Цифровые системы передачи

Цифровые системы передачи

                Связь - одна из наиболее динамично развивающихся отраслей инфраструктуры современного общества. Этому способствуют постоянный рост спроса на услуги связи и информацию, а также достижения научно-технического прогресса в области электроники, волоконной оптики и вычислительной техники. В настоящее время во многих странах ведется интенсивное внедрение сотовых сетей подвижной связи (СПС), сетей персонального радиовызова и систем спутниковой связи. В активно разрабатываемой МСЭ концепции универсальной персональной связи большое место отводится СПС. Такие сети предназначены для передачи данных (ПД) и обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью. Передача данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку, кроме телефонных, он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию и многое другое.     Увеличение объема информации потребует сокращения времени ее передачи и получения. Поэтому сейчас наблюдается устойчивый рост производства мобильных средств радиосвязи (пейджеров, сотовых радиотелефонов, спутниковых пользовательских терминалов).Подвижная связь позволяет абоненту получать услуги связи в любой точке в пределах зон действия наземных или спутниковых сетей; благодаря прогрессу в технологии производства средств связи созданы малогабаритные универсальные абонентские терминалы (AT), сопрягаемые с персональным компьютером (ПК) и имеющие интерфейсы для подключения к СПС всех действующих стандартов. Сети подвижной связи можно разделить на следующие классы: сети сотовой подвижной связи (ССПС); сети транкинговой связи (СТС); сети персонального радиовызова (СПР); сети персональной спутниковой (мобильной) связи.

      Сети подвижной связи созданы с целью максимального удовлетворения на современном мировом уровне потребностей абонентов в услугах связи с возможностью выхода в телефонную сеть общего пользования (ТфОП).

     Среди современных телекоммуникационных средств наиболее стремительно развиваются сети сотовой радиотелефонной связи. Их внедрение позволило решить проблему экономичного использования выделенной полосы радиочастот путем передачи сообщений на одних и тех же частотах и увеличить пропускную способность телекоммуникационных сетей. Свое название сети сотовой радиотелефонной связи получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания (территория города или региона) делится на большое число малых рабочих зон или сот в виде шестиугольников.    

 

   

1. Преобразование речевых сигналов в цифровую форму:

 

Оборудование Цифровых систем передачи (ЦСП) состоит из оборудования формирования и приема цифровых сигналов и оборудования линейного тракта. Цифровые сигналы обычно формируются  в оборудовании аналого-цифрового преобразования первичных ЦСП (мультиплексоры первичные), на входы которых поступают аналоговые сигналы, и затем преобразуются в цифровую форму. Наибольшее распространение в мире получили ЦСП с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Цифровые сигналы также могут формироваться в оборудовании временного группообразования ЦСП более высокого уровня (вторичном, третичном и т.д.).

Канал передача (Transmission Circuit) - комплекс технических средств и среды распространения сигналов, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи, характерных для данного канала передачи, между сетевыми станциями, сетевыми узлами или между сетевой станцией и сетевым узлом, а также между сетевой станцией или сетевым узлом и оконечным устройством первичной сети.

Канал передачи называют аналоговым или цифровым в зависимости от методов передачи сигналов электросвязи.

Канал передачи, в котором на разных его участках используют аналоговые или цифровые методы передачи сигналов электросвязи, называют смешанным (аналогово-цифровым).

Цифровой канал, в зависимости от значения скорости передачи сигналов электросвязи, называют основным, первичным, вторичным, третичным, четверичным.

 

Канал основной цифровой (ОЦК) (Basic Digital Circuit) - типовой цифровой канал передачи со скоростью передачи сигналов 64 кбит/с.

Квантование группового АИМ сигнала по уровню применяется для упрощения процесс кодирования. Закодировать бесконечное число значений амплитуды АИМ сигнала технически затруднительно, поэтому используют разрешенное ограниченное число значений амплитуды АИМ сигнала. Квантование заключается в определении амплитуды дискретного сигнала каждого временного канала и сравнении с некоторыми разрешенными уровнями. При этом значение амплитуды сигнала заменяется ближайшим разрешенным. Число разрешенных значений зависит от вида передаваемого сигнала и определяет качество передачи.

Для этого составляется шкала квантования, определяемая минимальным и максимальным значением амплитуды исходного (модулирующего) сигнала. Расстояние между двумя соседними разрешенными уровнями называется шагом квантования, величина которого определяет искажения исходного сигнала при передаче: чем меньше шаг, тем меньше искажается сигнал. Однако уменьшение шага квантования приводит к увеличению числа уровней квантования при неизменной длине шкалы квантования, что, безусловно, усложняет оборудование.

Если шаг квантования  по всей шкале квантования остается постоянной величиной, такое квантование называется равномерным. В современных системах передачи применяется неравномерное квантование с изменяющимся шагом квантования, что позволяет уменьшить шумы квантования и при этом не увеличить число уровней квантования. При неравномерном квантовании для сигналов с малой амплитудой шаг выбирается небольшим и увеличивается с возрастанием амплитуды сигналов.

Неравномерное квантование  получают с помощью динамического сжатия сигнала. Для этого на передаче применяется специальное устройство с нелинейной амплитудной характеристикой - компрессор. На приемном конце сжатый сигнал как бы расширяется с помощь специального устройства - экспандера, имеющего амплитудную характеристику, обратную компрессору. Результирующая характеристика компрессора-экспандера, называемого компандером, в этом случае не будет вносить нелинейных искажений, так как будет линейной.

В современных системах ИКМ амплитудные характеристики компрессора и экспандера имеют  вид кусочно-ломаных кривых, содержащих 256 уровней квантования, для их кодирования  требуется 8 разрядов. Кодирование осуществляется за 8 тактов.

В системах передачи европейской  иерархии используется логарифмическая  характеристика компандирования, так  называемый А-закон:

 

y=sgn(х)[z/(1+lnА)],

 

где у и х - отношение  амплитуд выходного и входного сигналов соответственно к величине чине порога ограничения квантующего устройства (квантователя), z = А[х] для х, находящихся в интервале от 0 до 1/А, 
z=1 + lnА[х] для х, находящихся в интервале от 1/А до 1, А - параметр компрессии, А = 87,6.

Для транслирования номеров  уровней на приемный конец применяется последовательное кодирование. Для кодирования часто используется равномерный двоичный код, при этом число уровней квантования будет равно 2ⁿ , где n - число элементов кода.

Рассмотрим процесс  преобразования некоторого исходного аналогового сигнала С(t) в сигнал ИКМ (рис. 1).

 

Рис. 1. Преобразование аналогового сигнала в АИМ сигнал

 

 

Сигнал С(t) модулирует некоторую последовательность импульсов P(t) с периодом следования импульсов Т. После дискретизации амплитуды дискретных сигналов округляются до ближайших разрешенных уровней (АИМ-2), при этом шкала квантования имеет вид, показанный на рис. 1 а.

В процессе квантования  по амплитуде передается не значение амплитуды отсчета импульса, вырезанного  из исходного сигнала, а закодированное значение ближайшего разрешенного уровня k. В результате квантования значение амплитуды импульса изменяется (округляется в большую или меньшую сторону). При этом допускается ошибка, которая будет тем меньше, чем меньше выбран шаг квантования. При ИКМ передаются не значения амплитуды, а номера ближайших разрешенных уровней: k=0,   k=2,   k=5,   k=7,   k=5,   k=1.  (рис. 1 б). Пусть для кодирования выбран трехэлементный двоичный код, тогда закодированные ванные значения уровней будут: 000, 010, 101, 111, 101, 001, 000.

По линии связи передается цифровой сигнал в виде кодовых групп, представляющих сочетание импульсов  одинаковой амплитуды и пауз 
(рис. 1 в). Каждая кодовая группа подается по линии за время канального интервала.

На приемном конце  по принятой информации восстанавливается исходный сигнал с некоторой погрешностью - кривая, показанная штриховой линией (рис. 1 г). Эта погрешность зависит от шага квантования и проявляется как искажение формы исходного сигнала (так называемый шум квантования). В таблице 1.1 приведена оценка качества речи, переданной с помощью ИКМ, в зависимости от числа разрешенных уровней квантования.

 

2. Принципы временного разделения канала и временной коммутации.

 

Наиболее распространено распределение энергетического  ресурса сигналов между информационными потоками (каналами) путем ортогонализации сигналов по  частоте  или  времени (а также - по фазе, структуре,  пространству и  поляризации). При этом,  как правило, соблюдается принцип деления данного ресурса поровну между всеми каналами (с одинаковой информационной скоростью) в предположении равенства  и долговременности  требований к их качеству.  Допускаемое иногда неравномерное распределение ресурса  при  частотном  разделении каналов (ЧРК) в следствие сложности регулировок является жестко закрепленным и динамически неизменяемым. А переход от сложных в настройке  (но потенциально допускающих неоднородность каналов) аналоговых систем с ЧРК к унифицированным цифровым  системам с временным разделением каналов (ВРК) привел к тому, что во многих системах связи практически исчезла возможность индивидуального изменения качества отдельных каналов за счет перераспределения общего энергетического ресурса. Кроме того, при этом оказываются  малоэффективными,  а  без дополнительного помехоустойчивого кодирования и бесполезными попытки улучшения качества связи  за счет  снижения скорости отдельных каналов (что предусмотрено во многих оконечных средствах передачи данных),  так как помехоустойчивость  всех каналов в линиях связи с ВРК определяется скоростью группового сигнала.

Однако в линиях связи  высокого качества, на которые ориентированы  многие современные высокоскоростные сетевые технологии, используется именно временное (регулярное детерминированное или статистическое) разделение информационных и служебных каналов. При этом понятие "логический" или "виртуальный" канал в полной мере может относится и к каналам управления. Хотя для более надежной доставки управляющей информации вне зависимости от текущей информационной нагрузки подобным каналам управления может выделяться и фиксированный ресурс используемых сигналов.

 

3. Первичный цифровой поток Е1 и принципы его формирования:

Структура сигнала E1. Линии E1 работают с номинальной скоростью 2,048 Мбит/с. Передаваемые по линии E1 данные организованы в кадры (frame). Формат кадра E1 показан на рисунке 2

Рис. 2 Структура кадра потока E1

 

Каждый кадр E1 содержит 256 битов, разделенных на 32 временных  интервала (тайм-слота) по восемь битов  в каждом, содержащих передаваемые данные. Кадр повторяется каждые 125 мкс (соответственно, частота следования кадров равна 8 кГц или 8 000 кадров в секунду). Следовательно, для каждого канала данных (тайм-слота) обеспечивается полоса 64 кбит/с. Число доступных пользователю тайм-слотов составляет 31 (временной интервал 0 зарезервирован для служебной информации).

 

3.1. Тайм-слот  «0»

Зарезервированный тайм-слот «0» используется для решения  двух основных задач:

передача вспомогательной информации (housekeeping). В каждом кадре без FAS (нечетные кадры) нулевой тайм-слот содержит вспомогательную информацию, включающую:

• Бит 2 всегда имеет значение 1 - этот факт используется алгоритмами Бит 1 называется international (I) и служит главным образом для обнаружения ошибок с использованием функции CRC-4;
• выравнивания кадров;
• Бит 3 используется для индикации удаленной тревоги (remote alarm indication или RAI) и сообщает оборудованию на другом конце канала, что в локальном оборудовании потеряно выравнивание кадров или отсутствует входной сигнал;

• остальные биты, обозначаемые S_a4 - S_a8, предназначены для использования в отдельных странах. Эти биты доступны для пользователей на основе соглашения о значении битов. Оборудование с агентами SNMP может использовать биты S_a4 -S_a8 для управления в пределах основной полосы 
  (in-band). Общая полоса, выделяемая для этих битов (включая S_a4), составляет 4 кбит/с.

 

3.2. Мультикадры

Для расширения объема полезной информации без расширения полосы кадры  организуются в более крупные  структуры, называемые мультикадрами (multiframes). В общем случае используются мультикадры двух типов:

 

256N содержит 2 кадра (один  четный и один нечетный). Мультикадры  256N используются в основном там,  где пользователям доступен тайм-слот 16. В этом режиме максимальное  число временных для передачи  полезной информации составляет 31 (максимальная полезная полоса - 1984 кбит/с). Для систем, использующих сигнализацию CCS (общая сигнализация или common-channel signaling), в тайм-слоте 16 часто передается информация CCS;