Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые системы передачи. Учебное пособие
.pdf
51
1.7 Регенерация цифровых сигналов
с+пом пор
"1"UU
При прохождении линейного цифрового сигнала через канал передачи он
ослабляется и искажается из-за ограниченной полосы канала передачи и
неравномерности АЧХ и нелинейности ФЧХ канала передачи. Так же в канале
передачи на линейный цифровой сигнал воздействуют шумы и помехи. Всё это
приводит к изменению амплитуды, формы, длительности импульсов и
временных интервалов между ними. Регенератор должен восстановить все
четыре параметра импульсов принимаемого линейного цифрового сигнала:
амплитуду; форму; длительность; величину временных интервалов между
соседними символами.
Регенерацию (восстановление) искаженных шумами и помехами
линейных цифровых сигналов рассмотрим на примере регенератора,
представленного на рисунке 1.31. Как видно из рисунка, входной сигнал
усиливается с помощью корректирующего усилителя, снабженного
корректорами АЧХ и ФЧХ канала передачи и кабельной соединительной линии
и системой автоматической регулировки уровня (АРУ). АРУ обеспечивает стабильность уровня сигнала на выходе корректирующего усилителя вне
зависимости от изменения затухания сигнала в канале передачи [1, 2, 3, 5].
На рисунке 1.32 изображён идеальный цифровой сигнал в аппаратном коде
NRZ на выходе передающей части цифровой системы передачи (ЦС на вых. Пд).
После прохождения сигнала через канал передачи цифровой сигнал претерпевает
искажения, вызванные: ограниченной полосой канала; неравномерностью АЧХ и
нелинейности ФЧХ канала; воздействием на сигнал шумов и помех. В результате
входной сигнал регенератора имеет форму, представленную в точке 1 (рисунки
1.31 и 1.32). После коррекции неравномерности АЧХ и нелинейности ФЧХ
канала передачи в корректирующем усилителе форма цифрового сигнала
улучшается (точка 2 рисунки 1.31 и 1.32). Благодаря работе АРУ на выходе
корректирующего усилителя масимальный уровень сигнала будет постоянным
U
= const.
max
С выхода корректирующего усилителя всё ёщё искажённый цифровой
сигнал поступает на входы решающего устройства (РУ) и устройства тактовой
синхронизации (УТС), работа которого подробно описана в подразделе 1.4
(рисунок 1.22). В устройстве тактовой синхронизации местный генератор
тактовой частоты синхронизируется с тактовой частотой принятого цифрового
сигнала. С выхода устройства тактовой синхронизации короткие импульсы
расположенные в середине тактового интервала принятого цифрового сигнала с
поступают на решающее устройство (точка 3 рисунки 1.31 и 1.32).
В решающем устройстве регенератора принимается решение, что был
передан символ «1», если в момент прихода короткого импульса от устройства
тактовой синхронизации
В противном случае принимается решение, что был передан символ «0».
52
Корр. Усил.
АРУ
РУ
УТС
ФУФУ
1 2
3
4 5
3
Data
0 1 0
t
u(t)
t
u(t)
t
u(t)
t
u(t)
t
u(t)
T
U
пор
1
2
3
4
ЦС на
вых.Пд.
0 1 1
ошибка
Рисунок 1.31 – Структурная схема регенератора
«Искажения принимаемого цифрового сигнала обусловлены при
прохождению по каналу передачи шумами и межсимвольными помехами. Эти
помехи обуславливаются переходными процессами при прохождении импульсов
Рисунок 1.32 – Временные диаграммы работы регенератора
53
по каналу с ограниченной полосой пропускания и неравномерной амлитудно-
Вх
РУ
ВТЧ
регенератор
Вых
F
T
Y
X
Рисунок 1.33 – Структурная схема для наблюдения глаз диаграммы
частотной характеристикой. Форма импульсов на выходе такого канала
искажается, возрастает их длительность, в результате чего некоторые части
импульсов перекрываются. Это приводит к увеличению коэффициента ошибок в
решающем устройстве регенератора.
Наглядно оценить величины межсимвольных помех, выбрать пороговое
напряжение в решающем устройстве и момент стробирования импульсов в
регенераторе можно по так называемой глаз-диаграмме [1, 3]. Глаз-диаграмму
можно получить на экране осциллографа, если на его вход подать искаженный
цифровой сигнал, а синхронизацию развертки производить с тактовой частотой
этого сигнала рисунке 1.33. При этом достаточно рассмотреть три соседних
тактовых интервала цифрового сигнала, причем рассматриваемые тактовые
интервалы должны иметь все возможные сочетания соседних символов, т.е.
исследуемая последовательность должна быть псевдослучайной.
На рисунке 1.34 а-з показаны восемь возможных осциллограмм
двухуровневого сигнала при отсутствии межсимвольных помех. При наложении
этих осциллограмм друг на друга на экране осциллографа получается
изображение глаз-диаграммы, показанное на рисунке 1.34 и.
На рисунке 1.35 а приведена глаз-диаграмма рисунка 1.34 и крупным
планом. При учете межсимвольных помех диаграммы, приведенные на рисунке
1.34 а-з , будут искажаться за счет переходных процессов. В результате будут
искажены фронты и амплитуды импульсов и глаз-диаграмма примет вид,
показанный на рисунке 1.35 б. Из сравнения глаз-диаграмм а и б рисунок 1.35
следует, что в результате действия межсимвольных помех ширина t и раскрыв
глаз-диаграммы уменьшаются соответственно от t до t и от U до U.
54
Datatu(t)
000
t
u(t)
001
t
u(t)
010
t
u(t)
011
t
u(t)
100
t
u(t)
101
t
u(t)
110
t
u(t)
111
t
u(t)
а
б
в
г
д
е
ж
з
и
Т
Рисунок 1.34 – Цифровой сигнал (а-з) и его глаз-диаграмма (и)
55
Если значение порога U
t
u(t)
t0 t0+T
t0-T
U
пор
U
t
t
u(t)
t0 t0+T
t0-T
U
пор
U t
б
а
Рисунок 1.35 – Глаз-диаграмма двухуровневого сигнала:
а) при отсутствии межсимвольных помех; б) при наличии
межсимвольных помех
и момент стробирования t0 в решающем
пор
устройстве выбраны так, что пересечение линий, им соответствующих,
оказывается внутри раскрыва глаз-диаграммы, то на выходе решающего
устройства будет зарегистрировано правильное (безошибочное) решение. Из
рисунка 1.35 а и б следует, что значения U
и t0 наиболее целесообразно
пор
выбирать так, чтобы пересечение линий, им соответствующих, оказалось бы в
центре глаз-диаграммы.
1.8 Объединение цифровых потоков
Иерархия ЦСП с ИКМ. Структура первичной сети связи предусматривает
объединение (мультиплексирование) и разделение (демультиплексирование)
цифровых потоков передаваемой информации, поэтому используемые на сети
связи системы передачи должны строиться по иерархическому принципу.
Применительно к цифровым системам передачи этот принцип заключается в
том, что число каналов ЦСП, соответствующей данной ступени иерархии,
больше числа каналов ЦСП предыдущей ступени в целое число раз. Этот
коэффициент называется коэффициентом мультиплексирования. Система
передачи, соответствующая первой ступени, называется первичной, в этой
ЦСП осуществляется прямое преобразование относительно небольшого числа
56
аналоговых первичных сигналов в первичный цифровой поток. Системы
передачи второй ступени иерархии объединяют определенное число первичных цифровых потоков во вторичный цифровой поток и т. д. [1, 5, 6, 7, 8].
Таким образом, если на данной станции первичной сети требуется
использовать ЦСП с относительно большим числом каналов, на ней устанавливают аппаратуру соответствующего числа первичных, вторичных и т. д.
цифровых систем передачи.
В рекомендациях МСЭ-Т представлено несколько типов иерархий
цифровых систем передачи: европейская, североамериканская и японская.
Цифровые системы передачи с ИКМ, используемые на первичной сети России,
соответствуют европейской иерархии, рекомендованной МСЭ-Т. На рисунке
1.36 отмечены ступени иерархии, указаны типы соответствующих им ЦСП, а
также скорости цифровых потоков и количество каналов. Во всех цифровых
потоках вводятся специальные позиции для передачи служебных сигналов, что
также указано на рисунке. Например, скорость вторичного цифрового потока,
равная 2048×4+256 = 8448 кбит/с, определена скоростями четырех первичных
потоков (по 2048 кбит/с) и служебной информацией (64кбит/с × 4 = 256 кбит/с).
Отметим, что информация, передаваемая по одному каналу ТЧ, преобразуется
в цифровой поток со скоростью 64 кбит/с, соответствующий основному
цифровому каналу (ОЦК).
Формирование цифровых потоков европейской плезиохронной цифровой
иерархии (рисунок 1.36) можно записать следующим образом
[(480IC + 36
[(1920
IC
(30IC + 2
[(120IC + 8
SC E1
+ 128
SC E1
SC E1
+ 16
+ 64
) ·64 кбит/с = 2,048 Мбит/с {E1} × 4 =
SC E1
) + 4
SC E2
SC E2
)] )·64 кбит/с = 8,448 Мбит/с {E2} × 4 =
SC E2
) + 9
+ 36
)] ) ·64 кбит/с = 34,368 Мбит/с {E3} × 4 =
SC E3
SC E3
) + 28
)]) ·64 кбит/с=139,264 Мбит/с {E4}, (1.28)
SC E4
где IC (Information Channel) – информационный канал;
SC (Service Channel) – служебный канал.
В соответствии с приведенной формулой в потоке Е1 – 2 служебных
канала, в потоке Е2 – 12 служебных каналов, в потоке Е3 – 61 служебный канал
и в потоке Е4 – 256 служебных каналов.
Скорости цифровых потоков одной и той же ступени иерархии, но
образуемых ЦСП, расположенными на различных станциях сети, могут
несколько отличаться друг от друга в пределах допустимой нестабильности
задающих генераторов. Это требует принятия специальных мер при
объединении потоков в поток более высокой ступени иерархии, что заметно
усложняет эксплуатацию первичной сети связи в целом и снижает ее
качественные показатели. Системы иерархии, где объединяются потоки с
небольшими расхождениями скоростей, называют «плезиохронными» (ПЦИ).
57
MUX
1:4
64 Кбит/с х (30 +
2) = 2048 Кбит/с
(ИКМ-120)
(2М, Е1)
MUX
1:4
(2,048 Мбит/с) х 4
+ +(64 Кбит/с х 4)
= 8448 Кбит/с
(ИКМ-480)
(8М, Е2)
MUX
1:4
(ИКМ-1920)
(34М, Е3)
(8,448 Мбит/с х 4)
+(64 Кбит/с х 9) =
34368 Кбит/с
(140М, Е4)
(34,368 Мбит/с х 4)
+(64 Кбит/с х 28) =
139264 Кбит/с
Рисунок 1.36 – Схема мультиплексирования в европейской плезиохронной
цифровой иерархии
На рисунке 1.37 приведён пример структуры плезиохронной цифровой
иерархии при организации передачи 1200 каналов тональной частоты и пяти
каналов звукового вещания высшего класса. Отмечены также резервные
системы первого, второго и третьего уровней.
1.8.1 Принципы объединения и разделения цифровых потоков
Структура построения ЦСП с временным группообразованием
осуществляется посредством объединения (мультиплексирования) и разделения
(демультиплексирования) типовых цифровых потоков разных уровней
иерархии (рисунок 1.36). Смысл любого способа объединения цифровых
потоков заключается в том, что информация, содержащаяся в поступающих
потоках, записывается в запоминающие устройства с тактовой частотой
входного цифрового потока F
частотой импульсов считывания F
объединенном потоке (рисунок 1.38).
На рисунке 1.38 приняты следующие обозначения:
– ИИ1, ИИ2, ИИ3 и ИИ4 – информационные символы 1, 2, 3 и 4
объединяемых цифровых потоков;
– ИО – информационные символы объединенного цифрового потока;
– ИСО – импульсы считывания объединенного цифрового потока,
которые включают в себя импульсы считывания служебной информации (СИ) и
поочередное считывание информационных символов объединяемых цифровых
потоков.
, а затем поочередно считывается с тактовой
ТИЗ
в моменты, отводимые ей в
ТИС
58
1-3
кан ЗВ
1-18
кан ТЧ
ИКМ-
30
1
4-5
кан ЗВ
19-40
кан ТЧ
ИКМ-
30
2
41-70
кан ТЧ
ИКМ-
30
3
71-100
кан ТЧ
ИКМ-
30
4
MUX1
1
(ИКМ-
120)
1
1E
21E31E4
1E
1171-
1200
кан ТЧ
ИКМ-
30
41
41
1E
MUX1
2
(ИКМ-
120)
51E8
1E
MUX1
11
(ИКМ-
120)
421E431E441E64
1E
Резерв
MUX2
1
(ИКМ-
480)
1
2E
22E32E4
2E
MUX2
3
(ИКМ-
480)
11
2E
9
2E
102E12
2E
Резерв
16
2E
MUX3
1
(ИКМ-
1920)
1
3E
2
3E
3
3E
4
3E
Резерв
4E
Рисунок 1.37 – Иерархическая структура для заданных условий
При объединении (мультиплексировании) асинхронных (плезиохронных)
цифровых потоков в объединенный цифровой поток помимо синхросигнала,
указывающего порядок объединения входных цифровых потоков, вводится
служебная информация, обеспечивающая необходимое согласование скоростей
объединяемых цифровых потоков.
Операции разделения (демультиплексирования) цифровых потоков
являются обратными операциям объединения: информация объединенного
потока записывается в запоминающие устройства, соответствующие исходным
потокам, а затем считывается со скоростями, равными скоростям
объединяемых потоков.
59
ИИ1
ЗУ
ИИ2
ЗУ
ИИ3
ЗУ
ИИ4
ЗУ
F
Т ИЗ
F
Т ИС
ИИ1
ЗУ
ИИ4
ЗУ
ИИ3
ЗУ
ИИ2
ЗУ
F
Т ИС
F
Т ИЗ
ИО
Т Т Т Т Т
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
С
И
С
И
С
И
С
И
С
И
Т Т Т Т Т
i
1
i
2
i
3
i
4
i
5
ИСО
ИИ1
F
ТИЗ
= F
ТИС
1)
Т Т Т
Т
i
1
i
2
i
3
i
4
ИИ1
F
ТИЗ
< F
ТИС
2)
Т Т
Т Т Т
Т
i
1
i
2
i
3
i
4
i
5
i
6
ИИ1
F
ТИЗ
> F
ТИС
3)
M
U
X
D
E
M
U
X
t
t
t
t
Рисунок 1.38 – Пояснение принципа объединения и разделения цифровых
осуществляется посимвольно, т. е. считывание информации из запоминающих
устройств происходит по разрядам: вначале считывается и передается символ
первого потока, затем – второго и т.д., после считывания символа последнего
В плезиохронных цифровых иерархиях объединение цифровых потоков
потоков
из объединяемых потоков вновь считывается очередной символ первого, т. е.
цикл повторяется.
Предположим, что тактовая частота импульсной последовательности
считывания F
превышающую скорость записи F
Через несколько десятков или сотен циклов исходного потока (зависит от
скорости потоков и относительной нестабильности задающих генераторов)
ТИС
временное расхождение F
(рисунок 1.39), в результате чего появится лишний импульс считывания,
который повторно считает второй информационный символ (рисунок 1.38) и
устройства объединения потоков имеет скорость,
(рисунок 1.38 – случай 2 – F
и F
TИС
ТИЗ
достигнет величины тактового интервала
TИЗ
> F
TИС
TИЗ
).
возникнет необходимость в выравнивании (согласовании) фаз импульсных
последовательностей записи и считывания.
60
t
t
ИЗ
ИС
i1
i2
i3
i4
1
t1 t
1
2
3 4 5
Рисунок 1.39 – Временные диаграммы при положительном
согласовании скоростей (F
ТИС
– F
ТИЗ
> 0 )
На рисунках 1.38 и 1.39 изображена условная ситуация, при которой за
рассматриваемое время t1 произошло расхождение скоростей на один бит (один
тактовый интервал), в реальной ситуации это расхождение наблюдается через
десятки или сотни тысяч тактовых интервалов [1, 8]. В рассматриваемых
ситуациях для третьего импульса считывания рисунок 1.38 и для пятого
импульса считывания рисунок 1.39 не успел прийти информационный символ i
и этот импульс считывания оказывается «лишним», ему нечего считывать.
Очевидно, согласование скоростей, в данном случае уменьшение скорос-
ти считывания, осуществляется исключением одного из импульсов считывания
ИС третьего на рисунке 1.38 или пятого на рисунке 1.39. Такое согласование
при F
ТИС
– F
> 0 получило название положительное согласование скоростей.
ТИЗ
Теперь предположим, что тактовая частота импульсной
последовательности считывания F
скорость ниже скорости записи F
устройства объединения потоков имеет
ТИС
(рисунок 1.38 – случай 3 – F
ТИЗ
TИС
< F
TИЗ
).
Через несколько десятков или сотен циклов исходного потока (зависит от
скорости потоков и относительной нестабильности задающих генераторов)
временное расхождение F
TИС
и F
достигнет величины тактового интервала
TИЗ
(рисунок 1.40) и возникнет необходимость в выравнивании (согласовании) фаз
импульсных последовательностей записи и считывания.
На рисунке 1.38 – случай 3 и на рисунке 1.40 изображена ситуация, когда
за рассматриваемое время t1 произошло расхождение скоростей записи и считывания на один бит (один тактовый интервал). В рассматриваемых ситуациях
для третьего информационного символа рисунок 1.38 и для четвёртого
информационного символа рисунок 1.40 не успел прийти импульс считывания
и этот информационный символ оказывается «лишним», его нечем считывать.
Очевидно, согласование скоростей, в данном случае уменьшение
скорости записи, осуществляется исключением из информационного потока
одного из информационных символов импульсов третьего на рисунке 1.38 или
пятого на рисунке 1.40.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]