Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

Лекция 4. Принципы построения систем передачи с частотным

                  разделением каналов (ЧРК) и  временным разделением каналов  

                  (ВРК)

Каналы и линии связи

Каналы связи транспортной сети независимо от их технической реализации и среды, в которой происходит распространение, подразделяются на

-проводные (кабельные, многопроводные  типа ТПП, ТРП и др.)

-световодные (волоконно-оптические  –ВОЛС)

-радио (для абонентского радиодоступа)

-волноводные, коаксиальные

-спутниковые

-радиорелейные

различаются по:

-пропускной способности

-направлению передачи информации  и их положению (роли) в сети  связи.

Каналы делятся на  аналоговые и цифровые (дискретные)

Аналоговые каналы характеризуются частотной полосой пропускания, динамическим диапазоном, временем распространения и помехами (интенсивностью и характером)

Цифровые каналы – характеризуются скоростью передачи в битах в сек. (иногда в бодах) и помехами (характером и величиной)

По направлению передачи информации различают:

-симплексные каналы (например, каналы вещания)

-Дуплексные

-полудуплексные (реверсируемые)

-ограниченно дуплексные (в разные  стороны –с разной пропускной  способностью)

По виду передаваемой информации выделяют

• низкоскоростные и высокоскоростные
• телефонные
• звукового вещания
• телевидения
• сигнальные

По использованию в сети каналы делят на

• прямые (без промежуточной коммутации) – «прямые провода», арендованные линии 
• коммутируемые (односторонние- исходящие и входящие, двухсторонние.)

Совокупность каналов  между 2-мя пунктами образуют линию, которая характеризуется емкостью-числом стандартных каналов (например, линия Е1 содержит 30 каналов по 64кбит/с каждый), или суммарной пропускной способностью всех каналов Е1- 2048кбит/с.

Кроме пропускной способности и  стоимости, линия или канал характеризуются помехами- вероятностью появления ошибок при передаче сообщений,  и надежностью.

 

Поскольку перечисленные выше кабельные  системы, даже медная двухпроводная  линия,  как правило, имеют частотную  ширину полосы пропускания, значительно  превышающую полосу частот, требуемую для передачи отдельного речевого сигнала, то очевидна идея создать на системе передачи группу речевых каналов, т.е. применить некую систему группообразования.

Если всю частотную полосу пропускания  разбить на частотные интервалы голосового сигнала (0,3 –3,4 кГц), то такой метод группообразования называется методом с частотным разделением каналов – ЧРК. Метод используется для аналоговых сигналов. Вторым методом группообразования, является группообразование с временным разделением каналов -ВРК, когда весь временной интервал передачи сигнала делится на отдельные временные участки, в течении которых передаются кусочки разных сигналов из группы передаваемых сообщений, представленных в цифровой форме.

 

 

 

Группообразование с  ЧРК. (FDM – Frequency Division Multihlexing)

Принцип показан на рис.1

N каналов

 1      2  N

1

 1

2 2

 

… …

N

N

 

 

Рис. 1 Частотное группообразование

 

Для перенесения голосового сигнала  в тот или иной частотный интервал используется метод амплитудной модуляции несущей частоты. Поскольку при амплитудной модуляции ширина полосы пропускания увеличивается вдвое (за счет двух боковых полос), то она примерно равна 8 кГц, что является расточительным с точки зрения задействования ресурсов для передачи сигнала. Поэтому применяется метод модуляции с одной боковой полосой . – либо верхней, либо нижней и подавлением несущей (ОБП-ПН).  Как правило, используется нижняя боковая полоса. Канал с полосой пропускания, соответствующей голосовому сигналу 4 кГц называется каналом тональной частоты ТЧ.

Таких каналов в группе можно  организовать столько, сколько может  обеспечить рабочая полоса пропускания  системы передачи.

Чтобы стандартизировать оборудование различных фирм, используемых на сетях  связи установлен стандарт иерархии систем передачи с ЧРК.

 

Телефонный канал (ТЧ)– полоса частот 4 кГц

Первичная группа – состоит из 12 телефонных каналов, перенесенных в диапазон частот         60 –108 кГц

Вторичная группа – состоит из 5 первичных групп, перенесенных в диапазон частот                312-552 кГц (60 телефонных каналов)

Третичная группа - состоит из 5 вторичных групп, перенесенных в диапазон частот                812 - 2044 кГц (300 телефонных каналов)

Стандартом допускается создание четверичной группы с полосой 8516 – 12388 кГц, эквивалентных 1800 телефонных каналов.

 

Входы  каналов ТЧ

 f f

0     4 кГц 104 112 104     108

 

12 2     1

 

108 f f

100  108 100    104                                                     f

60 108

 

 

104 Выход 12-ти канальной

… … первичной группы

f f

60 68 60      64

 

64                     Полосовые

Модуляторы                      фильтры

РИС. 2 Структурная группа оборудования первичной группы

 

В структуре первичной группы используется 12 модулирующих частот, по числу каналов (64-68-72-76-80-84-88-92-96-100-104-108 кГц).

Однако во вторичной группу используется не 60 модулирующих частот, а только 5 дополнительных .:с интервалом 48 кГц (4х12): 420кГц, 468 кГц, 516, 564, 612 кГц.

Модулируется сигнал первичной группы с полосой частот 60 –108 кГц

 

 

 60       108  f  (кГц)

 Модулятор 1 f  (кГц)

420

 

 Модулятор 2

 f  (кГц)

468

Модулятор 3

 516 f  (кГц)

 

 Модулятор 4

 f  (кГц)

564

                Модулятор 5

 f  (кГц)

612

 Вторичная группа

 f  (кГц)

312  552

100 200 300           400 500 600

   Рис. 3 Принцип создания вторичной группы ЧРК

 

Экономия получается за счет использования  стандартных блоков первичной группы. Аналогично производится и для третичной группы. В этом смысл применяемой иерархии частотного уплотнения каналов в системе передачи.

Для организации более широкополосных каналов каналы тональной частоты  объединяются. Например, для канала вещания и звукового сопровождения  телевидения используется 3 канала ТЧ.

Недостатком методов с ЧРК является сложность реализации и настройки  аналоговых устройств.

Разработанные методы цифрового преобразования сигналов значительно упрощают не только реализацию, но и предоставляют новые  возможности передачи сигналов, их мультиплексирования и обработки.

Группообразование с ВРК. Импульсно-кодовая  модуляция

ВРК или TDM –Time Division Multiplexing – Техника мультиплексирования с разделением во времени

Первым шагом в превращении  аналогового сигнала в цифровой является дискретизация сигнала, выполнение над ним амплитудно-импульсной модуляции АИМ, суть которой состоит в том, что в исходном аналоговом сигнале берутся его отсчеты со строго определенной периодичностью. Эта периодичность выбирается из условия возможности последующего восстановления сигнала без искажений из дискретизированного с помощью фильтра нижних частот.

Для сигнала с ограниченным спектром, к которому относится телефонный сигнал, имеющий частоту среза 4 кГц  применима теорема Котельникова-Найквиста, определяющая частоту дискретизации  f_д= 2f _{ср. ( Котельников в 1931 г., Найквист – в1933)}

Отсюда получаем, что для стандартного телефонного канала частота дискретизации  составляет 8 кГц, а интервал дискретизации  Т д = 125 мкс.

Следующим шагом является квантование импульсных выборок – процесс определения для каждой выборки эквивалентного ей численного (цифрового) значения. Эти два процесса – дискретизация и квантование называются импульсно-кодовой модуляцией ИКМ.  Они позволяют перейти от аналогового сигнала к цифровому.

Численное значение каждой выборки  может быть закодировано в виде 7 или 8 битного двоичного сигнала. Такое кодирование (кодификация) 128 (2⁷) или 256 (2⁸) дискретных уровня амплитуды речевого сигнала, и обеспечивает качественную передачу речи с динамическим диапазоном 42 или 48  дБ. Поскольку выборки передаются последовательно, получим двоичный цифровой поток со скоростью 56 кбит (8 кГц х 7) или 64 кбит.

Канал со скоростью передачи 64 кбит/с называют основным цифровым каналом ОЦК, который обозначают DS0 (или Е0)

Рис. 4 показывает указанные процессы кодирования.

 56

 57

 58

 59

60

 61

 62

  63

 64

65

 66

67

 68

 69

70

 

Номер     

выборки  1   2    3    4    5    6    7    8    9   10   11  12 

Уровень

Квантов. 64  59   56   57    58   61   64   66    66    64   62   65

 

 

1011111100111010101110000011110111000011001111110     Двоичный код

0 0 1 1 1 1 0 1 1

 

Биполярный кодовый

сигнал

 Использование ИКМ (известной  с 1938 г, но реализованной только  в 1962 г) в качестве метода передачи данных позволяет:

 

• для систем цифровой телефонии – ликвидировать недостатки аналоговых методов, а  именно:   

 Убрать затухание сигнала  и его изменение в сеансе  связи  и от сеанса к сеансу

 Практически убрать посторонние шумы

 Улучшить разборчивость речи  и увеличить динамический диапазон  передачи.

• для  систем передачи данных – организовать канал передачи данных со скоростью 56 или 64кбит/с.

 

Однако при цифровом преобразовании сигнала появляются собственные  шумы метода преобразования, связанные с процессом квантования. Эти шумы и называются шумы квантования.

Принцип их образования показан  на рис. 6

 

 

 

 

 

 

 

 Входной сигнал

 

 Квантованный выходной сигнал

 

Ошибка квантования

Рис. 6

Ясно, чтобы уменьшить шумы квантования, необходимо увеличит число уровней квантования.

Однако  в цифровых системах связи выше 8 бит на выборку практически не используют, чтобы не увеличивать  максимально необходимую скорость передачи.

Для улучшения  ситуации используют метод нелинейного двоичного кодирования. Идейно он основан на методе компандерного расширения динамического диапазона. На входе системы сигнал сжимается с помощью компрессора до необходимого уровня, а на выходе восстанавливается с помощью эспандера.

 

Входной Выходной

сигнал Цифровой поток сигнал 

 сжатого сигнала

Компрессор        Линейный                        Линейный Эспандер

кодер ИКМ                 декодер ИКМ

 

           Рис.    Схема компандерного  преобразования сигнала.

Для реализации такой схемы нелинейной кодификации выбирается закон нелинейного преобразования и требуемая степень компрессии. Закон нелинейного преобразования стандартизирован. В Европе используется А-закон

y=sgn(x)[z/(1+lnA)],  где z=A|x| для 0£x£1/A  или z=1+lnA|x|  для  (1/A)£|x|£1;   A=87,6

А в Северной Америке и Японии - m закон

y=sgn(x)[ln(1+m|x|)/ln(1+m)].       m=100 для D1  и m=  255 для D2

Применение цифрового преобразования сигнала позволяет получить групповой  канал путем мультиплексирования  во временной области, или мультиплексирования  с временным разделением каналов  ВРК. Это происходит с помощью коммутатора на передающей стороне, который последовательно подключает каждый входной канал на определенный временной интервал («тайм-слот», или «интервал коммутации» или «цикл»).

 Обобщенная схема временного

мультиплексирования Фильтр

 1 Синхронизирующий 1

 таймер Фильтр

 2 2

 Фильтр

 3 3

 Фильтр

 4                                4

 

Сформированный таким образом  поток выборок от разных входных  каналов направляется в канал связи.

На приемной стороне он демультиплексируется с помощью аналогичного коммутатора  и фильтра нижних частот. Важно, чтобы  коммутаторы на входе и выходе были синхронизированы.

Если используются автономные источники  частоты, то частоты их не совпадают, как бы точно они не были настроены. В этом случае устройство буферной памяти в приемном устройстве только временно поддерживает синхронизм приема и считывания входного сигнала. Рано или поздно память переполняется или опустошается и происходит потеря информации- так называемое проскальзывание, например

 

Записывается в память

 

Считывается из памяти   Двукратное

считывание

 

Таким образом с помощью буферной памяти обеспечивается управляемое  проскальзывание.

В речевом сигнале эффект проскальзываний выражается в иногда слышимых щелчках. (за 25 проскальзываний 1 щелчок) Норма составляет  примерно 1 проскальзывание за 5 часов. При этом тактовые частоты должны иметь точность лучше, чем 10 ^–8.