Важнейшими техническими характеристиками оборудования линейного тракта (олт) цсп являются параметры стыковых и групповых линейных сигналов.
Номенклатура линейных сигналов ЦСП существенно шире, чем стыковых. Как правило, выбор типа линейного сигнала не связан с конкретными рекомендациями МСЭ-Т. Основным нормативным документом являются технические требования на линейный тракт, утверждённые в соответствующем порядке, которые, в свою очередь, определяются техническими характеристиками линейного тракта, в том числе:
скоростью передачи,
требуемой величиной коэффициента ошибок,
протяжённостью регенерационного участка,
уровнями и характером помех,
электромагнитной совместимостью.
К основным требованиям, предъявляемым к линейным сигналам ЦСП, относятся:
возможность передачи информационной последовательности любого вида, включая последовательности, состоящие из одних нулей или единиц;
возможность выделения из линейного сигнала хронирующей последовательности для организации тактовой синхронизации аппаратуры линейного тракта;
возможность организации непрерывного контроля качества передачи;
эффективное использование полосы частот спектра информационного сигнала.
Важным фактором, определяющим выбор линейного сигнала, является осуществление эффективного использования мощности выходных усилителей линейного оборудования.
Как уже отмечалось выше, в большинстве первичных и в ряде ЦСП высших ступеней плезиохронной иерархии, работающих по металлическим кабелям, используется линейный сигнал МЧПИ (HDB3), однако имеет смысл рассмотреть весь ряд линейных сигналов, находящих применение на существующих сетях.
Собственно бинарные сигналы, получившие название сигналов с возвращением к нулю (RZ) (см. рис. 4.3б), формируются из исходного бинарного сигнала (рис. 4.3а) путём образования токовых посылок с длительностью, равной 0,5 тактового интервала, разделяемых защитными интервалами, также имеющими длительность, равную 0,5 тактового интервала. Сигналы без возвращения к нулю (NRZ) (см. рис. 4.3в) формируются путём образования единичных посылок с длительностью, равной длительности тактового интервала .
На сетях связи РФ и стран СНГ широко используются так называемые субпервичные ЦСП, параметры стыковых и линейных сигналов которых не соответствуют рекомендациям МСЭ-Т G.702 и G.703. Одной из самых массовых субпервичных ЦСП является система передачи ИКМ-15, предназначенная для эксплуатации на СТС и ведомственных сетях. В ЦСП ИКМ-15 в качестве стыкового и линейного группового сигналов используется относительный моноимпульсный сигнал (ОМС). ОМС (см. рис. 4.3г) относится к разряду двоичных сигналов без возвращения к нулю (NRZ). Алгоритм формирования ОМС заключается в изменении позиции сигнала в случае появления «1» исходного бинарного сигнала.«0» не вызывает изменения. Преобразование исходного бинарного сигнала в ОМС реализуется триггером со счётным входом управления. Простота схемотехнической реализации формирователя и решающего устройства регенератора ОМС является его несомненным достоинством. Длительность единичной посылки ОМС равна тактовому интервалу, что обеспечивает определённый выигрыш в энергии сигнала, и, следовательно, в помехозащищённости тракта. Однако энергетический спектр ОМС содержит постоянную составляющую. (Рис. 4.4). Поэтому при построении принципиальных схем регенераторов приходится усложнять схемы усилителей или использовать специальные узлы преобразования формы сигнала. По этой причине ОМС не получил широкого распространения в технике передачи цифровых сигналов.
Биполярные двоичные сигналы используются, в основном, при формировании электрических стыков ВОСП и РРС.
Следует также отметить, что термин «прямоугольные импульсы», часто используемый в технической литературе, в действительности является весьма условным. Основным критерием правильности формы импульсов цифрового сигнала следует считать их соответствие маскам импульсов, данных в рекомендации МСЭ-Т G.703 и Гост 26886-86.
Наряду с HDB-3, ряд ЦСП (например, модификации ИКМ-480) используют: ИКМ-480С – сигнал 5В6В, а ИКМ-480х2 – сигнал 4В3Т. Последние относятся к классу сигналов, при формировании которых использовались алфавитные коды. Бинарный сигнал 5В6В формируется путём образования 6-символьного кодового слова (6В) из 5-символьной комбинации бит исходного бинарного сигнала (5В). Скорость передачи при этом возрастает на 20%. Вместе с тем, при регенерации такого сигнала используется так называемый дуобинарный приём, позволяющий увеличить помехозащищённость. Кроме того, избыточность этого сигнала позволяет организовать контроль параметров передачи. Однако использование этого сигнала связано с необходимостью значительного усложнения схемы регенератора. Сигнал 4В3Т относится к классу квазитроичных сигналов, причём трёхсимвольная комбинация квазитроичного линейного сигнала (3Т) формируется из 4-х бит исходного бинарного сигнала (4В). В этом случае скорость передачи уменьшается на 25%, что позволяет сдвинуть спектр сигнала в область более низких частот и, соответственно, несколько уменьшить затухание и увеличить длину регенерационного участка.
Всё же на сегодняшний день наиболее распространёнными являются стыковые и линейные квазитроичные сигналы HDB-3 и AMI.
Исходный бинарный сигнал
1 1 1 |
|
11 |
1 |
00 |
00 |
00 |
00 |
00 |
1 1 |
1 1 |
00 |
11 |
00 |
1 1 |
00 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) RZ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в) NRZ
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г) ОМС
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
д) +2
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+1 2B1Q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-1
|
|
-2
Рис. 4.3: Сигналы RZ(б), NRZ,(в), (ОМС)(г), 2B1Q(д).
Р
1
0 0,5 fT fT 2 fT f
2B1Q
RZ
(NRZ)
Рис. 4.4: Энергетические спектры сигналов RZ (NRZ), 2B1Q.
Наиболее эффективное использование принципа сдвига энергетического спектра сигнала в низкочастотную область реализуется при переходе к формированию многоуровневых сигналов. Квазитроичные сигналы AMI и HDB3 формально также можно отнести к многоуровневым сигналам, однако эти сигналы занимают ту же полосу частот, что и исходный бинарный сигнал, только благодаря фазовой манипуляции в их спектре отсутствует постоянная составляющая. Такие сигналы можно обозначить, как 1В1Т, то есть каждому символу исходного бинарного сигнала соответствует один символ квазитроичного сигнала.
Первым шагом к совершенствованию цифровых линейных трактов на основе медных кабелей явилось использование одного из простейших многоуровневых сигналов 2B1Q. Алгоритм 2B1Q предусматривает формирование 4-уровневого сигнала, каждая из позиций которого (1Q) соответствует определённой 2-символьной комбинации исходного бинарного сигнала (2В). Комбинации 00 соответствует уровень «-2», 01 – «-1», 10 – «+1», 11 – «+2». (Рис. 4.3г). В этом случае скорость передачи уменьшается в 2 раза, а затухание линии в полосе частот группового сигнала – в 1,41 раза.
Факторы, влияющие на качество передачи цифровых сигналов.
При всём многообразии источников информации и методов её передачи, в процессе прохождения по линиям связи цифровые сигналы ослабляются, искажаются и подвергаются воздействию помех. Это в равной степени относится к линиям, построенным на базе металлических кабелей, ВОЛС, радиоканалам различных типов. Поэтому одним из самых важных аспектов построения ЦСП является восстановление (регенерация) в точках приёма амплитуды, формы и фазовых соотношений цифровых сигналов. Сказанное в равной мере относится как к линейным, так и к стыковым сигналам. Естественно, что каждая из используемых сред передачи имеет свою специфику, однако основные принципы восстановления цифровых сигналов можно считать общими для всех типов соединительных линий. К основным факторам, влияющим на качество связи, в первую очередь можно отнести следующие характеристики среды (или линии) передачи:
затухание, вносимое линией передачи в полосе частот группового сигнала (частотная характеристика среды передачи);
характеристики однородности среды передачи;
помехи, действующие на участке переприёма и поступающие на вход аппаратуры вместе с информационным сигналом.
С другой стороны, также очень важно выбрать оптимальные параметры сигналов, передаваемых по линиям. В первую очередь, к ним относятся уровень сигнала и характер его частотного спектра.
Основной задачей приёмника сигнала является обеспечение эффективного выделения информационного сигнала, принимаемого на выходе линии в составе смеси сигнала и помехи. При передаче цифрового сигнала необходимо распознавать только две его позиции («1» или «0»). В этом случае, как показывает детальный анализ помехозащищённости систем передачи, мы получаем для цифровых систем передачи, осуществляющих аналого-цифровое преобразование исходного речевого сигнала, выигрыш по помехозащищённости по сравнению с АСП, равный 26 дБ. Отсюда можно сделать следующий вывод, что основной задачей построения линии связи является обеспечение максимального превышения уровня сигнала над уровнем шума (помехи). Общепринятым показателем качества линии является соотношение «сигнал-помеха» N, выраженное в логарифмической форме.
N = log Pсиг / Pпом (4.1)
Другим важным фактором, определяющим качественные показатели системы передачи, является характеристика спектра её сигнала, в первую очередь, ширина занимаемой полосы частот. Спектр сигнала зависит как от принятой в данной системе скорости передачи, так и от способа кодирования, а также от длительности и формы единичной посылки.
Наглядно перечисленные факторы можно представить в виде объёмного объекта V, транспортируемого по линии от передатчика к приёмнику в условиях воздействия шумов и наличия различных препятствий, где по трём осям Декартовых координат будут, соответственно, откладываться соотношение сигнал-помеха N, длительность сигнала Т и спектр сигнала F. (V = N·T·F).
Важнейшим требованием, предъявляемым к цифровым линиям, является соответствие параметров среды передачи характеристикам передаваемых по ней сигналов. В свою очередь, среду передачи можно охарактеризовать в виде подобного же объёмного объекта с компонентами V'= N'· T''· F'. При этом окажется, что если объём сигнала можно «разместить» в объёме канала связи, то передача по этому каналу будет возможна. Важно отметить, что если каждый из компонентов сигнала порознь не будет соответствовать аналогичным параметрам канала передачи, то за счёт трансформации каждого из этих параметров всё же может оказаться возможным организовать передачу сигнала. Для этого приходится выбирать нужную скорость передачи, закон кодирования сигнала и параметры импульсов линейного или стыкового сигнала, передаваемого по данной среде.
В этом плане очень важно правильно выбрать среду передачи информации. Отличительной особенностью отечественных цифровых сетей связи является широкое использование существующих кабельных линий, построенных, в основном, на базе симметричных металлических кабелей.
Все без исключения металлические кабели, предназначенные для работы на местных (ГТС и СТС), внутризоновых и магистральных сетях и большинство кабелей, используемых для внутристанционных соединений аппаратуры связи, разрабатывались применительно к аналоговым системам передачи, то есть для трансляции сравнительно низкочастотных и узкополосных сигналов. Опыт разработки и внедрения в эксплуатацию ЦСП показал, что больше всего проблем возникает при передаче цифровых сигналов по симметричным медным кабелям. Тем более, что такие кабели пока преобладают на указанных сетях.
Выше рассматривались особенности передачи импульсных сигналов по металлическим кабелям связи. В частности, говорилось о том, что любой импульсный сигнал можно представить в виде суммы гармонических колебаний при помощи разложения передаваемой функции в ряды Фурье Характеристики затухания симметричных кабелей отличаются его ростом по мере повышения частоты. Наличие в составе сигнала ряда частотных составляющих с начальными фазами 0º и 90º приводит к значительной деформации формы прямоугольных импульсов в виде увеличения времени нарастания переднего и спада заднего фронтов. При передаче по кабелю происходит попадание переднего и заднего фронтов импульсов в соседние тактовые интервалы. Подобные искажения носят название межсимвольных помех и существенно влияют на качество передачи. Так, например, в полосе частот до 1024 кГц передний фронт импульса может растянуться на 1,5 – 2 тактовых интервала, а задний фронт – до 5 тактовых интервалов. Для высокоскоростных систем такие деформации импульсов могут оказаться ещё более значительными. Когда деформированные таким образом импульсы взаимодействуют с другими импульсами передаваемой последовательности, и при этом на неё накладываются собственные шумы линии и аппаратуры и всевозможные внешние электромагнитные помехи. Затухание импульсного сигнала на участке переприёма может достигать величины нескольких тысяч раз.
В этих условиях простое усиление сигнала с целью его ретрансляции делается невозможным. Задача восстановления и ретрансляции сигнала решается при помощи регенераторов. Принцип действия и схемотехнические решения регенераторов цифровых сигналов подробно рассматриваются в следующих разделах данной главы.
Как уже отмечалось выше, важным фактором, определяющим качество передачи, являются переходные влияния в симметричных кабелях.
Известно, что на ГТС и СТС широко используется однокабельная схема построения линии, при которой входящий и исходящий сигналы передаются по парам одного кабеля. В этом случае переходные влияния на ближнем конце являются основным фактором, определяющим качество передачи. Следует помнить, что величина переходного затухания между парами внутри четвёрки составит 6 дБ на декаду, а между четвёрками в многочетвёрочном кабеле составит около 12 дБ на декаду.
Более выгодной с точки зрения обеспечения помехозащищённости является двухкабельная схема, в которой качество передачи в основном определяется переходными влияниями на дальнем конце. Выигрыш по помехозащищённости в двухкабельной схеме по сравнению с однокабельной может быть порядка 10 дБ.
Ещё одним фактором, определяющим качество передачи, является уровень помех, наводимых в парах кабеля какими-либо внешними источниками (грозовые разряды, наводки от линий электропередачи, электрифицированных железных дорог, промышленного силового оборудования, радиопередатчиков и т.п.). Внешние помехи являются основной причиной падения качества передачи в радиоканалах, однако, их влияние необходимо учитывать и при проектировании и обслуживании кабельных линий.
Коаксиальные кабели имеют значительную величину экранного затухания и, если экран кабеля не повреждён, практически не подвержены воздействию переходных и внешних помех. Для линий, построенных коаксиальными кабелями, определяющим фактором является тепловой шум, влияние которого можно не учитывать при анализе работы линий других типов.
Условно можно разделить комплекс факторов, воздействующих на сигнал при его распространении по линии связи и, тем самым, влияющих на качество передачи, на две категории.
Внутренние факторы:
искажения, вносимые средой передачи;
межсимвольные помехи;
нестабильность тактовой частоты системы,
сбои тактовой синхронизации;
нестабильность параметров комплектующих изделий и, как следствие, увеличение шумов, вызванное их старением;
искажения частотной характеристики корректирующего усилителя регенератора;
колебания напряжения питания;
джиттер (флюктуации фазы цифрового сигнала) и накопление джиттера при ретрансляции сигнала;
2. Внешние факторы:
переходные помехи, влияющие на пары кабеля;
внешние электромагнитные влияния, в том числе воздействие грозовых разрядов;
колебания температуры и другие климатические факторы;
механические повреждения при вибрации или ударах;
деградация характеристик среды передачи (например, старение и замокание кабелей и т.п.);
обрыв линии связи или пропадание электропитания, приводящие к полному прекращению прохождения сигнала.
Указанные факторы вызывают ухудшение отношения сигнал-помеха. Даже незначительное изменение этого соотношения может резко ухудшить качество передачи вплоть до создания аварийной ситуации.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что степень искажения и ослабления сигнала зависит как от выбранной полосы частот, определяемой скоростью передачи и способом кодирования исходного бинарного сигнала, так и от величины затухания участка переприёма, иначе называемого регенерационным участком или элементарным кабельным участком (ЭКУ).
Регенерация цифрового сигнала.
Согласно общепринятому мнению, основным преимуществом цифровых систем передачи является независимость качества передачи от длины линии. На самом деле, протяжённость цифровой линии, в конечном счёте, всё же ограничивается постепенным накоплением ошибок в передаваемом сигнале. Но, тем не менее, предельная протяжённость цифровых линий и трактов несравненно выше, чем у аналоговых линий, имеющих сравнимую с ними пропускную способность. Указанное преимущество реализуется благодаря тому, что на каждом этапе переприёма (ретрансляции) цифрового сигнала представляется возможным помимо его усиления до нормированной величины обеспечить восстановление его формы и временных соотношений. Этот процесс получил название регенерации, а устройства, его реализующие, принято называть регенераторами. (Иногда в литературе встречается не совсем удачный термин «репитеры»). Как правило, регенератор обеспечивает также ряд дополнительных функций, таких как контроль качества передачи, электропитание, служебная связь, аварийная сигнализация.
Мы уже говорили о том, что передача сигнала по линии связи, состоящей из ряда участков переприёма, неизбежно связана с накоплением шума по мере увеличения числа усилителей. Ограничение длины аналоговых линий в первую очередь связано именно с этим аспектом процесса передачи, так как простое усиление сигнала в заданной полосе частот будет сопровождаться соответствующим усилением помех, лежащих в этой же полосе, пока их уровень не достигнет величины, соизмеримой с уровнем сигнала. Передача цифрового сигнала может быть построена не на принципе простого его усиления и дальнейшей ретрансляции, а на принципе регенерации сигнала в точках переприёма. Под процессом регенерации принято понимать последовательность операций по распознаванию или обнаружению сигнала, поступающего на фоне помехи с выхода участка линии связи на вход приёмного устройства и восстановления всех его основных параметров. Восстанавливаются амплитуда, форма, интервалы времени и положение отдельных единичных посылок в импульсной последовательности в пределах установленных норм и допусков. Затем осуществляется дальнейшая передача сигнала в линию или на оконечное оборудование. Регенерация позволяет как бы «очистить» сигнал от помех на каждом этапе переприёма и реализовать одно из основных преимуществ цифровой передачи – высокую помехозащищённость. Следует учитывать, что если всё-таки в процессе приёма-передачи сигнала на линии возникает ошибка, то она будет проходить через все регенерационные участки вплоть до оконечного оборудования.
Джиттер, или фазовое дрожание цифрового сигнала, это, по сути дела, модуляция фазы сигнала, вызываемая целым рядом факторов. Количественная оценка джиттера ведётся по двум основным параметрам: амплитуде и частоте, то есть по величине отклонения положения фронтов каждого импульса от среднего значения и частоте, с которой это отклонение происходит. Другой формой определения джиттера может быть дифференциальное значение отклонения частоты следования импульсов от номинального значения. Амплитуда джиттера измеряется как в абсолютных величинах, так и в относительных, то есть в долях тактового интервала цифрового сигнала. Очень медленные изменения фазы принято называть вандером. Причинами возникновения джиттера могут быть нестабильность частоты опорных генераторов канало- и группообразующего оборудования, флюктуации частоты узлов тактовой синхронизации регенераторов, использующих фазовую автоподстройку частоты ФАПЧ (об этом более подробно будет сказано ниже), работа схем выравнивания скоростей (стаффинга) группообразующего оборудования, так же использующих ФАПЧ.
Допустимые значения джиттера для систем передачи PDH и SDH нормируются Рекомендациями МСЭ-Т G.823, G.825, G.783 и ГОСТ 26886-86. Нормы на джиттер соотносятся со скоростью передачи цифрового сигнала, то есть со ступенями иерархии ЦСП. Накопление джиттера может, при определённых условиях, привести к появлению ошибок в процессе регенерации сигнала. Вандер может приводить к переполнению буферных устройств приёмников сигнала и, в конечном счёте, к появлению проскальзывания, то есть повторению или, наоборот, исключению группы символов. Проскальзывания, в свою очередь, являются одной из причин нарушения работы цикловой синхронизации.
Высокочастотный джиттер, как правило, до определённой степени подавляется в процессе регенерации. Низкочастотный джиттер, наоборот, имеет тенденцию к накоплению по мере передачи по линии, и, в конечном счёте, подавляется только в оконечном оборудовании.
Регенераторы являются самыми массовыми устройствами ЦСП. В зависимости от занимаемого места они получили названия стыковых, обеспечивающих цифровые интерфейсы всех ступеней иерархии, линейных, обеспечивающих ретрансляцию сигнала при его передаче по линии, и оконечных, функциями которых являются восстановление сигнала на окончаниях линии и работа сервисных подсистем. Так, например, все мультиплексоры-демультиплексоры соединяются с другими функциональными узлами ЦСП при помощи регенераторов различной степени сложности.
Несмотря на многообразие назначений, и мест, занимаемых в аппаратурном комплексе систем передачи, структурные схемы регенераторов сводятся к нескольким типовым вариантам. Наиболее распространённым вариантом функциональной схемы, используемой как в линейных, так и в оконечных и стыковых регенераторах, является схема, получившая название регенератора с самохронированием и выделением интервалов времени из информационного сигнала.
Структурная схема регенератора показана на рис. 4.5. В дальнейшем мы будем рассматривать процесс регенерации и работу схемы регенератора применительно к самым распространённым квазитроичным цифровым сигналам. Сразу надо сказать, что в качестве линейных сигналов в гораздо большей степени используются многоуровневые сигналы, о которых подробно говорилось выше. Вместе с тем, излагаемые далее принципы регенерации остаются одними и теми же, как для трёхуровневых, так и для многоуровневых сигналов, различие только в конкретных схемотехнических решениях. Конечно, существуют и более сложные методы и схемы, но мы в рамках данной книги рассматриваем один из самых простых и самых распространённых вариантов построения регенератора.
Функциональные узлы регенератора условно делятся на аналоговую (УВЛЗ, РКУ, УТС) и цифровую (УР, Ф, УсВых) части. Такое деление отражает функции перечисленных узлов: усиление и фильтрацию в РКУ и УТС и выделение сигнала на фоне помехи и его последующее формирование в соответствии с заданным алгоритмом в УР, Ф и УсВых. Вместе с тем, деление по указанному принципу нельзя считать абсолютным, так как, например, в состав УТС входят как аналоговые, так и цифровые функциональные элементы.
А В
УВЛЗ
РКУ
УР
Ф
УсВ
В
ход
сигнала Б
Выход сигнала
УТС