98

Агентство по управлению государственными

учреждениями Пермского края

ГОУ СПО «Пермский радиотехнический колледж им. А.С.Попова»

Многоканальные системы передачи (Учебное пособие)

Часть 1

Пермь

2010

Автор-составитель:

Анатолий Петрович Яковлев – преподаватель специальных дисциплин

1-ой квалификационной категории.

Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов специальностей:

210404 – «Многоканальные телекоммуникационные системы,

210406 – «Сети связи и системы коммутации».

Материал изложен в соответствии с учебным планом дисциплины «Многоканальные системы передачи». Исходя из учебного плана, пособие состоит из трех частей. В пособии рассматриваются вопросы преобразования и передачи непрерывных сигналов с помощью частотного и временного разделения каналов, принципы построения систем передачи и структурные особенности систем различного назначения.

Пособие может быть использовано как для студентов среднего специального образования очной и заочной формы обучения, так и в системе повышения квалификации и переподготовки кадров.

Рекомендовано к изданию методическим советом ГОУ СПО «Пермский радиотехнический колледж им. А.С.Попова» в качестве учебного пособия.

Рецензенты:

• Макин Владимир Витальевич, к.т.н., доцент, начальник отдела по защите прав субъектов персональных данных и надзора за информационными технологиями Управления Роскомнадзора по Пермскому краю.

• Овчинников Владимир Валентинович, к.т.н, доцент, заведующий учебным отделом НОУ высшего профессионального образования Уральский гуманитарный институт.

Редактор:

• Власова Инна Александровна, преподаватель общих гуманитарных и специальных дисциплин высшей квалификационной категории.

Компьютерная графика:

• Михайлов Алексей Владимирович, студент ПРК им. А.С.Попова, 3-й курс.

Содержание

• Овчинников Владимир Валентинович, к.т.н, доцент, заведующий учебным отделом НОУ высшего профессионального образования Уральский гуманитарный институт. 2

Редактор: 2

• Власова Инна Александровна, преподаватель общих гуманитарных и специальных дисциплин высшей квалификационной категории. 2

Компьютерная графика: 2

• Михайлов Алексей Владимирович, студент ПРК им. А.С.Попова, 3-й курс. 2

Содержание 3

Введение 10

В начале 80-х годов были разработаны три плезиохронные (как бы синхронные, задающие генераторы которых работают на близких, но не совпадающих частотах) цифровые иерархии (ПЦИ), в которых за исходный сигнал был принят сигнал, передаваемый со скоростью 64 кбит/с, что соответствует сигналу, передаваемому по каналу тональной частоты (ТЧ), но в цифровой форме. Канал, предназначенный для передачи этого сигнала (DS0, Е0,Т0 – цифровой сигнал нулевого уровня) называется основным цифровым каналом (ОЦК). Схема плезиохронных иерархий показана на рисунке 1. 13

Рисунок 1 – Схема плезиохронных цифровых иерархий 14

Таблица 1 - Уровни и скорости передачи СЦИ 15

1 Частотное разделение каналов 17

1.1 Принцип частотного разделения каналов 17

Рисунок 2 – Структурная схема преобразования исходного сигнала 17

Рисунок 3 – Спектр исходного сигнала до (а) и после (б) преобразования 18

Контрольные вопросы 20

1.2 Построение каналов электросвязи 21

1.2.1 Параметры электрических сигналов 21

21

Рисунок 6 – Спектр интенсивности частот звука «А» 21

Таблица 2 – Частотные значения формант гласных звуков речи 22

D_р = 10lg, дБ. 22

Рисунок 7 – Форма огибающей частотного спектра русской речи 23

1.2.2 Уровни передачи 24

Р_р = 10lg, дБ, где Р_р – уровень передачи по мощности. 24

Р₀ = R = . 24

Нетрудно убедиться, что 24

1.2.3 Организация каналов двухстороннего действия 26

Рисунок 8 – Обобщенная структурная схема магистрали связи 26

Рисунок 9 – Структурная схема двухпроводной двухполосной 27

системы связи 27

Рисунок 10 – Структурная схема четырехпроводной однополосной 27

системы связи 27

Контрольные вопросы 29

2 Временное разделение каналов 31

2.1 Принцип временного разделения каналов 31

Рисунок 12 – Сигнал, дискретный по времени 31

Рисунок 13 – Сигнал, дискретный по амплитуде 32

Рисунок 14 – Сигнал дискретный по времени и амплитуде 33

Рисунок 15 – Упрощенная структурная схема цифровой системы передачи 33

2.1.1 Теорема Котельникова 34

Рисунок 16 – Отклик ФНЧ на короткий прямоугольный импульс 34

Рисунок 17 – Формирование непрерывного сигнала из последовательности 35

импульсов 35

2.1.2 Аналого-цифровое преобразование 35

Рисунок 18 – Структурная схема аналого-цифрового преобразования сигнала 36

Рисунок 19 – Временные диаграммы получения цифрового сигнала 36

Рисунок 20 – Временные диаграммы формирования группового сигнала 37

в системах с ВРК 37

Рисунок 21 – Упрощенная структурная схема передачи с ВРК 38

Контрольные вопросы 39

2.2 Принцип передачи аналоговых сигналов по каналам СП с ВРК 40

2.2.1 Дискретизация сигналов во времени 40

Рисунок 25 – Схема преобразователя АИМ-1 в АИМ-2 43

2.2.2 Другие виды модуляции, используемые в системах связи с ВРК 44

Контрольные вопросы 46

3 Цифровые виды модуляции в СП с ВРК 47

3.1 Принцип импульсно-кодовой модуляции в цифровых системах передачи с ВРК ИКМ-ВД 47

3.1.1 Импульсно-кодовая модуляция 47

3.1.2 Равномерное квантование 48

Рисунок 29 – Равномерное квантование: а – амплитудная характеристика 49

3.1.3 Неравномерное квантование 50

Рисунок 30 - Неравномерное квантование: а – амплитудная характеристика 51

Рисунок 31 – Использование компандерных устройств для неравномерного квантования: а – амплитудные характеристики компандера; б - групповой сигнал на выходе компрессора 52

Рисунок 32 – Структурная схема включения компандера 53

3.1.4 Кодирование 53

N_кв = , 53

Например: N = 1·2⁴ = 16; N = 1·2³ = 8; N = 0·2² = 0; N = 1·2¹ = 2. 53

Рисунок 33 – Кодовые таблицы натурального (а), симметричного (б,в) и рефлексного (г) двоичных кодов 54

3.2.1 Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция 58

Рисунок 34 – Структурная схема цифровой разностной системы 58

3.2.2 Принцип дельта-модуляции в ЦСП 60

Рисунок 35 – Структурная схема канала с дельта-модуляцией 60

Рисунок 36 – Сигналы в цепи предсказания дельта-модулятора: 61

Рисунок 37 – Принцип дельта-модуляции 61

Рисунок 38 – Дельта-модуляция при разной крутизне входного сигнала 63

Рисунок 39 – Накопление ошибок при использовании в дельта-модуляторе 63

Вывод: 64

Контрольные вопросы: 64

3.3 Кодирующие и декодирующие устройства 66

3.3.1 Кодирующие устройства с линейной шкалой квантования 66

Рисунок 40 Структурная схема линейного кодера 66

последовательного счета 66

Рисунок 41 – График поясняющий работу линейного кодера последовательного счета 67

Рисунок 42 – Структурная схема кодера взвешивающего типа параллельного действия 68

Рисунок 43 – Структурная схема кодера последовательного действия 69

U_с ≈ . 70

3.3.2 Кодирующие устройства с нелинейной шкалой квантования 71

Рисунок 45 – Схема построения кодера с нелинейным 71

Рисунок 47 – Построение кодера с использованием нелинейного 72

Рисунок 48 – Варианты построения нелинейных кодеров 73

3.3.3 Декодирующие устройства 73

Рисунок 50 – Структурная схема схема построения декодера параллельного кода 74

Рисунок 51 – Функциональная схема построения декодера 74

U_вых = . 74

4 Принцип построения ГО и организация синхронизации в ЦСП 76

4.1 Формирование управляющих сигналов в генераторном оборудовании 76

4.1.1 Основные принципы построения ГО в ЦСП 76

Рисунок 52 – Обобщенная схема генераторного оборудования в ЦСП 76

Рисунок 53 – Формирование разрядных и канальных импульсов ГО 77

4.1.2 Реализация взаимодействия отдельных блоков ГО в первичной и вторичной ЦСП 78

Рисунок 54 – Варианты построения распределителей импульсов 78

78

Рисунок 55 – Структура подциклов выходного цифрового потока 79

Рисунок 56 – Схема формирования вторичного цифрового сигнала 80

Вывод: 82

Генераторное оборудование передающей и приемной станции ЦСП могут работать в ведущем (ГО_прд) и ведомом (ГО_прм). В соответствии с иерархией ЦСП различают ГО первичных, вторичных и ЦСП более высоких уровней. Задача ГО формировать последовательность импульсов для передачи информационных сигналов, сигналов синхронизации и сигналов управления и взаимодействия с АТС. 82

Обобщенная структурная схема поясняет работу ГО ЦСП. При построении высокоскоростных ЦСП (вторичной, третичной и т.д.) структура цикла передачи будет отличаться от первичной системой передачи синхросигналов и команд согласования скоростей цифровых потоков, служебной связи и т.д. 82

Контрольные вопросы: 82

4.2 Тактовая синхронизация управляющих устройств 83

4.2.1 Виды синхронизации и требования, предъявляемые к устройствам синхронизации 83

4.2.2 Параметры и формирование синхросигналов ЦСП 85

Рисунок 58 – Структурная схема формирователя сосредоточенной 86

синхрогруппы. 86

Рисунок 59 – Временные диаграммы, поясняющие работу 87

формирователя СС. 87

Выводы: 88

Для правильной обработки сигналов необходимо, чтобы ГО_прм работало синхронно с ГО_прд. Различают синхронизацию по тактам, по кодовым комбинациям, причем для передачи всех сигналов канальной синхронизации необходимо несколько циклов передачи. Для выделения заданного сигнала канальной сигнализации необходимо обеспечить сверхцикловую синхронизацию. В ЦСП более высоких порядков необходимо знать порядок чередования групп символов, принадлежащих разным ЦСП. Для этого следует обеспечить системную синхронизацию. 88

Обеспечение всех видов синхронизации ГО_прм вводят специальные устройства синхронизации: тактовой, цикловой, сверхцикловой и т.д. синхронизации. Каждый вариант систем синхронизации оценивается коэффициентом эффективности синхронизации. 88

Контрольные вопросы. 88

1. Что такое синхронизация генераторного оборудования приема? 88

2. Назовите виды синхронизации обеспечивающих процесс установления и поддержания фазовых соотношений передаваемых и принимаемых цифровых сигналов. 88

3. Перечислите требования, предъявляемые к устройствам синхронизации в ЦСП. 88

4. Поясните физический смысл коэффициента эффективности синхронизации κ_эф.с = . 88

5. Поясните работу структурной схемы формирования кодовой комбинации синхросигнала. 88

4.3 Приемники синхросигнала ЦС и СЦС управляющих 89

4.3.1 Классификация и принцип обнаружения СС на приеме 89

Рисунок 60 – Структурная схема обнаружителя СС 90

Рисунок 61 – График, поясняющий работу обнаружителя 90

Рисунок 62 – Схема анализатора совпадений 90

Рисунок 63 – Структурная схема решающего устройства 91

Рисунок 64 – Диаграммы, поясняющие работу решающего устройства 92

4.3.2 Принципы построения приемных устройств СС 92

Работу схемы рассмотрим в двух режимах. Первый – режим синхронизма (рисунок 66). 93

93

Рисунок 66 – Диаграммы, поясняющие работу приемника СС в режиме 93

синхронизма 93

В момент появления истинной синхрогруппы (а) с обнаружителя 2 на анализатор 3 поступает импульс, свидетельствующий о наличии синхросигнала (б). Одновременно с выделенным СС на анализатор поступает и СС от ГО_пр (в), формируемый с помощью РИ-К (6), РИ-Р (5) и схемы И₁ (7), (см. рисунок 65). По выходу «да» анализатора в этом случае вырабатывается импульс подтверждения (г), на выходе «нет» сигнал отсутствует (д), схема запрета (4) не изменяет режим прохождения импульсов от задающего генератора или выделителя тактовой частоты ВТЧ (1). 93

В режиме отсутствия синхронизма (рис.56), когда в ИКМ-сигнале (а) позиции выделенной синхрогруппы (б) не совпадают по времени с синхроимпульсом ГО_пр (в), анализатор по выходу «нет» (д) выдает импульс (сигнал о наличии ошибки), и этот импульс пройдет в схему запрета (4) через схему И (2). 94

94

Рисунок 67 – Диаграммы, поясняющие работу приемника СС 94

в режиме отсутствия синхронизма 94

Схема запрета в этом случае приостановит (запретит) прохождение одного импульса от ВТЧ (1), и работа распределителей импульсов начинается с задержкой на тактовый интервал, т.е. следующий импульс синхронизации ГО_пр появится через время t = nNT_т + T_т = T_ц + T_т, 94

где n – число разрядов в кодовой комбинации; 94

N – число канальных интервалов в цикле передачи. 94

Максимальное число шагов поиска в этом случае составит (nN – 1), а время вхождения в синхронизм – соответственно t_вх.с.max = T_ц(nN – 1). 94

При использовании приемника СС с задержкой контроля и одноразрядным сдвигов в системе типа ИКМ-30 (п = 8; N = 32) время вхождения в синхронизм составит t_вх.с ≤ 125·10^-6 · (256 – 1) ≈ 30 мс, что по ранее указанным причинам неприемлемо. Следовательно, такого рода приемники СС целесообразно строить только для малоканальных систем. 94

Приемник синхросигнала со скользящим поиском. Схема его представлена на рисунке 68. 94

95

Рисунок 68 – Структурная схема приемника синхросигнала 95

со скользящим поиском 95

По сравнению с приемником, показанным на рисунке 65, изменения в данной схеме вызваны стремлением уменьшить время поиска синхронизма (вхождение в синхронизм t_вх.с), при этом работа в режиме установившейся синхронизации ни чем не отличается от предыдущего варианта. Как только произошел сбой синхронизации, на выходе РУ (8) появляется сигнал сбоя, который поступает на схему И₂ (4) и дает ей разрешение на прохождение импульсов от ВТЧ (1). Одновременно этот сигнал принудительно устанавливает РИ-Р (5) и РИ-К (6) в одно заранее известное положение (например, все выходы в положение «0»). Со схемы И₁ (7) на схему ИЛИ (9) поступает «0». Схема И₂ (4) пропускает лишь импульсы тактовой частоты (с ВТЧ), которыми производится проверка состояния анализатора на всех позициях приходящего ИКМ-сигнала с каждым тактовым импульсом, т.е. гораздо быстрее, чем в случае приемника СС с задержкой контроля. Как только один из импульсов от ВТЧ совпадет с СС входного сигнала, анализатор (3) сигналом «да» сбросит РУ (8), запустится ГО_пр, закроется схема И₂ (4), вследствие чего на анализатор (3) будут проходить импульсы только с ГО_пр, т.е. с выхода И₁. Время вхождения в синхронизм в этом случае составит: t_вх.с ≤ T_ц = 125мкс. 95

В реальных условиях «захват» синхронизма может произойти с ложной синхрогруппой, т.е. раньше, чем придет истинный синхросигнал. Тогда генераторное оборудование проработает некоторое время, пока в РУ не накопится d ошибок, а затем снова начнется режим поиска. В этом случае максимальной t_вх.с составит t_вх.с.max = (d + 1)T_ц. Среднестатистическое значение t_вх.с принято считать равным порядка (1 ÷ 2) T_ц. Такая величина вполне удовлетворяет современным системам передачи, поэтому приемники синхросигнала со скользящим поиском получили наибольшее распространение. 95

Вывод: 96

Прием и обработка синхросигналов осуществляется приемниками синхросигнала (ПСС) для установления синхронизма после включения системы передачи, при сбое в работе, контроля за синхронной работой управляющих устройств и обнаружение сбоев. Для этого необходим поиск синхрогруппы на приемной стороне. 96

ПСС классифицируются по алгоритму поиска состояния синхронизма, по числу тактов разрядов сдвига синхрогруппы и по типу принимаемой синхрогруппы. Для всех вариантов построения ПСС имеются общие основные устройства: обнаружители в цифровом случайном потоке группы символов, совпадающей со структурой СС, анализаторы и решающие устройства. Задача этих устройств состоит в обнаружении, проверке совпадения синхроимпульсов ГО_прд с ГО_прм и выработки решения о наличии или отсутствия сбоя синхронизма. 96

Рассмотрены варианты построения ПСС. По времени вхождения в синхронизм t_вх.с при минимальном количестве ошибок при «захвате» ложных синхрогрупп в современных цифровых системах передачи вполне удовлетворяет схема приемника синхросигнала со скользящим поиском (t_вх.с ≤ Т_ц = 125 мкс). 97

Контрольные вопросы: 97

1. Назовите классификацию приемников синхросигналов. 97

2. Поясните работу обнаружителя синхросигнала по структурной схеме. 97

3. Поясните принцип проверки совпадения синхроимпульса анализатором. 97

4. Покажите по структурной схеме анализатора принцип появления на его выходе импульса «да» или «нет». 97

5. Сформулируйте назначение решающего устройства ПСС и его задачи в случае сбоя синхронизма. 97

6. Поясните работу решающего устройства по структурной схеме. 97

7. Поясните работу ПСС с задержкой контроля и одноразрядным сдвигом в режимах синхронизма и его отсутствия. 97

8. Поясните работу ПСС со скользящим поиском по структурной схеме. Сделайте выводы по достоинствам ПСС. 97

Список литературы 97

1 Баева Н.Н. Многоканальная электросвязь и РРЛ: Учебник для ВУЗов. – М.: Радио и связь, 1988. 97

2 Беллами Дж. Цифровая телефония: Пер. с англ./Под ред. А.Н.Берлина, Ю.Н.Чернышева. – М.: Эко-Трендз,2004. 97

3 Венедиктов М.Д., Женевский Ю.П., Марков В.А. Дельта-модуляция. Теория и применение. – М.: Связь, 1976. 97

4 Гитлиц М.В., Лев А.Ю. Теоритические основы многоканальной связи. – М.: Радио и связь, 1985. 97

5 Гордиенко В.Н., Тверецкий М.С. Многоканальные телекоммуникационные системы. – М.: «Горячая линия-Телеком», 2005. 97

6 Голубев А.Н., Иванов Ю.П., Левин Л.С. и др. Аппаратура ИКМ-30. – М.: Радио и связь,1982. 98

7 Гуревич В.Э., Лопушнян Ю.Г., Рабинович Г.В. Импульсно-кодовая модуляция в многоканальной телефонной связи. – М.: Связь, 1973. 98

8 Евсеенко Г.Н. Цифровые системы передачи: Учебное пособие. – Ростов-на Дону: РКСИ, 2005. 98

9 Зингеренко А.М., Баева Н.Н., Тверецкий М.С. Системы многоканальной связи. – М.: Связь, 1980. 98

10 Кириллов В.И. Многоканальные системы передачи. – М.: ООО «Новое знание», 2000. 98

11 Левин Л.П., Плоткин М.А. Цифровые системы передачи. – М.: Радио и связь, 1982. 98

12 Скалин Ю.В., Бернштейн А.Г., Финкевич А.Д. Цифровые системы передачи: Учебник для электротехникумов связи. – М.: Радио и связь, 1988. 98

13 Соколов Н.А. Телекоммуникационные сети. Монография в 4-х главах. Часть 3 (глава 3). – М.: Альварес Паблишинг, 2004. 98

14 Соколов Н.А. Телекоммуникационные сети. Монография в 4-х главах. Часть4 (глава 4). – М.: Альварес Паблишинг, 2004. 98

98