Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые системы передачи. Учебное пособие для СПО
.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
_________________________________________________________________
Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ)
В.И. Носов
ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
Учебное пособие для СПО
Саратов
Профобразование
2024
УДК 621.396
ББК 32.884.1
Н84
Рецензенты:
Спектор А.А. — д-р техн. наук, проф.;
Фалько А.И. — д-р техн. наук, проф.
Носов, Владимир Иванович.
Н84
Цифровые системы передачи : учебное пособие для СПО / В.И. Носов ;
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информа-
тики. — Саратов : Профобразование, 2024. — 127 с. — (Среднее профессиональное образование). — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4488-1707-6
В учебном пособии рассмотрены основы построения цифровых систем
передачи, в том числе систем передачи синхронной цифровой иерархии.
Приведены принципы преобразования аналоговых сигналов в цифровую
форму, регенерации цифровых сигналов. Описана синхронизация сигналов,
кодирование сигналов в соединительных линиях, транспортная система,
информационная структура, схемы преобразований, применение систем
СЦИ.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по
укрупненной группе специальностей среднего профессионального
образования «Информационная безопасность», изучающих дисциплину
«Сети и системы передачи информации».
Учебное электронное издание
Обложка Я.А. Кирсанов, С.С. Сизиумова,
фотобанк Freepik
ISBN 978-5-4488-1707-6 © Носов В.И., 2022
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2022
© Оформление. ООО «Профобразование», 2024
3
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………….……….
4
1. Основы построения цифровых систем передачи …………………..
5
1.1. Сравнение аналоговых и цифровых систем передачи………….…
5
1.2. Преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму ….…..
7
1.2.1. Дискретизация и квантование сигнала …………………….…..
7
1.2.2. Кодирование и декодирование сигнала…………………...….
15
1.3. Структурная схема оконечного оборудования
цифровых систем передачи ……………………………………………...
26
1.3.1. Передача сигналов звукового вещания с использованием
аппаратуры ИКМ–30………………………………………………………
31
1.4. Принципы синхронизации в цифровых системах передачи …..…
34
1.5. Генераторное оборудование цифровой системы передачи …….
42
1.6. Сигналы и коды в линейных трактах…………………..………...
44
1.7. Регенерация цифровых сигналов ………………………...………
50
1.8. Объединение цифровых потоков ………………………..…………
54
1.8.1. Принципы объединения и разделения цифровых потоков …...
56
1.9. Системы передачи ПЦИ….…………………....................................
62
1.9.1. Временные диаграммы вторичного цифрового потока Е2…...
64
Контрольные вопросы…………………………………………………...
66
2. Основы построения цифровых систем передачи синхронной
цифровой иерархии……………………………………………………….
68
2.1. Недостатки ЦСП ПЦИ.…………………………..………………….
68
2.2. Синхронные иерархии SONET/SDH………….................................
70
2.2.1. Информационная сеть……………………………………………
71
2.2.2. Система обслуживания………………………………………...
73
2.3. Информационные структуры и схема преобразований.…..………
73
2.3.1. Информационные структуры………………………………….
73
2.3.2. Схема преобразований в СЦИ………………………………...
79
2.3.3. Загрузка STM-1 потоками 2,048 Мбит/с……………………...
82
2.3.4. Загрузка STM-1 потоками Е3…..……………………………...
116
2.3.5. Загрузка STM-1 потоками Е4……..…………………………...
119
2.3.6. Загрузка STM-1 потоками 2,048 Мбит/с через AU-3…………..
120
2.3.7. Загрузка STM-RR потоками 2,048 Мбит/с…………………….
122
Контрольные вопросы……..…………………………………………….
123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………
125
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………….
126
4
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по спе-
циальностям среднего профессионального образования укрупненной группы
«Информационная безопасность».
В современных системах связи преобладает передача аналоговых сигна-
лов в цифровой форме. Такая передача имеет ряд достоинств:
1) простое и эффективное объединение большого числа независимых
сигналов низкоскоростных цифровых потоков;
2) использование пакетной передачи для высокоэффективной коммута-
ции;
3) использование регенерации цифровых сигналов в пунктах ретрансля-
ции устраняет накопление шумов в линии связи, что делает качество работы
цифровых систем передачи слабо зависящем от расстояния;
4) возможность использования избыточного кодирования с целью обна-
ружения и исправления ошибок позволяет получить малый коэффициент ошибок;
5) возможность применения микросхем с большой степенью интеграции,
микропроцессоров, цифровой коммутации делает реализацию цифровых систем
передачи экономически эффективной.
В данном учебном пособии рассматривается построение и обработка сиг-
налов в системах передачи плезиохронной и синхронной цифровых иерархий.
5
1. Основы построения цифровых систем передачи
1.1. Сравнение аналоговых и цифровых систем передачи
К преимуществам цифровых систем передачи относительно аналоговых
относятся:
– проще осуществляется объединение и разделение цифровых потоков;
– с меньшими затратами организуется сигнализация;
– сохраняется работоспособность даже при малых отношениях сиг-
нал/шум;
– малое число разрешённых уровней сигнала позволяет осуществить ре-
генерацию сигнала.
Большая часть свойств цифровых сетей для передачи речи связана с пре-
имуществами цифровых методов передачи и коммутации по сравнению с их
аналоговыми эквивалентами.
Простота объединения и разделения цифровых потоков. В аналоговых
системах передачи используется частотное разделение каналов (ЧРК), а в цифровых системах передачи (ЦСП) используется временное разделение каналов
(ВРК). Аналоговое оборудование систем с ЧРК получается значительно дороже
оборудования для передачи цифровых сигналов с ВРК. Большую часть стоимости оборудования в ЦСП составляет аналогово-цифровое преобразование
(АЦП). А так как это преобразование осуществляется только в начале и конце
ЦСП, то после того как речевые сигналы представлены в цифровой форме,
стоимость остального оборудования с ВРК получается совсем небольшой..
Организация сигнализации. Управляющая информация (вызов, ответ, отбой, разъединение) является по своей природе цифровой и, поэтому, легко вводится в цифровую систему передачи. Для передачи управляющей информации
в ЦСП может быть организован либо специальный канал управления, либо
формируются специальные управляющие кодовые комбинации, которые передаются по информационному каналу.
ЦСП сохраняют возможность работы при малых значениях отношения
сигнал/шум. Шум и помехи, присутствующие в канале, в аналоговых сетях,
проявляется в наибольшей степени во время пауз в разговоре, когда амплитуда
сигнала мала. Субъективные оценки качества передачи речи позволили установить нормы на отношение сигнал/шум на выходе аналогового канала, которое
не должно быть ниже 45 дБ.
В цифровых же системах передачи во время пауз в разговоре идет передача определенных кодовых комбинаций, причем уровень мощности передаваемых во время пауз сигналов такой же, как и в случае передачи речевой информации. Так как регенерация устраняет практически все шумы, возникающие в
среде передачи, то шум свободного канала определяется лишь процессом кодирования, а не линией передачи. Цифровые системы передачи могут обеспечить
почти безошибочную передачу, когда значения отношения сигнал/шум состав-
6
ляют порядка 5…25 дБ в зависимости от способа кодирования линейного сигнала и используемого вида модуляции.
Регенерация (восстановление) сигнала. Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму заключается в замене непрерывной функции времени
последовательностью двоичных информационных символов. Задача приемника
– решить, какое значение имел переданный символ. Если в процессе передачи к
сигналу добавляется лишь небольшого уровня шум, помеха или искажения, то
двоичная информация, поступающая в приемник, будет идентична этой последовательности на передающем конце. Конечно, если искажения окажутся
настолько большими, что приведут к заметным искажениям сигнала, то возникнут ошибки.
Главным достоинством цифровой системы является то, что вероятность
возникновения ошибки в линейном тракте можно сделать весьма небольшой,
вводя регенераторы в промежуточных точках линий передачи. Если эти точки
разместить достаточно близко, то промежуточные узлы будут выявлять и регенерировать цифровые сигналы прежде, чем искажения, возникающие в самом
канале, достигнут такого уровня, который приведет к ошибкам на приеме. Самая непосредственная выгода, получаемая при использовании процесса регенерации, состоит в возможности локализации результатов воздействия помехи на
сигнал. В противоположность этому в аналоговых системах происходит накопление помех и искажений по мере прохождения сигнала от одного участка к
другому.
Наряду с перечисленными преимуществами цифровых систем передачи,
им свойственны и недостатки:
– увеличение полосы занимаемых частот;
– необходимость осуществления на концах системы передачи аналого-
цифровых и цифро-аналоговых преобразований;
– необходимость осуществления синхронизации во времени цифрового
сигнала и организуемых кадров.
Увеличение полосы занимаемых частот. Расширение полосы частот, занимаемой цифровым сигналом по сравнению с аналоговым, происходит в связи
с тем, что отсчеты аналогового сигнала представляются в виде двоичных кодовых комбинаций, каждый бит которой отображается отдельным импульсом. В
результате при использовании частоты дискретизации 8 кГц и 8-ми разрядной
импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) при цифровой передаче методом ВРКИКМ одного аналогового канала тональной частоты с полосой 3,1 кГц необходима тактовая частота 64 кГц и, следовательно, минимальная полоса 32 кГц.
При этом, цифровая система передачи занимает полосу примерно в 10 раз
большую, чем аналоговая. Уменьшение полосы частот, занимаемой цифровым
сигналом в канале передачи может быть достигнуто при использовании многопозиционной модуляции.
Необходимость осуществления синхронизации во времени цифрового
сигнала и организуемых кадров. Синхронизация определяет моменты времени,
7
когда нужно отсчитывать поступающий сигнал, чтобы решить, какое значение
было передано. Оптимальные моменты взятия отсчета обычно соответствуют
серединам передаваемых импульсов. Таким образом, для оптимального обнаружения сигнала генератор импульсов отсчетов должен быть синхронизирован
с моментами поступления импульсов с линии. Кроме этого, необходимо определить на приеме начало кадра (цикла) передачи многоканального сигнала [1].
1.2. Преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму
1.2.1. Дискретизация непрерывного сигнала
При преобразовании аналогового сигнала uk(t) в цифровой сигнал необходимо сформировать последовательность дискретных моментов времени r(t), в
которые будет производится дискретизация сигнала. Если дискретные отсчеты
аналогового сигнала создаются достаточно часто, то исходный аналоговый сигнал может быть полностью восстановлен из последовательности его дискретных отсчетов с помощью фильтра нижних частот (рисунок 1.1) [1, 3, 4].
Классические результаты для дискретизации аналоговых сигналов были
получены В.А. Котельниковым (1931 г.) и Г. Найквистом (1933 г.), которые
определили минимальное значение частоты дискретизации, необходимое для
извлечения всей информации из непрерывного, меняющегося во времени сигнала. Согласно теореме В.А. Котельникова частота дискретизации FД непрерывного, ограниченного по спектру сигнала, с верхней частотой FВ много
большей нижней частоты FН, должна быть больше удвоенной верхней частоты
2
ДВ
FF
(1.1)
При осуществлении амплитудно импульсной модуляции (рисунок 1.1) в
соответствии со значениями непрерывного сигнала uk(t), изменяется амплитуда
импульсов (отсчётов) r(t) на выходе модулятора. Последовательность немодулированных импульсов r(t) с постоянными амплитудой, длительностью
и
и пе-
риодом повторения Т
Д
может быть записана
( ) exp( ),
и
кД
к
Д
r t C jk t
T
, (1.2)
где
0
sin ( / )
; 1; 2 .
/
иД
к Д Д
иД
kT
C СF
kT
8
Сигнал на выходе амплитудно импульсного модулятора определеяется
произведением сианалогового сигнала uk(t) и сигнала дискретизации r(t)
( ) ( ) ( ).
А И М к
и t и t r t
(1.3)
При известном спектре непрерывного сигнала Su() и спектре импульсов
дискретизации Sr() (1.2) определим спектр АИМ сигнала u
АИМ
(t)
2
2
( ) ( ).
и
А И М к u Д
к
Д
S C S к
Т
(1.4)
При переменной
= 0 из (1.4) получим
2
( ) ( / ) ( ).
А И М и Д и
S T S
АМ
ФНЧ
uk(t)
r(t)
u
АИМ
(t)
uk(t)
t
t
u
(t)
r(t)
U
АИМ
(iTд)
Т
д
Рисунок 1.1 – Реализация АИМ
и
9
Из (1.4) следует, что спектр АИМ сигнала u
АИМ
(iTд) (рисунок 1.1) содер-
жит исходный спектр аналогового модулирующего сигнала и две его боковые
полосы около каждой дискретной составляющей с частотой кратной частоте
дискретизации (рисунок 1.2, в).
Аналоговый сигнал в приёмнике выделяется с помощью фильтра нижних
частот, рассчитанного на подавление частотных составляющих расположенных
выше верхней частоты аналогового сигнала. Как показано на рисунке 1.2,в
фильтр нижних частот должен иметь частоту среза, которая расположена между частотами
в
и
д
-
в
. Поэтому, выделение аналогового сигнала без помех
от нижней боковой полосы при частоте
д
возможно только в том случае, если
д
-
в
больше, чем
в
, т.е. если
д
(2
в
).
Если же дискретизация входного аналогового сигнала производится с частотой
д
2
в
, то в приёмнике он будет восстановлен сискажениями. Как показано на рисунке 1.2 г, эти искажения возникают из-за того, что нижняя боковая полоса при частоте дискретизации попадает в спектр аналогового сигнала и
она не может быть отфильтрована.
Полученный на выходе амплитудно импульсного модулятора дискретный
сигнал u
АИМ
(iTд), представляющий собой дискретные отсчёты аналогового сигнала (рисунок 1.1), перед преобразованием в цифровой сигнал подвергается
квантованию, заключающемуся в замене бесконечного множества значений
амплитуд напряжения сигнала u
АИМ
(iTд) конечным множеством дискретных
(квантованных) значений uкв(iTд) u1,u2,u3,u
4
и т.д. (рисунок 1.3).
В
Gu()
Д
2
Д
2/
и
Gr()
C
1
C
2
G
АИМ
()
Д
-
В
Д
+
В
Д
-
В
Д
+
В
G
АИМ
()
а)
б)
в)
г)
Рисунок 1.2 – Спектры сигналов при АИМ
10
Расстояние по амплитуде между ближайшими разрешенными уровнями
дискретных отсчётов аналогового сигнала u
АИМ
(iTд) называется шагом квантования . При равномерной шкале квантования все шаги квантования равны
между собой. Если амплитуда импульса i-го отсчета u
АИМ
(iTд) удовлетворяет
условию
/ 2 ( ) / 2 ,
jj А И М Д j j
и и iT и
(1.5)
то амплитуде квантованного импульсу на выходе квантователя uкв(iTд) присваи-
вается амплитуда разрешенного uj уровня квантования. Поскольку амплитуды
квантованных импульсов имеют дискретные значения, а отсчёты аналогового
сигнала u
АИМ
(iTд) – непрерывные значения, то при квантовании возникает
ошибка квантования кв, представляющая разность между передаваемой дискретной амплитудой квантованного отсчёта uкв(iTд) и истинным значением отсчёта аналогового сигнала непрерывного сигнала u
АИМ
(iTд)
( ) ( ) ( ).
к в Д к в Д А И М Д
iT и iT и i Т
(1.6)
+/2
t
-/2
0
t
u(t)
u
1
u
2
u
3
u4
-u
1
-u
2
-u
3
-u
4
-u
5
T
д
2T
д
3T
д
4T
д
T
д
кв(t)
Рисунок 1.3 – Процесс квантования АИМ сигнала
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]