловлено различными причинами его возникновения.

Регулярный и нерегулярный джиттер, связанный с внешними условиями. Регулярный (системный) джиттер обычно коррелирован с передаваемыми последовательностями битов. Поскольку задержки при передаче сигналов в скремблерах и кодерах обычно зависят от типа принимаемой/передаваемой последовательности, процессы в мультиплексорах и регенераторах могут быть нарушения в канале передачи, в частности связанные с наличием перекрёстных помех, которые также вносят регулярный, коррелированный с последовательностями битов джиттер. Обычно регулярный джиттер в этом случае возникает при неправильной работе эквалайзеров или нарушениях в настройке цепей восстановления данных и характерен в большей степени для радиочастотных систем передачи.

Нерегулярный джиттер обычно обусловлен электромагнитным воздействием и интерференцией с внешними источниками сигнала, таким как шум, отражения, перекрестные помехи или интерференция с цепями питания и другими источниками ЭМП. В этом случае обычно спектр сигнала даёт информацию об источнике интерферирующего сигнала. Интерференция с цепями питания 50 Гц и другими низкочастотными сигналами обычно легко идентифицируется, тогда, как поиск интерференции от компьютерных и вычислительных систем связан с анализом в диапазоне порядка 60 МГц и представляет определённые сложности.

Кроме перечисленных причин возникновения джиттера в системах связи, имеется ряд причин непосредственно связанных с технологией цифровых телекоммуникаций. Такой джиттер возникает из-за алгоритмов, реализованных в цифровых системах передачи. Соответственно, такой джиттер является алгоритмическим.

Джиттер стаффинга. В технологии плезиохронной цифровой передачи (PDH) принята методика выравнивания входящих в мультиплексор потоков за счет вставки битов (методика битового стаффинга), которая производится в определённые промежутки времени считывания информации из эластичного буфера. Рассмотрим детально этот процесс. Для того, чтобы процесс битового стаффинга мог работать, информация, поступающая в приёмный эластичный буфер мультиплексора, принимается со скоростью, меньшей скорости передачи. Поэтому двумя основными принципами битового стаффинга являются:

Скорость считывания из приемного эластичного буфера должна быть больше скорости записи в буфер;

Вставка битов (стаффинг битов) должна производиться в заранее установленные интервалы времени для обеспечения эффективного удаления стаффинговых битов.

В результате, битовый стаффинг приводит к тому, что даже в случае, если входящий в мультиплексор поток был идеально дискретизирован, на выходе мультиплексора поток будет содержать значительный джиттер (justification jitter). Этот джиттер компенсируется на приёмной стороне эластичным буфером приёмника, принцип работы которого основан на использовании петли ФАПЧ. После удаления стаффинговых битов ФАПЧ подстраиваются под среднюю скорость принимаемой информации, и производит считывание с этой скоростью. Для наиболее полной компенсации стаффингового джиттера используются узкополосные петли ФАПЧ. Однако несмотря на узкополосность, петли ФАПЧ имеют конечную полосу, поэтому поток на выходе содержит стаффинговый джиттер, обычно имеющий регулярную структуру.

Помимо описанного случая возникновения джиттера, на практике джиттера в системах PDH имеет более сложную структуру, связанную с алгоритмом внесения стаффинговых битов только в определенные временные интервалы, которые могут не совпадать с кратностью разности скоростей.

Рис. 1.2. Стаффинг с отношением S = 1/3

В качестве примера процессов, происходящих в приёмном буфере, рассмотрим передачу/приём цифрового потока в системе PDH в случае, если частота вставки стаффинговых битов кратна разности частот приёма/передачи приёмного буфера мультиплексора. В этом случае имеем стаффинг с отношением S в виде дроби с числителем 1 (рисунок 1.2). При этом стаффинг равномерный и, обычно, в приёмном демультиплексоре хорошо компенсируется.

Выходящий поток будет содержать стаффинговый джиттер, обусловленный только конечной полосой петли ФАПЧ.

В случае, если частота вставки не кратна разности частот приёма/передачи, стаффинговое отношение будет выражаться дробным числом. В зависимости от того находится ли дробная часть 0--Ј--1/S--Ј--0,5 или 0 Ј--1/S--Ј 0,5 структура стаффинга будет различной (рисунок 1.3).

Таким образом, если стаффинговое отношение не является простым целочисленным отношением, что является более вероятным, к стаффинговому джиттеру добавляется джиттер ожидания (Waiting-Time Jitter). Его пиковая амплитуда обычно равна:

Jmax=(n-1)/m

S=n/m.

На рисунке 1.4 показан график зависимости максимального джиттера от стаффингового отношения. График представляет собой набор точек, поскольку построен для определённых дискретных значений стаффинговых отношений.

1.7.3 Джиттер в системах SDH. Джиттер по смещению указателей и джиттер загрузки

Технология SDH предусматривает использование для процессов выравнивания скоростей алгоритма смещения указателей, что можно рассматривать как процедуру байтового стаффинга (поскольку размер указателя составляет один байт или восемь битов). Смещение указателя приводит к появлению импульсного джиттера в 24 бита. Затем этот джиттер компенсируется компонентами системы. Такой джиттер называется джиттером по смещению указателей (pointer jitter).

Алгоритм его возникновения представлен на рисунке 1.5 и 1.6.

Для компенсации рассинхронизации входящего потока при загрузке плезиохронного трафика в виртуальный контейнер SDH используется часть

заголовка - указатели. В случае необходимости увеличить количество цифровых данных, загружаемых в один контейнер (вариант, когда скорость принимаемых данных выше стандартной), из указателя удаляется один байт (Н 3) и вместо него загружаются данные. Такое смещение указателей называется отрицательным смещением (рисунок 1.5). Если принимаемый мультиплексором поток имеет скорость ниже стандартной, для компенсации рассинхронизации необходимо уменьшить количество цифровых данных, загружаемых в один контейнер.



Рис. 1.3. Стаффинг с отношением S = 3/7 (сверху) и S = 4/7 (снизу)

Рис. 1.4. График зависимости максимальной амплитуды джиттера некратности от стаффингового отношения вставляется указатель



Рис. 1.5. Механизм отрицательного смещения указателей, отрицательная вставка 3-х байт

Такое смещение указателя называется положительным смещением (рисунок 1.6). Указание на смещение указателя передаётся в составе указателя Н 2 инверсией бита D. В настоящее время имеет место практика смещения всего указателя Н 3 (3 байта). В результате при выгрузке плезиохронного трафика смещение указателя будет эквивалентно всплеску джиттера на 24 UI. Этот импульсный джиттер должен быть компенсирован частично мультиплексором ввода/вывода (ММВ), однако полностью компенсировать джиттер практически невозможно, и он сохраняется в передаваемом по сети SDH трафике.

Рис. 1.6. Механизм положительного смещения указателей, положительная вставка 3-х байт

Кроме джиттера по смещению указателей, в системах SDH имеет место джиттер загрузки (mapping jitter), который связан с процессами стаффинга, имеющего место при загрузке плезиохронного сигнала в систему SDH. В процессе выгрузки сигнала PDH из SDH возникает джиттер загрузки, аналогичный джиттеру PDH.

1.7.4 Необходимость измерений джиттера

Методология измерений джиттера и вандера до сих пор находится в стадии формирования. Если параметры ошибки в цифровом составном канале могут быть легко рассчитаны, то, как будет показано ниже, процессы формирования и передачи джиттера в составном цифровом канале, несмотря на глубокие исследования в этой области, до сих пор до конца не разрешены. В связи с этим возникает необходимость практического изучения норм на джиттер в составном канале, а также исследования реальных ситуаций и процессов на сетях. Кроме этого, в последнее время с развитием систем SDH потребовалось дополнительное исследование процессов формирования алгоритмического джиттера и анализ допустимых норм на уровень алгоритмического джиттера в системах SDH.

Сложность методологии измерений джиттера привела к полемике относительно необходимости эксплуатационных измерений этого параметра при обслуживании сетей связи.

Для обоснования необходимости измерений джиттера необходимо отметить, что этот параметр, также как и параметры фазовой стабильности и фазовых шумов, представляет большое значение для современных телекоммуникаций. Как было описано выше, джиттер в системе передачи может привести к существующему снижению устойчивости работы системы передачи к шуму и привести к увеличению параметра BER. Если тестирование параметра по BER даёт в этом случае лишь индикационное понимание типа "хорошее/плохое качество", то измерение джиттера обеспечивает поиск и обнаружение причины деградации качества. Безусловно, джиттер здесь выступает как вторичный параметр по отношению к основному параметру качества - BER, однако данные измерений джиттера могут быть использованы для превентивных мер по обеспечению качества цифровой передачи.

В некоторых случаях высокий уровень джиттера приводит к сбою в цепях ФАПЧ приёмников, в результате возникают битовые ошибки в виде отдельных ошибок или даже последовательностей ошибок разной длины. В этом случае измерения уровня джиттера обеспечивают непосредственную локализацию причины деградации качества.

Наконец, одним из эффектов накопленного в составной системе передачи джиттера является то, что его воздействие на параметры системы передачи могут не проявляться в течение долгого времени. В результате небольшое увеличение джиттера или изменение другого параметра деградации качества приводит к резкому ухудшению параметров качества. Такой эффект порогового воздействия параметров вообще характерен для цифровых систем передачи, но особенно он существенен для джиттера.

Противники измерений джиттера выдвигали следующие аргументы в защиту своей позиции.

Джиттер в цифровых системах передачи является вторичным параметром и связан с параметром качества цифровой передачи только косвенно.

Наибольшая полемика велась относительно возможных превентивных мер при обнаружении джиттера. Действительно, можно ли каким-либо способом установить последствия джиттера? Что должен делать оператор, если он обнаружил джиттер в канале, не соответствующий норме? Вероятный ответ -- ничего. Действительно, если джиттер приводит к ошибкам в цифровой системе передачи, это означает, что приёмные петли ФАПЧ не обеспечивают достаточной устойчивости к джиттеру в канале, решением здесь может быть либо устранение джиттера, либо замена петли ФАПЧ. Ни то, ни другое в реальной практике невозможно.

Алгоритмический джиттер в системах PDH и SDH вызван процессами рассинхронизации входящих потоков в мультиплексоры ввода/вывода. Поэтому можно рассматривать джиттер как вторичный параметр по отношению к параметрам системы синхронизации. В результате возникла концепция "измерения системы синхронизации вместо измерений джиттера".

Особенно острая полемика относительно необходимости измерений джиттера велась при разработке методологии эксплуатационных измерений систем SDH. Здесь джиттер намного выше, чем алгоритмический джиттер, связанный с битовым стаффингом, и имеет ярко выраженную импульсную структуру при сильном воздействии на параметры системы цифровой передачи. Суть вопроса состояла в том, необходимо ли его мерить непосредственно как параметр сигнала или достаточно измерений уровень смещения указателей, непосредственно связанный с параметром джиттера, а затем пересчитать полученный результат в уровень джиттера на выходе.

Трудности анализа полемики связаны еще с тем, что она велась в основном компаниями, реализовавшими и не реализовавшими возможности измерений джиттера в своих приборах и системах, таким образом, эту полемику трудно было назвать объективной.

Следует отметить, что обе стороны не отрицали актуальности контроля джиттера как параметра функционирования современной цифровой системы передачи. Вопрос состоял в целесообразности измерений джиттера при эксплуатации, когда необходимо измерять не все наиболее существенные параметры, а только те, которые должны помочь оператору в обслуживании сети. Важность джиттера как эксплуатационного параметра как раз и была поставлена под сомнение. Защитники концепции измерений джиттера доказывали необходимость эксплуатационных измерений этого параметра, противники измерений отводили измерениям джиттера область системных измерений вместе с измерениями фазовой стабильности и параметров фазовых шумов.

Также необходимо отметить, что относительно необходимости эксплуатационных измерений вандера такой полемики не било, поскольку сама методология измерений вандера достаточно проста и может быть реализована в портативных эксплуатационных тестерах.

Как обычно, в таких случаях вопрос был решён рыночными методами - в настоящее время на международном рынке присутствуют оба класса приборов: мощные анализаторы с функцией анализа джиттера и портативные эксплуатационные приборы с функцией измерения только вандера. Наличие на рынке обоих классов оборудования даёт возможность операторам выбирать между функциональностью и стоимостью.

В отечественной практике полемики относительно эксплуатационных измерений джиттера не было. При разработке норм на параметры каналов PDH и SDH джиттер был включён как обязательный параметр измерений. Это привело к ряду негативных явлений:

часть оборудования международных фирм- производителей оказались выброшенной с рынка России, что повлекло за собой монополизм оставшихся нескольких фирм;

операторы были вынуждены для проведения измерений закупать мощные анализаторы, что не для всех операторов оказалось возможным. В результате многие операторы вынуждены были отказаться от измерений параметров PDH/SDH, хотя могли бы выполнить более 80 % измерений с использованием портативных приборов.

1.7.5 Общая методология измерений джиттера

Рассматривая общую методологию измерений джиттера, необходимо ещё раз отметить, что она до сих пор не установилась, что вызывает различные точки зрения и разные, порой ошибочные, мнения. Не останавливаясь на разных точках зрения, в этом разделе мы рассмотрим некоторые принципы методологии измерений, которые наиболее часто используются в современной практике.

Как было описано выше, основными параметрами джиттера являются амплитуда и частота. Джиттер измеряется как пиковая величина отклонения фазы (частоты), приведённая к длине периода передачи данных. Основной единицей джиттера является единичный интервал UI. Использование относительных единиц UI позволяет сравнивать параметр джиттера для каналов различных уровней иерархии PDH/SDH.

Для точного измерения джиттера необходимо точно определить ширину полосы измерений. В противном случае невозможно оценить влияние джиттера на параметры системы передачи. Наиболее естественным способом организации измерений джиттера в этом случае можно было бы считать спектральный анализ джиттера с использованием частотно- селективного приёмника. Однако такой метод измерения джиттера не нашёл распространения в практике эксплуатационных измерений, Так как его реализация в приборах оказалась слишком дорогой. В настоящее время метод спектрального анализа используется в нескольких измерительных системах для лабораторного анализа джиттера.

Рис. 1.7. Фильтры, использующиеся при измерениях джиттера

В практике эксплуатационных измерений получила распространение методология, состоящая из двух измерений, различающихся используемыми фильтрами. Этот метод измерений даёт меньше информации о джиттере, чем спектральный анализ джиттера, однако он позволяет получить важные результаты и экономически более эффективен. Метод был одобрен ITU-T, который разработал рекомендации по параметрам фильтров. Для проведения измерений были определены фильтры, обеспечивающие измерения низкочастотных и высокочастотных компонентов джиттера (фильтры НР 1 и НР 2 соответственно). Параметры фильтров представлены на рисунке 1.7.

При измерениях джиттера различают измерения: собственного джиттера системы передачи; максимально допустимого джиттера (MTJ); передаточной характеристики джиттера (JTF). Отдельной группой измерений являются измерения вандера.

Ниже эти группы измерений будут рассмотрены подробно.

Устройство анализатора джиттера. Структурная схема анализатора джиттера представлена на рисунке 1.8.

Внешний сигнал, содержащий джиттер, может содержать длинные последовательности нулей. Поэтому на выходе анализатора джиттера ставится конвертер данные/сигнал синхронизации, который преобразует произвольный цифровой сигнал в сигнал с регулярно изменяющимся состоянием (например, альтернативную последовательность 1010). В основе устройства конвертера лежит принцип быстродействующей петли ФАПЧ. В результате конвертер обеспечивает выделение информации о джиттере, однако сам конвертер сносит уровень собственного джиттера. Для измерения джиттера используется опорный фазостабильный сигнал. Для его первичной обработки в состав анализатора включена медленная петля ФАПЧ. Зависимость параметра джиттера от времени получается путём простого сравнения фаз двух сигналов. Полученная информация фильтруется, данные о положительном и отрицательном джиттере обрабатывается отдельно. Для обнаружения импульсного джиттера в системах SDH используется цифровая фильтрация с высоким разрешением. Некоторые компании используют аналоговые фильтры джиттера. В этом случае время обработки данных сильно увеличивается, точность измерений уменьшается, вероятна ситуация, когда анализатор, построенный на таком принципе не обеспечивает измерения импульсного джиттера.

Рис 1.8. Устройство анализатора джиттера

Обычно функция зависимости джиттера от времени доступа для дальнейших процессов обработки с выхода демодулятора. В этом случае подключение селективного милливольтметра или анализатора спектра к выходу демодулятора даёт возможность точного спектрального анализа джиттера.

1.7.6 Измерения собственного джиттера системы передачи

Собственным джиттером системы передачи называется уровень джиттера на выходе системы при условии фазостабилизированного сигнала (сигнала без джиттера) на входе системы.

Нормы на уровень собственного джиттера в цифровых системах передачи PDH/SDH определяется ITU-T в рекомендациях G.823, G.783 и G.825. Собственный джиттер в цифровой системе передачи должен находиться в пределах маски на джиттер, представленной на рисунке 1.9. Нормы на параметры маски зависят от уровня иерархии канала и представлена в таблице. Как видно из рисунка и таблицы, допустимый уровень собственного джиттера на высоких частотах в цифровых системах передачи довольно низкий.

Рис. 1.9. Маска на нормы уровня собственного джиттер в цифровой системе передачи

Таблица 1. Нормы на параметры маски рисунок 9. в зависимости от скорости передачи

Скорость, Кбит/с	UIpp От f1 доf4	UIpp От f1 доf4	f1, кГц	f2, кГц	f3, кГц	f4, кГц
Рекомендация G.823 (для системы PDH)
2048 8448 34468 139264	1,5 1,5 1,5 1,5	0,2 0,2 0,15 0,075	0,02 0,02 0,1 0,2	2,4 0,4 1,0 0,5	18 3 10 10	100 400 800 3500
Рекомендация G.783 (для систем SDH)
2048 8448 139264	0,4 0,4 0,4	0,075 0,075 0,075	0,02 0,1 0,2	- - -	18 10 10	100 800 3500
Рекомендация G.825 (для систем SDH)
STM-1 STM-4 STM-16	1,5 1,5 1,5	0,15 0,15 0,15	0,5 1 5	- - -	65 250 1000	1300 5000 20000

Рис. 1.10. Схема организации измерений собственного джиттера

Измерения собственного джиттера с использованием реальной нагрузки выполняются обычно при эксплуатационном мониторинге каналов. Целесообразность измерений с реальной нагрузкой объясняется тем, что при этих измерениях исключается фактор влияния генератора псевдослучайная двоичная последовательность (ПСП) на параметр джиттера.

Метод измерения заключается в демодуляции джиттера нагрузки на выходе сетевого стыка, его избирательной фильтрации и измерении эффективного или амплитудного значения синусоидального джиттера.

Схема организации измерений представлена на рисунке 1.10. Дополнительный синтезатор, показанный на рисунке 1.10, служит для более точного определения используемых при измерении частот. Дополнительный анализатор спектра обеспечивает детальный спектральный анализ выходного джиттера.

Основным фактором влияния на измерения параметров собственного джиттера является влияние самого измерительного прибора на результат. Как было показано выше, измеряемые параметры джиттера могут быть очень малыми, поэтому основным требованием, предъявляемым к анализатору джиттера, является малый уровень собственного джиттера. Современный дизайн цепей позволяет достичь высокой фазовой стабильности модулей анализатора - порядка 1 mUI. Некоторые фирмы-производители в качестве анализаторов джиттера используют анализаторы с собственным джиттером в 50 mUI и более. Такой собственный джиттер не даёт возможности проведения реальных измерений джиттера системы.

Собственный уровень джиттера оказывает сильное влияние на результаты измерений. Проблема заключается в том, что собственный джиттер прибора и измеренный джиттер системы передачи суммируются сложным образом в зависимости от спектра и фазы сигнала. Современный уровень технологии не позволяет создать анализатор с параметром собственного джиттера, равным 0 UI, поэтому собственный джиттер прибора всегда влияет на результаты измерений. Для компенсации собственного джиттера прибора ряд фирм-производителей используют программные вычислительные процедуры при обработке данных. Такой метод оказывается неэффективным, поскольку измеряемый джиттер зависит не только от качества цепей анализатора, но и от цикловой структуры потока и состава сигнала нагрузки. В результате методика программной компенсации приводит к значительной погрешности измерений, ошибками при измерении, невоспроизводимости результатов.

Таким образом, единственным способом достижения точности при измерениях джиттера является высокое качество анализатора, обеспечивающего малый уровень собственного джиттера. Это основная причина того, что измерения джиттера резко увеличивают стоимость анализатора и его габариты. Реализовать в должной мере измерения джиттера в портативных и дешёвых приборах оказывается практически невозможным.

1.7.7 Измерение максимально допустимого джиттера

Проверка работоспособности цифрового канала или тракта при максимально допустимом входном джиттере (Maximum Tolerable Jitter - MTJ) производится путем подачи на вход канала измерительного сигнала с заданным уровнем джиттера. Значение и частота стрессового джиттера устанавливаются В соответствии с нормами на максимально допустимый размах синусоидального фазового дрожания на входе. Измерения производятся на выходе канала или тракта при одновременном измерении параметра ошибки.

Методика измерения допустимого значения джиттера на входе цифрового канала, тракта или аппаратуры представлена на рисунке 1.12. Параметр MTJ определяется как амплитуда синусоидального джиттера, который, будучи поданным на вход тракта или аппаратуры, вызывает заданное ухудшение показателя ошибок. Поэтому основу схемы измерений, представленную на рисунке 12, составляет генератор цифровых сигналов (обычно генератор ПСП), на вход которого подаётся сигнал от синтезатора с преобразованием АМ/ФМ, что эквивалентно внесению джиттера. На выходе принимаемый цифровой поток измеряется при помощи анализатора цифрового канала, и с фиксированием ошибок в канале.

Методология измерений довольно проста.

На измеряемое оборудование/канал подаётся тестовый сигнал (обычно ПСП) с внесенным джиттером на определённой частоте.

Затем амплитуда вносимого джиттера варьируется, а на выходе измеряемого оборудования/канала измеряется параметр ошибки.

По одному из описанных ниже критериев делается вывод о максимально допустимом джиттере для данной частоты.

Измерения повторяются для другой частоты.

Рис. 1.12. Схема организации измерений параметра MTJ

В результате получается зависимость амплитуды максимально допустимого джиттера (MTJ) от частоты для данного измеряемого оборудования, которая и является предметом измерения.

Нормированное ухудшение показателя ошибок может выражаться в виде двух критериев: увеличения коэффициента ошибок по битам (BER) и момента появления ошибок. При проведении измерений необходимо рассмотреть оба критерия, поскольку допуск на входное фазовое дрожание измеряемого объекта определяется, в основном, двумя факторами:

способностью схемы восстановления хронирующего сигнала точно восстанавливать этот сигнал из информационного потока с джиттером и, возможно, с другими ухудшениями качества (искажение импульсов, переходное влияние, шум и т. д.);

способностью выдерживать динамически меняющуюся скорость входного цифрового информационного сигнала (например, способностью к цифровому выравниванию и ёмкостью буферного ЗУ по входу и выходу из синхронизма в асинхронной цифровой аппаратуре группообразования).

Критерий увеличения BER позволяет определять воздействие джиттера на схему восстановления хронирующего сигнала приёмника, что очень важно для оценки первого фактора. Критерий появления ошибок рекомендуется для оценки второго фактора. Ниже рассмотрим оба метода.

Метод по критерию увеличения параметра BER. Критерий увеличения BER для измерений MTJ определяется как амплитуда джиттера (на заданной частоте), удваивающего BER, что обусловлено определённым уменьшением отношения сигнал/шум. Процедура метода разделяется на два этапа. На первом этапе определяется два значения BER в зависимости от отношения сигнал/шум в эталонных точках измеряемого канала. При нулевом джиттере к сигналу добавляется шум или сигнал ослабляется до получения нужного первоначального BER. Затем шум или затухание сигнала снижается до момента, когда BER уменьшается в 2 раза.

На втором этапе на определённой частоте в испытательный сигнал вводится джиттер до момента получения первоначально выбранного значения BER. Введённый эквивалентный джиттер представляет собой точную и воспроизводимую меру параметра MTJ. Второй этап метода повторяется для достаточного количества частот, чтобы измерение точно показывало постоянный допуск синусоидального входного джиттера для испытываемого объекта в используемом диапазоне частот. Измерительное устройство должно обеспечивать генерирование сигнала с изменяемым джиттером, получение необходимого отношения сигнал/шум в информационном сигнале и измерение BER испытываемого объекта.

На рисунке 1.12 представлена схема измерения, применяемая для метода по критерию увеличения BER. Аппаратура, обозначенная пунктирными линиями, используется дополнительно. Дополнительный частотный синтезатор обеспечивает более точное определение частот, используемых для измерения. Дополнительный анализатор джиттера может применяться для контроля амплитуды вырабатываемого фазового дрожания.

Метод с использованием критерия появления ошибок. Критерий появления ошибок для измерения MTJ определяется как наибольшая амплитуда джиттера на заданной частоте, обеспечивающая в конечном счете не более двух секунд с ошибками. Секунды суммируются в последовательных 30-секундных интервалах, в течение которых амплитуда джиттера возросла.

Рассматриваемый метод заключается в измерении частоты вносимого джиттера и в определении критической амплитуды допустимого джиттера для каждой частоты и амплитуды фазового дрожания испытательного сигнала, обеспечивающего соблюдение критерия появления ошибок.

...