Построение цифровых систем передачи

Основные понятия и определения. Классификация цифровых систем передачи

Цифровой системой передач (ЦСП) называется комплекс технических средств, предназначенный для образования типовых цифровых каналов и трактов и линейного тракта, обеспечивающего передачу цифровых сигна­лов электросвязи. В этом определении имеется ряд понятий, требующих дополнительных пояснений.

Построение цифровых систем передачи

Цифровым сигналом электросвязи, или просто цифровым сигналом, называется сигнал электросвязи, параметры которого характеризуются конечным множеством возможных дискретных значений и описываются функцией дискретного времени. Переход от одного возможного значения к другому происходит скачкообразно в строго определенные моменты времени, интервалы между которыми равны или кратны выбранному еди­ничному интервалу времени - периоду дискретизации Т_Д.

Дискретным значением сигнала, или его отсчетом, называется вели­чина сигнала, оцениваемая на коротком интервале {длительности отсче­та), в пределах которого сигнал изменяется лишь на незначительную, пренебрежимо малую величину. В дальнейшем будем пользоваться тер­мином отсчет.

Отметим, что цифровой сигнал может быть многоуровневым, т.е. в ин­тервале изменений параметра может иметь конечное множество дискрет­ных состояний. Сигнал может быть, например, двухуровневым, т.е. пред­ставлять собой случайную последовательность токовых (1) и бестоковых (0) посылок. Трехуровневый сигнал представляет случайную последова­тельность символов (+1), (-1), (0) или импульсов положительной, отри­цательной полярности и бестоковых посылок.

Единицей технической оснащенности ЦСП является типовой или ос­новной цифровой канал (ОЦК) со скоростью передачи сигналов 64 кбит/с. Кроме того, различают: первичный цифровой канал (ПЦК), вторичный цифровой канал (ВЦК), третичный цифровой канал (ТЦК) и четверич­ный цифровой канал (ЧЦК).

Цифровой типовой тракт - комплекс технических средств, обеспечи­вающий организацию основных цифровых каналов со скоростью переда­чи, соответствующей данному тракту, структура и параметры которого соответствуют принятым нормам. Цифровой линейный тракт — комплекс технических средств, обеспечивающий передачу цифровых сигналов со скоростью, соответствующей данной ЦСП.

Цифровые системы передачи классифицируются по следующим при­знакам.

1. По принципам разделения каналов различают ЦСП:

- с временным разделением каналов (ЦСП с ВРК);

- с частотным разделением каналов (ЦСП с ЧРК), имеющие специаль­ное оборудование, преобразующее многоканальный (групповой) сигнал систем передачи с частотным разделением каналов (СП с ЧРК) в цифро­вой сигнал и обратно.

2. По способам формирования канальных сигналов различают ЦСП:

- с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ);

- с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);

- с фазо-импульсной модуляцией (ФИМ);

- с импульсно-кодовой модуляцией и временным разделением каналов (ЦСП ИКМ-ВРК);

- с импульсно-кодовой модуляцией и частотным разделением (или де­лением) каналов (ЦСП ИКМ-ЧД);

- с дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией и временным разделением каналов (ДИКМ-ВРК);

- на основе дельта-модуляции с ВРК или ЧД.

3. По способам объединения цифровых потоков с целью формирова­
ния цифровых каналов и цифровых трактов более высокого порядка раз­
личают:

- ЦСП ИКМ-ВРК с асинхронным объединением цифровых потоков
или систем плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) – Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH);

- ЦСП ИКМ-ВРК с синхронным объединением цифровых потоков или систем синхронной цифровой иерархии (СЦИ) - Synchronous Digital Hier­archy (SDH).

Процесс объединения нескольких входных цифровых потоков нижнего уровня (компонентных потоков) в один поток более высокого уровня для его передачи по одному выходному или агрегатному каналу (потоку) на­зывается мультиплексированием

4. В зависимости от среды распространения сигналов электросвязи
различают ЦСП:

- по электрическим (металлическим) симметричным и коаксиальным кабелям;

- по волоконно-оптическим кабелям;

- по радиорелейным и спутниковым линиям передачи.

5. По месту ЦСП в структуре первичных сетей Взаимоувязанной сети
связи Российской Федерации различают ЦСП:

- для местных первичных сетей;

- для внутризоновых первичных сетей;

- для магистральных первичных сетей;

- для сетей абонентского доступа;

- для технологических сетей связи, например, железнодорожного, воз­душного или водного транспорта, управления нефте- и газопроводами, энергосистемами и др.;

- для корпоративных и ведомственных сетей различного назначения.
В настоящее время в нашей стране создается цифровая первичная сеть (ЦПС), представляющая базовую сеть типовых универсальных цифровых каналов передачи и сетевых трактов, или транспортную сеть, образо­ванную на базе сетевых узлов (СУ), сетевых станций (СС) и соединяю­щих их линий передачи.

На основе ЦПС создаются разнообразные цифровые вторичные се­ти (ЦВС). Сетевые узлы и станции представляют собой комплекс обо­рудования ЦСП различных сетевых технологий, предназначенный для формирования и перераспределения цифровых каналов и трактов и под­ключения ЦВС.

6. По числу ОЦК различают:

- малоканальные ЦСП с числом каналов N < 30;

- среднеканальные ЦСП с числом каналов N < 480;

- многоканальные ЦСП с числом каналов iV> 1920.

В настоящее время самое широкое распространение на телекоммуни­кационных сетях получили цифровые системы передачи с временным разделением каналов и трактов - ЦСП ИКМ-ВРК.

1.2. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование сигнала в ЦСП ИКМ-ВРК

1.2.1. Дискретизация или амплитудно-импульсная модуляция

В основе построения ЦСП с ВРК лежит теорема Найквиста-Котельникова, которая гласит: непрерывный во времени сигнал c(t), спектр которого ограничен полосой частот от 0 до F_B, полностью опреде­ляется последовательностью своих мгновенных значений, которые берут­ся в точках, отсчитываемых через интервалы времени,

(1.1а)

или с частотой

f_a>2F_s. (1.16)

Процесс преобразования непрерывного во времени и ограниченного по спектру сигнала c(i) в сигнал с(п7"_д), определенный в точках отсчета Г_д, - называется дискретизацией.

Значения сигнала с(пТ_д) в точках отсчета называются дискретами или отсчетами. Поэтому теорему Найквиста-Котельникова в технической ли-

Рис. 1.1. Дис1фетизация непрерывного сигнала

тературе часто называют теоремой отсчетов, а интервал времени между двумя соседними отсчетами называется периодом дискретизации Т_а.

Значение теоремы отсчетов состоит в том, что если необходимо пере­дать непрерывный и ограниченный по спектру сигнал c(t), то необяза­тельно передавать его непрерывно, а достаточно передать его отдельные мгновенные значения, взятые через интервал времени Г_д (рис. 1.1).

Между отсчетами сигнала одного канала можно передавать отсчеты сигналов других каналов с теми же параметрами дискретизации. Таким образом реализуется временное разделение каналов.

Процесс дискретизации можно представить как процесс амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) сигналом c(f) (рис. 1.1) периодической последовательности прямоугольных импульсов (ПППИ) f_o(t) с амплиту­дой А_т, длительностью т_и и периодом Г_д или частотой/, = 1/Г_д (рис. 1.2).

Периодическая последовательность импульсов /₀(0 может быть пред­ставлена рядом Фурье вида:

(1.2)

где - круговая частота дискретизации; А_о, А_к - коэффициенты

разложения ряда Фурье, представляющие амплитуду постоянной состав­ляющей и амплитуду к-й гармоники спектра ПППИ соответственно. Амплитуда постоянной составляющей Ао определяется по формуле

Рис. 1.2. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов

амплитуды гармоник частоты следования импульсов ПППИ находятся по следующей формуле

Подставив значения коэффициентов разложения А_й и А_к в (1.2), полу­чим формулу для определения спектрального состава ПППИ:

Модулирующий сигнал c(t) представим в виде

(1-3.)

(1.4)

где - нижняя и верхняя граничные частоты модулирующего сиг-

нала соответственно, причем если , т.е. модулирующий сигнал

является широкополосным.

Подставив в него c{t) ufo{t) из формул (1.4) и (1.3), получим

Амплитудно-импульсный модулированный (АИМ) сигнал можно опи­сать общим для амплитудной модуляции выражением:

где - коэффициент глубины модуляции.

Раскрыв скобки в (1.5) и выполнив несложные тригонометрические преобразования, получим

(1.6)

Из выражения (1.6) следует, что спектр АИМ сигнала содержит:

- постоянную составляющую с амплитудой AJq;

- модулирующий (исходный) многочастотный сигнала с амплитудами его частотных составляющих, равными

- гармоники частоты дискретизации - модулируемой ПППИ, ампли­
туды которых равны

^2Ат ■, ^П

— —smk—; пк q

- боковые полосы частот вида Ш_а ± (Q,_H.,. Q,-...£2_В) с амплитудами

Спектр АИМ сигнала 5(0)) представлен на рис. 1.3, где А_о - амплитуда постоянной составляющей; А_ъ А₂, А_ъ - к т.д. амплитуды первой, второй, третьей гармоник и т.д. гармоник частоты следования импульсов ПППИ или частоты дискретизации; НБ-1 - нижняя боковая полоса частот около первой гармоники частоты дискретизации ; ВБ-1 - верхняя боковая полоса частот около первой гармоники частоты дискретизации ш_д + О.,; НБ-2, ВБ-2 - нижняя и верхняя боковые полосы около второй гармоники частоты дискретизации; НБ-3, ВБ-3 - нижняя и верхняя боковые полосы около третьей гармоники частоты дискретизации и т. д.

Рис. 1.3. Спектр АИМ сигнала

Демодуляция АИМ сигнала, т.е. выделение модулирующего сигнала, осуществляется фильтром нижних частот (ФНЧ) (рис. 1.3). Это обуслов­лено наличием в спектре АИМ сигнала исходного сигнала с полосой час­тот . Для реализации ФНЧ необходима полоса расфильтровки (рис. 1.3), которая равна

Из последнего выражения следует, что частота дискретизации

(1.7)

Таким образом, на основе рассмотрения процесса дискретизации как процесса амплитудно-импульсной модуляции получены условия теоремы Найквиста-Котельникова: или , или

Для канала тональной частоты (КТЧ), у которого = 300 Гц и F_B = = 3400 Гц, частота дискретизации должна удовлетворять условию = 6800 Гц. Для упрощения и удешевления ФНЧ, необходимых для ограничения полосы частот первичного сигнала перед его дискретизацией в тракте передачи ЦСП, а также в тракте приема для демодуляции АИМ сигнала (восстановления дискретизированного сигнала), необходимо вы­брать оптимальное значение полосы расфильтровки AF_P. Это значение равно = 1200 Гц. Из (1.7) следует: частота дискретизации +

+ = 2-3400 + 1200 = 8000 Гц, а период дискретизации = 1/8000= 125 мкс.

Различают амплитудно-импульсную модуляцию первого рода (АИМ-1) и второго рода (АИМ-2). При АИМ-1 мгновенное значение импульсов отсчетов на их длительности т_и изменяется в соответствии с изменениями модулирующего (дискретизируемого) сигнала. При АИМ-2 значение им­пульса определяется только значением сигнала в тактовой точке ПППИ (рис. 1.2) и остается постоянной на всей длительности импульса отсчета т_и. Таким образом, импульсы отсчетов при АИМ-2 имеют плоскую вершину (см. рис. 1.1). При достаточно большой скважности импульсов ПППИ q > 10 сигналы АИМ-1 и АИМ-2 идентичны по спектрам.

Процесс дискретизации (или амплитудно-импульсной модуляции) не­прерывного сигнала c(t) сопровождается искажениями дискретизации, обусловленными тем, что действительные первичные сигналы являются ограниченными по времени и, следовательно, имеют неограниченный спектр. Часть этого спектра попадает в полосу частот, выделяемую ФНЧ при демодуляции АИМ сигнала. При дискретизации и последующем вос­становлении исходного сигнала происходит его значительное ослабление, так как часть энергии, которая распределена между различными спек­тральными составляющими АИМ сигнала, подавляется в процессе демо­дуляции. Как следует из (1.6), амплитуда составляющей сигнала в спектре АИМ сигнала равна

Если - амплитуда г-ой составляющей на входе АИМ модулятора -дискретизатора, а А, - амплитуда г'-й составляющей на выходе ФНЧ при де­модуляции АИМ сигнала, то ослабление в процессе дискретизации равно

(1.8)

Из (1.8) следует, что ослабление растет с увеличением скважности им­пульсов (числа каналов ЦСП). Это обстоятельство накладывает ограниче­ния на число каналов на этапе дискретизации. Так, если частота дискрети­зации равна /_д = 8 кГц или период дискретизации мкс (что ориентировочно соответствует 30-канальной системе), ослабление сигнала на ступени дискретизации согласно (1.8) будет равно

т.е. полезный сигнал ослабляется почти в 1000 раз. Кроме того, при пере­ходе от АИМ-1 к АИМ-2 (о необходимости этой операции будет сказано ниже) имеют место специфические искажения, для компенсации которых на выходе канала включается амплитудный корректор. Для снижения по­терь энергии сигналов при их дискретизации используются усилители низкой частоты, включаемые в тракте передачи и в тракте приема.

Процесс дискретизации, или амплитудно-импульсной модуляции, т. е. формирование канального АИМ сигнала осуществляется в индиви­дуальном АИМ тракте, обобщенная функциональная схема которого при­ведена на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Функциональная схема индивидуального АИМ тракта

Работа схемы заключается в следующем. На вход АИМ тракта посту­пает первичный (относительно широкополосный) сигнал c(t). С целью формирования эффективно-передаваемой полосы частот КТЧ и удовле­творения условиям теоремы Найквиста-Котельникова полоса частот пер­вичного сигнала ограничивается фильтром нижних частот (ФНЧ). Далее ограниченный по спектру сигнал поступает на усилитель низкой частоты (УНЧ), предназначенный для компенсации потерь мощности сигнала, обусловленных его ограничением по спектру, процессами дискретизации и преобразования АИМ-1 в АИМ-2. На выходе УНЧ получаем сигнал c(t), параметры которого удовлетворяют условиям его дискретизации на пере­даче и демодуляции на приеме. С выхода УНЧ сигнал c{t) поступает на канальный амплитудно-импульсный модулятор (КАИМ) или дискретиза-тор, на другой вход которого с распределителя канальных импульсов по­ступает ПППИ, следующая с тактовой частотой или с периодом На выходе КАИМ получаем дискретный сигнал , (см. рис. 1.1). Затем N индивидуальных канальных АИМ сигналов объединяются в общий груп­повой (многоканальный) АИМ сигнал и поступают в тракт передачи ЦСП. На выходе тракта передачи ЦСП из группового АИМ сигнала с помощью канального селектора КС, управляемого ПППИ, поступающей от РКИ, выделяется индивидуальный АИМ сигнал с(пГд) соответствующего кана­ла. С помощью ФНЧ осуществляется его демодуляция (см. рис. 1.3). Не­прерывный сигнал с выхода ФНЧ поступает на УНЧ, который обеспечи­вает номинальное значение сигнала c{t) на выходе канала.

Процессы дискретизации, демодуляции и временного разделения ка­налов иллюстрирует рис. 1.5.

Для упрощения показаны только три канала, на которые поступают сигналы После прохождения через фильтры нижних

частот (ФНЧ) и усилители низкой частоты (УНЧ) эти сигналы преобразу­ются в сигналы , удовлетворяющие требованиям теоремы Найквиста-Котельникова (рис. 1.4). На амплитудно-импульсные моду­ляторы (КАИМ) каждого канала от распределителя канальных импульсов

Рис. 1.5. Временные диаграммы функционирования АИМ индивидуального тракта

(РКИ) поступают периодические последовательности импульсов , частоты дискретизации (рис. 1.6).

л	in	ПППППППППППП	ПППП	ППП	ППГ	а выходе ЗГ
fm(O	L-jj	--------- гд --------- ЩЩ-		r		ii i i '1 +П j i 1-й канал
fait)	h	\,---------- гя ---------- И—Ц>		Гд —		-- Ц| 2-й канал
		i i	T			N-fi канал	'/
	1 f*
							Г

Рис. 1.6. Временные диаграммы работы генераторного оборудования

Периодические последовательности импульсов, управляющие работой канальных амплитудно-импульсных модуляторов и канальных селекто­ров, формируются генераторным оборудованием передачи ГО_пер и прие­ма. В состав ГО входят: задающий генератор ЗГ, формирующий периоди­ческую последовательность импульсов (рис. 1.6); распределитель каналь­ных импульсов (РКИ), который формирует периодические последова­тельности импульсов 1-го, 2-го и т.д. до N-ro каналов, смещенные относительно друг друга на защитный интервал, необходимые для управ­ления канальными амплитудно-импульсными модуляторами и канальны­ми селекторами (см. рис. 1.5).

На выходе КЛИМ каждого из каналов (см. рис. 1.4) формируются АИМ-1 сигналы, которые преобразуются в АИМ-2 сигналы и объединя­ются в групповой (многоканальный) АИМ сигнал , который переда­ется по групповому АИМ тракту. С целью обеспечения синхронной рабо­ты канальных амплитудно-импульсных модуляторов и селекторов в груп­повой тракт передачи вводятся синхроимпульсы СИ. Формирование СИ, т.е. придания ему соответствующих признаков (амплитуда, длительность), осуществляется передатчиком синхросигнала Пер.СС. На стороне приема выделение синхросигнала из группового АИМ сигнала осуществляется приемником синхросигнала Пр.СС. Сигнал с выхода Пр.СС синхронизи­рует генераторное оборудование приема ГО_пр. с генераторным оборудо­ванием передачи ГО_пер.

Полоса частот, необходимая для передачи группового АИМ сигнала, может быть определена на основе следующих рассуждений: период дис­кретизации равен ; для передачи импульса длительностью т_и достаточна полоса частот После соответствующих преобразо­ваний формул для получим

(1-9) 15

т.е. необходима полоса частот от 0 до - верхняя граничная

частота полосы пропускания группового АИМ тракта.

С учетом защитного интервала, естественно, полоса частот для пере­дачи группового АИМ сигнала несколько выше. Переходные процессы в групповом АИМ тракте, обусловленные конечной шириной его полосы пропускания, приводят к взаимным влияниям между каналами.