ИКМ-30

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Состав и назначение устройств оконечной станции первичной цифровой системы передачи

В состав оконечной станции первичной цифровой системы передачи (ПЦСП) типа ИКМ-30, предназначенной для передачи телефонных сигналов, входит индивидуальное и групповое оборудование. Узлы индивидуального оборудования всех N каналов однотипны, и на рис. 1 показано индивидуальное оборудование только для одного канала.

Сигнал от абонента поступает на двухпроводный вход канала и далее через дифференциальную систему (ДС) в тракт передачи. Передающая часть индивидуального оборудования каждого канала содержит усилитель низкой частоты (УНЧ_ПЕР), фильтр нижних частот (ФНЧ_ПЕР) и амплитудно-импульсный модулятор (АИМ). В ФНЧ_ПЕР сигнал ограничивается по спектру (F_В = 3,4 кГц), что необходимо перед дискретизацией сигнала. В модуляторе аналоговый сигнал дискретизируется по времени, в результате чего формируется канальный АИМ сигнал, представляющий собой последовательность канальных АИМ отсчетов. Канальные АИМ сигналы всех каналов объединяются в групповой АИМ сигнал (АИМ_ГР).

В групповом оборудовании тракта передачи перед кодированием групповой АИМ сигнал, имеющий вид АИМ₁ преобразуется в групповой сигнал АИМ₂. В кодирующем устройстве (Код) осуществляется последовательное нелинейное кодирование отсчетов группового АИМ сигнала, в результате чего на выходе кодера формируется групповой цифровой сигнал с импульсно-кодовой модуляцией, представляющий собой последовательность восьмиразрядных кодовых комбинаций информационных символов соответствующих каналов.

В цикле передачи ЦСП помимо информационных символов, формируемых на выходе кодера, необходимо передавать ряд дополнительных сигналов.

Рис. 1. Структурная схема оконечной станции ПЦСП

К таким сигналам, в частности, относятся:

ѕ сигналы управления и взаимодействия (СУВ), передаваемые по телефонным каналам для управления приборами АТС (набор номера, вызов, ответ, отбой, разъединение и др.);

ѕ сигналы цикловой (ЦС) и сверхцикловой (СЦС) синхронизации;

ѕ сигналы передачи дискретной информации (ДИ) и др.

Сигналы СУВ от АТС поступают на вход передающей части через согласующие устройства (СУ_ПЕР), где преобразуются в цифровую форму для ввода через схему формирования циклов (ФЦ) (так же как и сигналы ЦС, СЦС и ДИ) в цифровой поток, т.е. добавляются к информационным символам. В результате на выходе ФЦ формируется полный цифровой поток со скоростью передачи 2,048 М/бит/с, имеющий циклическую структуру, причем его основные параметры строго регламентированы.

Цифровой сигнал на выходе ФЦ представляет собой униполярный (однополярный) цифровой поток (см. рис. 2) - групповой цифровой сигнал (ГЦС). Однако передача такого сигнала по линии затруднена (будет рассматриваться в теме «Кабельный цифровой линейный тракт/КЦЛТ), поэтому униполярный двоичный код в преобразователе кода передачи (ПК_ПЕР) преобразуется в двуполярный, квазитроичный код - линейный цифровой сигнал (ЛЦС), параметры которого отвечают определенным требованиям.

С помощью линейного трансформатора ЛТр обеспечиваются согласование аппаратуры с линией и подключение блока для дистанционного питания (ДП) линейных регенераторов (РЛ). Как видно из рис. 2, ДП традиционно для кабельных систем передачи осуществляется постоянным током по искусственным (фантомным) цепям (с использованием средних точек ЛТр) по системе «провод-провод».

В тракте приема искаженный ЛЦС поступает в станционный регенератор (РС), где восстанавливаются основные параметры сигнала (форма, амплитуда, длительность, период следования - расположение импульсов в цифровой последовательности). На выходе ПК_ПР восстанавливается униполярный (двоичный) сигнал, из которого с помощью приемника синхросигнала (ПСС) выделяются сигналы цикловой и сверхцикловой синхронизации, управляющие работой генераторного оборудования приема (ГО_ПР), а также символы СУВ и ДИ, которые поступают на СУ_ПР и ДИ_ПР соответственно.

Декодирующее устройство (Дек) последовательно декодирует кодовые группы отдельных каналов, в результате чего на выходе декодера формируется групповой АИМ сигнал.

В индивидуальной части оборудования приема с помощью временных селекторов (ВС) из последовательности отсчетов группового АИМ сигнала выделяются АИМ отсчеты соответствующего канала. С помощью ФНЧ_ПР выделяется огибающая последовательности канальных АИМ отсчетов, т.е. восстанавливается исходный аналоговый сигнал, который усиливается в УНЧ_ПР и через ДС поступает к абоненту.

Работой всех основных узлов оконечной станции управляет генераторное оборудование (ГО_ПЕР и ГО_ПР), формирующее все необходимые импульсные последовательности, следующие с различными частотами (например, с частотой дискретизации F_д, тактовой частотой F_т и др.).

Рис. 2. Временные диаграммы работы оконечной станции ПЦСП

На рис. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу оконечной станции ПЦСП при условии безыскаженной передачи сигналов и т=4 (контрольные точки указаны на рис. 1).

2. Формирование цикла передачи оконечной станции ПЦСП

В ЦСП групповой цифровой сигнал представляет собой непрерывную последовательность следующих друг за другом циклов (цикличность передачи заложена в самом принципе временного разделения каналов). Под циклом передачи будем понимать интервал времени, в течение которого передаются отдельные кодовые комбинации (или разряды) всех N каналов системы передачи и n_СЛ символов необходимых служебных сигналов (синхронизации, СУВ, ДИ и др.).

Для ЦСП, в которых осуществляется аналого-цифровое преобразование (кодирование) сигналов (например, ИКМ-30, ИКМ-15) длительность цикла Т_Ц выбирается равной периоду дискретизации Т_Д, т.е. Т_Ц = Т_Д = 125 мкс (при F_Д=8 кГц период дискретизации Т_Д = 1/F_Д = 1/8000 = 125 мкс).

Помимо длительности цикла (Т_Ц) строго регламентируются общее число импульсных позиций п (под импульсной позицией понимается временной интервал, предназначенный для передачи одного двоичного символа: «1» или «0») и их распределение между различными информационными и служебными сигналами. Таким образом, каждая импульсная позиция цикла строго закреплена за сигналами определенного вида.

В базовых ЦСП (например, ИКМ-30) цикл передачи (рис. 3) разделяется на N_КИ канальных интервалов (КИ). Количество канальных интервалов равно:

N_КИ = N_ИНФ + N_СЛ,

где: N_ИНФ - число информационных интервалов, равное числу каналов N;

N_СЛ - количество служебных канальных интервалов, выделенных для передачи служебных сигналов.

Обычно принимается следующая нумерация канальных интервалов: КИ₀, КИ₁, КИ₂, КИ₃,…, КИ_N-1. Очевидно, длительность канального интервала Т_КИ = Т_Ц/N_КИ. Каждый из канальных интервалов содержит т импульсных позиций (обычно т = 8, т.к. применяется восьмиразрядный нелинейный код), которые также называют тактовыми интервалами (ТИ). Очевидно, что длительность ТИ равна Т_ТИ = Т_КИ/т, а общее число ТИ в цикле передачи n = mN_КИ. В каждом тактовом интервале может быть передан один двоичный символ («1» или «0»), причем чаще всего передача импульсов осуществляется со скважностью, равной 2, т.е. длительность импульса «1» составляет Т_И = 0,5Т_ТИ.

Рис. 3. Временной спектр ЦСП

Для передачи СУВ всех N телефонных каналов организуется сверхцикл, состоящий из М циклов (см. рис. 3). В каждом из циклов сверхцикла в одном из КИ поочередно передаются СУВ только для одного или двух телефонных каналов. Во втором случае М = N/2 + 1 (один цикл сверхцикла используется для передачи сверхциклового синхросигнала). При этом принята следующая нумерация циклов в сверхцикле: Ц₀, Ц₁, Ц₂,…, Ц_М-1. В Ц₀ обычно передается сверхцикловой синхросигнал (СЦС), который определяет начало сверхцикла и обеспечивает правильное разделение СУВ по телефонным каналам на приемной станции. Передача СУВ для всех телефонных каналов в каждом цикле, т.е. без организации сверхцикла, нецелесообразна, так как привела бы к чрезмерному увеличению объема служебной информации, а, кроме того, не имеет особого смысла, так как длительность даже самых коротких сигналов управления и взаимодействия в десятки раз превышает длительность цикла передачи. Увеличение же объема служебной информации привело бы к необходимости повышения скорости передачи (при сохранении числа информационных каналов) либо к уменьшению числа информационных каналов (при сохранении скорости передачи).

3. Принципы синхронизации в ЦСП

В ЦСП с ВРК правильное восстановление исходных сигналов на приеме возможно только при синхронной и синфазной работе генераторного оборудования на передающей и приемной станциях (ГО_ПЕР и ГО_ПР). Учитывая принципы формирования группового цифрового сигнала, рассмотренные выше, для нормальной работы ПЦСП должны быть обеспечены следующие виды синхронизации: тактовая, цикловая и сверхцикловая.

Тактовая синхронизация обеспечивает равенство скоростей обработки цифровых сигналов в линейных и станционных регенераторах, кодеках и других устройствах ЦСП, осуществляющих обработку сигнала с тактовой частотой F_Т.

Цикловая синхронизация обеспечивает правильное разделение и декодирование кодовых групп цифрового сигнала и распределение декодированных отсчетов по соответствующим каналам в приемной части аппаратуры.

Сверхцикловая синхронизация обеспечивает на приеме правильное распределение СУВ по соответствующим телефонным каналам.

Нарушение хотя бы одного из видов синхронизации приводит к потере связи по всем каналам ЦСП.

На рис. 4, а) показано временное распределение циклов в сверхцикле, формируемом на передаче. При наличии тактовой, цикловой и сверхцикловой синхронизации на приеме временное расположение циклов и сверхциклов, определяемое ГО_ПР, соответствует расположению циклов на передаче, т.е. не изменяется. При этом осуществляется правильное разделение информационных сигналов и СУВ по соответствующим телефонным каналам. Рассмотрим случаи нарушения цикловой и сверхцикловой синхронизации (при наличии тактовой).

Рис. 4. Временной спектр ПЦСП при нарушении синхронизации

При нарушении цикловой синхронизации (рис. 4, б) границы циклов на приеме произвольно смещаются по отношению к границам циклов группового сигнала, поступающего на вход приемного оборудования (рис. 4, а). Это приводит к неправильному разделению канальных сигналов и СУВ, т.е. к потере связи по всем каналам. В частном случае (если временной сдвиг ДТ окажется кратным Т_КИ) может произойти переадресация информации, при которой на выход i-го канала будет поступать информация, относящаяся к некоторому j-му каналу. Очевидно, что нарушение цикловой синхронизации неизбежно приведет к нарушению сверхцикловой синхронизации.

При нарушении сверхцикловой синхронизации, но сохранений тактовой и цикловой границы циклов на приеме и передаче совпадают, но нарушается порядок счета циклов в сверхцикле, т.е. на приеме смещаются границы сверхцикла (рис. 4, в). Это приведет на приеме к неправильному распределению СУВ, передаваемых в определенном порядке в сверхцикле, между телефонными каналами. Поскольку СУВ представляет собой набор сигналов, управляющих работой приборов АТС (набор номера, ответ, отбой, разъединение и др.), нарушение сверхцикловой синхронизации также приведет к потере связи по всем каналам. В частных случаях могут быть установлены случайные соединения абонентов, разрушены ранее установленные связи и т.п.

Очевидно, что нарушение тактовой синхронизации сделает невозможным установление цикловой и сверхцикловой синхронизации, т.к. обработка символов группового цифрового сигнала с частотой, отличной от тактовой F_Т, приведет к недопустимому возрастанию числа ошибок.

Система тактовой синхронизации включает в себя (рис. 5) задающий генератор (ЗГ), входящий в состав ГО передающего оборудования оконечной станции (Пер) и вырабатывающий импульсную последовательность с тактовой частотой F_Т, и устройства выделения тактовой частоты (УВТЧ), устанавливаемые в том оборудовании, где осуществляется обработка сигнала с тактовой частотой (F_Т): в линейных регенераторах (РЛ), приемном оборудовании (Пр) оконечной станции и др.

Сущность одного из наиболее распространенных методов выделения F_Т состоит в том, что из спектра группового цифрового сигнала с помощью УВТЧ, содержащего высокодобротные резонансные контуры, фильтры-выделители или избирательные усилители, выделяется тактовая частота. Энергетический спектр случайной униполярной последовательности импульсов, т.е. спектр униполярного цифрового сигнала, содержит как непрерывную G_Н(f), так и дискретную G_Д(f) составляющую. На рис. 6 приведен энергетический спектр униполярного цифрового сигнала при скважности следования импульсов, равной 2, и показано, что с помощью фильтра-выделителя можно выделить первую гармонику частоты следования импульсов, т.е. тактовую частоту (F_Т), являющуюся одной из составляющих дискретной части спектра.

Такой способ выделения F_Т называется способом пассивной фильтрации (или резонансным). Этот способ характеризуется простотой реализации УВТЧ, но имеет существенный недостаток, а именно стабильность выделения F_Т зависит от стабильности параметров фильтра-выделителя и структуры цифрового сигнала (при появлении длинных серий нулей или при кратковременных перерывах связи затрудняется процесс выделения тактовой частоты).

Перспективным для высокоскоростных ЦСП, но более сложным, является способ тактовой синхронизации с применением устройств автоподстройки частоты генератора тактовой частоты приемного оборудования (способ активной фильтрации).

Цикловая синхронизация осуществляется следующим образом. На передающей станции в состав группового цифрового сигнала в начале цикла передачи (обычно в КИ₀) вводится цикловой синхросигнал, а на приемной станции устанавливается приемник синхросигнала (ПСС), который выделяет цикловой синхросигнал из группового цифрового сигнала и тем самым определяет начало цикла передачи. Очевидно, что цикловой синхросигнал должен обладать определенными отличительными признаками, в качестве которых используется заранее определенная и неизменная структура синхросигнала (например, «0011011» в ЦСП ИКМ-30), а также периодичность следования синхросигнала на определенных позициях цикла (например, в КИ₀ через цикл в ЦСП ИКМ-30). Групповой цифровой сигнал в силу случайного характера информационных сигналов такими свойствами не обладает.

К системе цикловой синхронизации предъявляется ряд требований, в частности:

· время вхождения в синхронизм при первоначальном включении аппаратуры и время восстановления синхронизма при его нарушении должно быть минимально возможным;

· ПСС должен обладать высокой помехоустойчивостью;

· число символов синхросигнала и частота повторения должны быть минимально возможными.

Эти требования носят противоречивый характер, поэтому приходится принимать компромиссные решения.

Время восстановления синхронизма должно быть минимальным (обычно не более нескольких миллисекунд), т.к. помимо того, что сбой синхронизма приводит к потере связи, т.е. к ухудшению качества передачи, возможны нарушения работы каналов передачи СУВ, что может, например, привести к разъединению абонентов. Сокращение времени восстановления синхронизма, в частности, может быть достигнуто за счет увеличения числа символов синхросигнала и частоты его повторения, но это неизбежно приведет либо к сокращению информационной части цикла передачи, либо к увеличению скорости передачи группового цифрового сигнала. Чаще всего используется многоразрядный синхросигнал, все символы которого передаются в виде единой синхрогруппы (сосредоточенный синхросигнал).

Когда речь идет о помехоустойчивости приемника синхросигнала, имеется в виду защита, как от установления ложного синхронизма, так и от ложного выхода из состояния синхронизма. Это обеспечивает наибольшее среднее время между сбоями синхронизации и может быть достигнуто за счет принятия того или иного решения после анализа ситуации в течение некоторого периода времени, а, следовательно, приведет к возрастанию времени восстановления синхронизма.

Рассмотрим принципы работы ПСС со скользящим поиском (рис. 7), который выполняет следующие основные функции:

ѕ установление синхронизма после включения системы в работу;

ѕ контроль за синхронным состоянием системы в процессе работы;

ѕ обнаружение сбоя синхронизма;

ѕ восстановление состояния синхронизма после каждого сбоя.

Основными узлами ПСС являются опознаватель, анализатор и решающее устройство.

Опознаватель содержит регистр сдвига, число разрядов в котором совпадает с числом символов в синхросигнале, и дешифратор (Дш), настроенный на дешифрацию синхросигнала заданной структуры. Как только в регистре сдвига, на, вход которого поступает групповой цифровой сигнал, оказывается записанной кодовая комбинация, совпадающая по структуре с принятой структурой синхросигнала, на выходе опознавателя появляется импульс.

Рис. 7. Структурная схема приемника синхросигнала

Анализатор с помощью контрольного сигнала, поступающего от Г0_ПР, проверяет соответствие момента появления импульса на выходе опознавателя ожидаемому моменту появления синхросигнала, т.е. осуществляется проверка по периоду следования и времени появления синхросигнала.

Появление импульса на выходе схемы запрета означает отсутствие синхросигнала (сигнала с выхода Дш) в момент поступления контрольного импульса от ГО_ПР, а появление импульса на выходе схемы И₁ означает совпадение по времени синхросигнала и контрольного сигнала от ГО_ПР.

Решающее устройство оценивает выходные сигналы анализатора по определенному критерию, принимает решение о наличии или отсутствии синхронизма и управляет работой ГО_ПР в процессе вхождения в синхронизм. Решающее устройство содержит накопитель по выходу из синхронизма (n₂) и накопитель по входу в синхронизм (n₁), представляющие собой двоичные счетчики со сбросом.

Накопитель по входу в синхронизм, вход которого соединен с выходом схемы И₁ обеспечивает защиту ПСС от ложного вхождения в синхронизм в режиме поиска синхросигнала, когда на вход опознавателя поступают случайные комбинации цифрового группового сигнала, совпадающие по структуре с синхросигналом. Обычно емкость накопителя по входу в синхронизм (n₁) составляет 2-3 разряда.

Накопитель по выходу из синхронизма, вход которого соединен с выходом схемы запрета анализатора, обеспечивает защиту от ложного выхода из состояния синхронизма, когда из-за ошибок в линейном тракте или по другим, причинам происходит кратковременное изменение структуры синхросигнала. Обычно емкость накопителя по выходу из синхронизма (п₂) составляет 4-6 разрядов.

Рассмотрим работу приемника синхросигнала. Если система находится в режиме синхронизма, то накопитель по входу в синхронизм будет заполнен, поскольку на выходе схемы И₁ регулярно появляются импульсы, подтверждающие, совпадение, моментов поступления импульсов с выхода опознавателя и контрольных импульсов от ГО_ПР. Накопитель по выходу из синхронизма опустошается. Импульсы на выходе опознавателя, соответствующие случайным комбинациям со структурой, аналогичной структуре синхросигнала, не влияют на работу ПСС, т.к. как не совпадают по времени с контрольными импульсами от ГО_ПР.

Например, в результате ошибок в одном из циклов будет искажен синхросигнал, тогда на выходе опознавателя в нужный момент импульс не появится. В результате этого с выхода схемы запрета в накопитель по выходу из синхронизма (n₂) поступит импульс. Однако схема остается в прежнем состоянии, поддерживая ранее установленное состояние синхронизма. Только в том случае, если будут искажены п₂ синхросигналов подряд, т.е. когда полностью заполнится накопитель по выходу из синхронизма (n₁), будет принято решение о выходе системы из состояния синхронизма. При этом если накопитель по входу в синхронизм (n₁) будет заполнен раньше накопителя по выходу из синхронизма (n₂), то последний будет сбрасываться в исходное нулевое положение. Таким образом, обеспечивается защита от ложного выхода из синхронизма при кратковременных искажениях синхросигнала.

При длительном нарушении синхронизма накопитель по выходу из синхронизма (n₂) оказывается заполненным и принимается решение о действительном выходе системы из состояния синхронизма. Начинается поиск нового состояния синхронизма. В этом случае первый же импульс от опознавателя через открытый элемент И₂ переводит ГО_ПР и накопитель по входу в синхронизм (n₁) в исходное нулевое состояние, а накопитель по выходу из синхронизма (n₂) - в состояние, соответствующее (n₂-1) - му импульсу, т.е. уменьшает его содержимое на 1. Если в следующем: цикле моменты появления импульса на выходе опознавателя и импульса от ГО_ПР не совпадают (это означает, что синхрогруппа оказалась ложной), то вновь заполняется накопитель по выходу из синхронизма (n₂), открывается схема И₂ и очередной импульс от опознавателя вновь устанавливает ГО_ПР и накопители в указанное ранее состояние. Таким образом, обеспечивается защита от ложного установления синхронизма. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на выходе опознавателя не появляется импульс, соответствующий истинному синхросигналу. В этом случае через n₁ циклов, заполняется накопитель по входу в синхронизм, сбрасывается в нулевое состояние накопитель по входу в синхронизм, сбрасывается в нулевое состояние накопитель по выходу из синхронизма, схема И₂ закрывается, т.е. устанавливается новое состояние синхронизма.

Из анализа работы ПСС следует, что процесс восстановления синхронизма содержит три последовательно выполняемых этапа:

ѕ обнаружение выхода из синхронизма;

ѕ поиск синхросигнала;

ѕ подтверждение нового состояния синхронизма.

Тогда время восстановления синхронизма будет равно:

t_В = t_{Н. ВЫХ} + t_П + t_{Н. ВХ},

цифровой передача синхронизация импульс

где: t_{Н. ВЫХ} - время заполнения накопителя по выходу из синхронизма (n₂);

t_П - время поиска синхросигнала;

t_{Н. ВХ} - время заполнения накопителя по входу в синхронизм (n₁).

Недостатки рассмотренного способа построения ПСС заключаются в следующем:

ѕ во-первых, поиск синхросигнала начинается только после окончания процесса заполнения накопителя по выходу из синхронизм (n₂), т.е. через t_{Н. ВЫХ}, что приводит к увеличению времени восстановления синхронизма t_В.

ѕ во-вторых, емкости накопителей по входу в синхронизм и выходу из синхронизма (n₁ и п₂) фиксированы, что не позволяет добиваться оптимальных соотношений между временем восстановления синхронизма (t_В) и помехоустойчивостью. Если вероятность ошибок в линейном тракте (Р) увеличивается (по сравнению с расчетной величиной), то время удержания состояния синхронизма оказывается меньше требуемого. Однако при уменьшении Р возникает запас по времени удержания синхронизма, что свидетельствует о необоснованном увеличении времени восстановления синхронизма.

Первый недостаток может быть устранен, если процессы накопления по выходу из синхронизма и поиска синхросигнала осуществлять параллельно. Для этого схему ПСС (рис. 7), необходимо дополнить схемой поиска синхросигнала, содержащей собственный анализатор и решающее устройство. Эта схема начинает работать при появлении первого же импульса на входе накопителя по выходу из синхронизма, т.е. не дожидаясь его заполнения, и осуществляет поиск нового состояния синхронизма. Генераторное оборудование будет сохранять предыдущее состояние до тех пор, пока не будет зафиксировано новое состояние синхронизма.

Второй недостаток может быть устранен, если емкости накопителей (n₁ и п₂) сделать величинами переменными, зависящими от Р. При понижении Р уменьшается емкость накопителя по выходу из синхронизма (п₂), а при увеличении Р уменьшается емкость накопителя по входу в синхронизм (n₁). Такие ПСС называются адаптивными и широко применяются в высокоскоростных отечественных ЦСП.

Работа системы сверхцикловой синхронизации, как и работа системы цикловой синхронизации, основана на передаче сверхциклового синхросигнала (СЦС) в одном из циклов сверхцикла (обычно в ЦО). Работа приемника сверхциклового синхросигнала практически не отличается от работы приемника циклового синхросигнала. При этом приемник сверхциклового синхросигнала работает в несколько облегченном режиме, т.к. установление сверхциклового синхронизма осуществляется после установления синхронизации по циклам, т.е. когда определены границы циклов.

Литература

1. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов / В.И. Иванов, В.Н. Гордиенко, Г.Н. Попов и др.; Под ред. В.И. Иванова. - 2-е изд. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 232 с.

2. Баева Н.Н. Многоканальная электросвязь и РРЛ: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1988. - 312 с.

3. Системы электросвязи: Учебник для вузов/ В.П. Шувалов, Г.П. Катунин, Б.И. Крук и др.; Под ред. В.П. Шувалова. - М.: Радио и связь, 1987. - 512 с.

Размещено на Allbest.ru