Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые системы передачи. Учебное пособие
.pdf
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
В. И. Носов
ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
Учебное пособие
Новосибирск
2022
2
УДК 621.396.43
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензенты: докт. техн. наук, проф. А.А. Спектор,
докт. техн. наук, проф. А.И. Фалько
Носов В. И. Цифровые системы передачи : учебное пособие / В. И. Носов ;
Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. –
Новосибирск, 2022. – 128 с.
В учебном пособии излагаются: оцифровка аналоговых сигналов;
плезиохронная цифровая иерархия: синхронизация сигналов; кодирование
сигналов в соединительных линиях; восстановление сигналов и определение
ошибок; мультиплексирование цифровых сигналов и согласование их
скоростей; синхронная цифровая иерархия: транспортная система;
информационная структура; схемы преобразований; заголовки секций и
трактов; применение систем СЦИ.
Учебное пособие предназначено для студентов очного, заочного и
дистанционного обучения, обучающихся по направлениям 11.03.02 –
Инфокоммуникационные технологии и системы связи, 11.03.01 – Радиотехника.
© Носов В.И., 2022
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2022
3
СОДЕРЖАНИЕ
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 непрерывного сигнала …………………….…..
7
1.2.2 Кодирование и декодирование сигнала……………………...….
15
1.3 Структурная схема аппаратуры оконечного оборудования
цифровой системы передачи……………………………………………
26
1.3.1 Передача сигналов звукового вещания в цифровом потоке
Е1………………………………………………………...............................
32
1.4 Синхронизация в цифровых системах передачи …..………………
35
1.5 Генераторное оборудование цифровой системы передачи ……….
43
1.6 Сигналы и коды в линейных трактах цифровой системы предачи.
46
1.7 Регенерация цифровых сигналов …………………………...………
51
1.8. Объединение цифровых потоков ………………………..…………
55
1.8.1 Принципы объединения и разделения цифровых потоков …...
57
1.9 Системы передачи ПЦИ….…………………....................................
63
1.9.1 Временные диаграммы вторичного цифрового потока Е2…...
65
Контрольные вопросы…………………………………………………...
67
2 Основы построения цифровых систем передачи синхронной
цифровой иерархии……………………………………………………….
69
2.1 Недостатки ЦСП ПЦИ.…………………………..………………….
69
2.2 Синхронные иерархии SONET/SDH………….................................
71
2.2.1 Информационная сеть……………………………………………
72
2.2.2 Система обслуживания…………………………………………...
74
2.3 Информационные структуры и схема преобразований.…..………
74
2.3.1 Информационные структуры…………………………………….
74
2.3.2 Схема преобразований в СЦИ…………………………………...
80
2.3.3 Загрузка STM-1 потоками 2,048 Мбит/с………………………...
83
2.3.4 Загрузка STM-1 потоками Е3…..………………………………...
117
2.3.5 Загрузка STM-1 потоками Е4……..……………………………...
120
2.3.6 Загрузка STM-1 потоками 2,048 Мбит/с через AU-3…………..
121
2.3.7 Загрузка STM-RR потоками 2,048 Мбит/с…………………….
123
Контрольные вопросы……..…………………………………………….
125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………
126
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………….
127
4
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие предназначено для студентов очного, заочного и
дистанционного обучения, обучающихся по направлениям 11.03.02 –
Инфокоммуникационные технологии и системы связи, 11.03.01 – Радиотехника.
В современных системах связи преобладает передача аналоговых
сигналов 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
коммутации;
3) использование регенерации цифровых сигналов в пунктах
ретрансляции устраняет накопление шумов в линии связи, что делает качество
работы цифровых систем передачи слабо зависящим от расстояния;
4) возможность использования избыточного кодирования с целью
обнаружения 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
сигналов 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
сигнал/шум;
– малое число разрешённых уровней сигнала позволяет осуществить
регенерацию сигнала.
Большая часть свойств цифровых сетей для передачи речи связана с
преимуществами 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 аналоговоцифровое 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, отбой,
цифры адреса и др.) 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,
проявляются 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
6
могут обеспечить почти безошибочную передачу, когда значения отношения
сигнал/шум составляют 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 8разрядной импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) при цифровой передаче
методом ВРК-ИКМ 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»
1
.
1
В.И. Носов под ред А.В. Пуговкина. Радиорелейные системы передачи учебное пособие. – Томск, 2007. 287 с.
7
Необходимость осуществления синхронизации во времени цифрового
2
ДВ
FF
( ) exp( ),
и
кД
к
Д
r t C jk t
T
0
sin( / )
; 1; 2 .
/
иД
к Д Д
иД
kT
C СF
kT
сигнала и организуемых кадров. Синхронизация определяет моменты времени,
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 производиться 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
(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 периодом повторения ТД может быть записана
и
где
, (1.2)
8
( ) ( ) ( ).
АИМ к
и t и t r t
2
2
( ) ( ).
и
АИМ к u Д
к
Д
S C S к
Т
2
( ) ( / ) ( ).
АИМ 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
Сигнал на выходе амплитудно-импульсного модулятора определеяется
произведением сианалогового сигнала uk(t) и сигнала дискретизации r(t)
При известном спектре непрерывного сигнала Su() и спектре импульсов
дискретизации Sr() (1.2) определим спектр АИМ сигнала u
При переменной
= 0 из (1.4) получим
(1.3)
(t)
АИМ
(1.4)
9
Из (1.4) следует, что спектр АИМ сигнала u
В
G
()
Д
2
Д
2/
и
Gr()
C
1
C
2
G
АИМ
()
Д
-
В
Д
+
В
Д
-
В
+
G
АИМ
()
а)
б)
в)
г)
Рисунок 1.2 – Спектры сигналов при АИМ
(iTд) (рисунок 1.1)
АИМ
содержит 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
помех от нижней боковой полосы при частоте
случае, если
и
-
в
-
д
больше, чем
в
д
. Поэтому выделение аналогового сигнала без
в
возможно только в том
д
, т.е. если
в
(2
д
).
в
Если же дискретизация входного аналогового сигнала производится с
частотой
2
д
, то в приёмнике он будет восстановлен с искажениями. Как
в
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
(iTд), представляющий собой дискретные отсчёты аналогового
АИМ
сигнала (рисунок 1.1), перед преобразованием в цифровой сигнал подвергается
квантованию, заключающемуся в замене бесконечного множества значений
амплитуд напряжения сигнала u
(квантованных) значений uкв(iTд) u1,u2,u3,u
(iTд) конечным множеством дискретных
АИМ
и т.д. (рисунок 1.3).
4
10
/2 ( ) /2,
jj АИМ Д j j
и и iT и
( ) ( ) ( ).
кв Д кв Д АИМ Д
iT и iT и iТ
+/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
Расстояние по амплитуде между ближайшими разрешенными уровнями
дискретных отсчётов аналогового сигнала u
(iTд) называется шагом
АИМ
квантования . При равномерной шкале квантования все шаги квантования
равны между собой. Если амплитуда импульса i-го отсчета u
АИМ
(iTд)
удовлетворяет условию
то амплитуде квантованного импульсу на выходе квантователя uкв(iTд)
присваивается амплитуда разрешенного uj уровня квантования. Поскольку
амплитуды квантованных импульсов имеют дискретные значения, а отсчёты
аналогового сигнала u
(iTд) – непрерывные значения, то при квантовании
АИМ
возникает ошибка квантования кв, представляющая разность между
передаваемой дискретной амплитудой квантованного отсчёта uкв(iTд) и
истинным значением отсчёта аналогового сигнала непрерывного сигнала
u
(iTд)
АИМ
(1.5)
(1.6)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]