Скремблирование цифрового сигнала

Улучшение ЛЦС с целью упрощения устройств выделения тактовой частоты линейных регенераторов реализуется с помощью процесса, назы­ваемого скремблированием, т. е. использования пары преобразующих уст­ройств: скремблера на передаче и дескремблера на приеме (рис. 6.9,а)

Скремблирование заключается в преобразовании исходного двоичного сигнала в сигнал, близкий к случайному, имеющему биноминальное рас­пределение вероятностей появления (при равновероятном появлении символов 1 и 0), т. е. осуществляется рандомизация произвольного инфор­мационного сигнала.

В отличие от сигналов с произвольными статистическими параметра­ми, для которых вероятности появления символов и групп символов могут быть произвольными, в цифровом случайном (скремблированном) сигна­ле вероятность появления любой комбинации является не

произвольной, а определяется в соответствии с биномиальным законом вероятностью появления одного символа и длиной серии.

Рис. 6.9. Скремблер - дескремблер

Идея скремблирования основана на том, что, как показано в табл. 6.4, вы­полненное дважды сложение по модулю 2 передаваемого символа с некото­рым другим символом не приводит к его изменению, однако в линию вместо последовательности Х\ передается последовательность Z, имеющая большее число единиц по сравнению с исходной последовательностью.

Таблица 6.4

	к,	Z	Y2	х2

Основным элементом скремблера является генератор псевдослучай­ной последовательности (ПСП), схема которого приведена на рис. 6.9,6, а принцип действия иллюстрируется табл. 6.3.

Пусть в начальный момент времени (№ 1) имеет место состояние яче­ек памяти А, Б а В регистра сдвига 0, 0 и 1 соответственно, что можно записать как число (001)2 = (1)ю — единицу в двоичной и десятичной сис­темах счисления. Выходной сигнал генератора ПСП равен mod2(E, В) = = mod2(0,.l)=l.

В процессе сдвига в регистре содержимое ячейки В пропадает, содер­жимое ячейки Б перемещается в ячейку В, содержимое ячейки А переме­щается в ячейку Б, а в ячейку А записывается выходной сигнал, т. е. 1.

Состояние генератора в такте № 2 равно (100)г = (4)ю- Из табл. 6.5 видно, что состояние генератора за 7 тактов проходит полный цикл, со­держащий все возможные комбинации, кроме (000). Количество таких комбинаций составляет 2^Ш -1 =7, где т = 3 - число ячеек.

Таблица 6.5

№ такта	Содержимое ячеек	Число в десятичной системе счисления
А	Б	В

Линейный тракт цифровых систем передачи по электрическим кабелям
№ такта	Содержимое ячеек	Число в десятичной системе счисления
А	Б	В

Рассмотрим пример передачи цифровой последовательности Х_и имеющий вид 10101010 при исходном состоянии генератора ПСП схемы рис. 6.9,6, равном (001)₂. Последовательность Z в линейном тракте обра­зуется сложением по модулю 2 последовательности Х\ и выходного сиг­нала генератора ПСП (содержимое ячейки памяти А в течение тактов № 1...8). Итак, последовательность Z имеет вид 11110110. Структура по­следовательности непериодична.

Восстановление дескремблером переданной последовательности на приеме производится по алгоритму Х_г = mod2(Z, l^)- Генераторы ПСП на передаче и приеме должны быть синхронизированы. Для этого применя­ются схемы генераторов с самосинхронизацией, недостатком которых явля­ется размножение ошибок, возникающих в цифровом линейном тракте. К достоинствам скремблированного сигнала можно отнести:

- возможность достаточно точного расчета параметров выделителя такто­
вой частоты линейных регенераторов, так как может быть определена вероят­
ность появления любой комбинации в линейном цифровом сигнале;

- универсальность, которая заключается в возможности сквозной пе­
редачи скремблированного сигнала по сети связи через любые циф­
ровые тракты, так как скремблирование исходной двоичной последова­
тельности осуществляется без преобразования его в другой вид, а выделе­
ние исходного сигнала производится только в приемном оборудовании
оконечной станции;

- уменьшение влияния статистических параметров исходного сигна­
ла на фазовые дрожания цифрового сигнала в линии;

- обеспечение возможности контроля качества передачи при на­рушении чередования полярности импульсов при использовании скремблирования в сочетании с кодом ЧПИ.

Выбор ПСП, наиболее близкой к случайному цифровому сигналу, яв­ляется достаточно сложной задачей. В качестве наиболее эффективных ПСП предлагается использовать М-последовательности периода N =2" — 1, образованные полиномами видах¹⁵ + х^н + 1 (и = 15) или х¹⁰ + х⁹ + х⁶ + 1 (п = 10). Далее скремблированный сигнал, как новый ДВС, может быть преобразо­ван в соответствующий код ЛЦС.

На выходе скремблера появляется новая импульсная последователь­ность, которая систематически связана с исходным ДВС, однако является как бы случайной, поскольку происходит разрушение длинных последо­вательностей 1 или 0, а также простых периодических последовательно­стей. Это, естественно, приводит к существенному уменьшению величины систематических фазовых дрожаний.

При установке на магистрали нескольких скремблеров возможно уст­ранение также систематического накопления фазовых дрожаний. Отме­тим, однако, что если в последовательности, поступающей на вход деск-ремблера, появились ошибки, то при восстановлении сигнала могут воз­никнуть несколько ошибок.

Размножение ошибок при скремблировании несколько ограничивает область применения данного метода.

6.4. Регенерация цифрового сигнала 6.4.1. Принципы построения и классификации регенераторов

Линейный цифровой сигнал (ЛЦС), проходя по линии связи, испытывает ослабление, подвергается воздействию различного вида помех и искажений, что приводит к деформациям формы и длительности импульсов, уменьшению их амплитуды и случайным временным сдвигам и задержкам сигнала.

Напомним, что с целью снижения межсимвольных искажений форма импульса ЛЦС имеет плавные передний и задний фронты, обеспечиваю­щие минимум последействий переходных процессов, обусловленных ог­раничениями полосы частот линейного тракта. Для передачи по кабель­ным линиям используются видеоимпульсы, описываемые, например, функцией вида ДО =

U_n -ехр(- р² г²), называемые еще колокольными, или видеоимпульсы типа выпрямленной синусоиды.

Для устранения или уменьшения указанных деформаций ЛЦС в ли­нейном тракте через определенные расстояния устанавливаются линейные регенераторы (ЛР), задача которых состоит в усилении сигналов, коррек­ции постоянных и переменных амплитудно-частотных искажений, вос­становлении амплитуды, формы и длительности импульсов ЦЛС, а также временных соотношений между соседними символами. Этот процесс на­зывается регенерацией цифрового сигнала и позволяет очистить от помех и искажений сигнал, прошедший через участок линии связи - регенераци-онный участок (РУ) и восстановить его в такой форме, какую он имел на входе РУ. Процесс регенерации ЛЦС, в широком смысле, состоит в опо­знавании переданных символов на фоне помех, восстановлении в соответ­ствии с опознанными символами формы, амплитуды и временного поло­жения импульсов и пробелов и передачи их на вход следующего РУ. Опо­знание символов ЛЦС осуществляется методом однократного отсчета, заключающегося в сравнении амплитуды регенерируемого сигнала с эта­лонным пороговым уровнем (порогом опознания) в момент опознания, априорно соответствующий наибольшей вероятности верного опознава­ния. Если в момент опознавания уровень сигнала превышает порог опо­знавания, то принимается решение о том, что на вход регенератора посту­пил импульс (единица), если не превышает - пробел (нуль). В процессе опознавания символа положительной полярности регенерируемый сигнал сравнивается с положительным пороговым напряжением (током), отрица­тельной полярности - с отрицательным пороговым напряжением (током). Число РУ в линейном тракте может достигать нескольких десятков (и даже сотен). Отношение сигнал-помеха на выходе каждого ЛР практически одинаково, т. е. внешние аддитивные помехи и шумы (внутреннего и внешне­го происхождения), не зависящие от сигнала, практически полностью подав­ляются в пределах одного РУ и вдоль всего линейного тракта ЦСП не накап­ливаются. В этом состоит основное отличие ЦСП от аналоговых систем пе­редачи, в которых шумы и помехи усиливаются вместе с полезным сигналом, к этим шумам добавляются собственные шумы линейных усилителей и пере­даются от усилителя к усилителю. Происходит накопление помех и шумов, в результате чего отношение сигнал-помеха уменьшается.

Регенераторы видеоимпульсов, используемые в ЦСП ИКМ-ВРК, мож­но классифицировать по различным признакам:

- по способу синхронизации по тактовой частоте или получения хро­
нирующей информации (далее будем использовать этот термин, как рав­
ноправный термину синхронизация по тактовой частоте информации);

- по способу использования хронирующей информации в процессе ре­
генерации;

- по виду порогового и решающего устройства.

По способу получения хронирующей информации ЛР можно разде­лить на регенераторы с самохронированием (или с внутренней синхрони­зацией) и полным восстановлением временных интервалов и регенерато­ры с внешним хронированием (или внешней синхронизацией).

В регенераторах с самохронированием колебания тактовой частоты, необходимые для формирования последовательности стробирующих им­пульсов, выделяются непосредственно из спектра входного ЛЦС. Для вы­деления хронирующего сигнала используются ранее рассмотренные уст­ройства выделения тактовой частоты (УВТЧ) из спектра ЛЦС. При ис­пользовании регенераторов с внешним хронированием к цифровому сиг­налу примешивается синусоидальный хронирующий сигнал. Этот сигнал может также передаваться по отдельной цепи.

Передача хронирующего сигнала по специальной паре кабеля неэко­номична. Кроме того, она сопряжена со значительными трудностями из-за возникающей необходимости точной коррекции фазовых характеристик хронирующей и рабочей пары на каждом РУ с целью получения одинако­вого группового времени прохождения (ГВП) для частотных составляю­щих ЛЦС и хронирующего сигнала. Если специальный хронирующий сигнал передается по рабочей паре, то в каждом ЛР необходимо выпол­нить следующие операции: выделить этот сигнал узкополосными фильт­рами; подавить (например, с помощью заграждающих фильтров) состав­ляющие, близкие к тактовой частоте, на выходе ЛР; вновь замешать в ли­нейный сигнал хронирующее колебание. Такие устройства получаются достаточно сложными, но в последнее время в связи с проблемами такто­вой сетевой синхронизации находят применение. Поэтому широкое при­менение получили ЛР с самохронированием с использованием различных способов построения УВТЧ.

Хронирующая информация может быть получена как из входного ЛЦС (регенераторы прямого действия), так и из его выходного сигнала (реге­нераторы обратного действия). Недостатком регенератора обратного дей­ствия является наличие цепи обратной связи, что снижает устойчивость регенератора и повышает требования к стабильности и точности работы его узлов.

По способу использования хронирующего сигнала для управления ра­ботой ЛР различают регенераторы с полным и частичным восстановлени­ем временных соотношений (или, как иногда говорят, с полной или час­тичной регенерацией). В регенераторах с полным восстановлением вре­менных соотношений используется схема выделения тактовой частоты, приведенная на рис. 5.4, на выходе которой формируется стробирующая последовательность импульсов тактовой частоты, управляющая работой ЛР. При частичном восстановлением временных соотношений для выде­ления тактовой частоты используется только узкополосный фильтр (УФ), напряжение с выхода которого сфазированно таким образом, чтобы положи­тельные (или отрицательные) его полупериоды совпадали с регенерируе­мыми импульсами, поступающими с выхода порогового устройства ЛР.