Иванов В.И., Гордиенко В.Н. Цифровые и аналоговые системы передачи, 2003

При переходе от кода ЧПИ к коду МЧПИ добавляемые балластные сигналы мало искажают процесс чередования импульсов

Поэтому обычно предполагают, что спектры кодов ЧПИ и МЧПИ совпадают.

Цифровой импульсный сигнал, в котором для передачи символов 0, 1 используются функции S3(t) и S4{t) (см. рис. 6.10), н а з ы в а е т с я б и и м - п ул ь с н ы м с и г н а л о м . Э н е р г е т и ч е с к и й спектр биимпульсных сигналов по своему характеру весьма похож на энергетический спектр кода ЧПИ (МЧПИ). Однако биимпульсные сигналы более богаты высокочастотными компонентами, и в частности область максимальных по мощности частотных компонент расположена вблизи частоты 0,75 fT.

Выделение тактовой частоты. Из анализа энергетических спектров сигналов и кодов, передаваемых в линейном тракте ЦСП, следует, что только в спектре двоичных сигналов содержатся дискретные частотные компоненты. Одной из задач, решаемых при создании УВТЧ (рис. 6.21), является получение двоичного сигнала. С помощью преобразователя (Пр) линейные сигналы и коды, претерпевшие искажения при прохождении по регенерационному участку, преобразуются в двоичный сигнал, из которого с по - мощью узкополосного фильтра (УФ) выделяется одна из гармоник fT. Формирующее устройство (ФУ) преобразует гармонические сигналы в импульсные. Назначение фазовращателя (Фв) состоит в том, чтобы внести временную задержку в тракт прохождения гармонического сигнала и добиться совпадения моментов стробирования (см. рис. 6.6) с максимума сигналов, действующих на выходе КУС.

Особенно просто устроен преобразователь в случае кода МЧПИ. Так как символы 1 передаются импульсами положительной или отрицательной полярности, достаточно осуществить двухполупериодное выпрямление, чтобы преобразовать код МЧПИ в двоичный сигнал. В этом случае целесообразно использовать УФ, настроенный на фильтрацию первой гармоники.

6.3. РЕГЕНЕРАТОРЫ ЦСП

Регенератор МЧПИ. Как видно из схемы (рис. 6.22), входной сигнал усиливается с помощью КУС, снабженного системой автоматической регулировки уровня (АРУ). Это обеспечивает стабильность уровня сигнала на

140

выходе КУС вне зависимости от изменения затухания линии. На рис. 6.23, а—в изображены идеальный код МЧПИ, входной сигнал регенератора

и сигнал на выходе КУС. Можно полагать, что благодаря, работе АРУ на выходе КУС Umax= const. Устройство разделения (УР) разделяет положительные и отрицательные компоненты сигнала, действующего на выходе КУС, с последующим изменением знака отрицательной компоненты так, что на выходах а и б УР действуют два положительных сигнала (рис. 6.23, г и д). Эти сигналы поступают в схему сравнения (СС), где происходят их сравнение с порогом Uc, ограничение по минимуму на уровне этого порога и сложение.

141

Аналогичный результат можно получить, если реализовать оптимальный приемник на основе выражения (6.2) и в качестве опорного сигнала использовать функцию S4t) (см. рис. 6.10). Так как сигналы S3(t) и S4{t) противоположны по знаку, то и отсчеты на выходе оптимального фильтра в точке 1 также противоположны (рис. 6.24, в). Схема преобразователя в УВТЧ упрощена, так как УВТЧ подключено не к линии, а к выходу ВУ1 На рис. 6.24, г и д показаны напряжения на выходе УВТЧ и инвертора (Инв). Принцип работы РУ состоит в следующем. Если в моменты стробирования U величина UВЫХ i > 0, то на выходе РУ появляется сигнал управления длительностью Т, который приведет к срабатыванию ключа (Кл). В результате этого сигнал S4(t) с выхода УВТЧ попадает на вход ФВЧ, который усиливает сигналы. В случае, когда UВЫХ i <0, на выходе РУ сигнал управления отсутствует и через КЛ проходит сигнал S3(t) с выхода инвертора.

6.4. МЕШАЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ИСКАЖЕНИИ И ПОМЕХ

Оценку мешающих факторов, приводящих к сбоям в работе регенератора, проведем для случая передачи кода МЧПИ.

Влияние точности коррекции линейных искажений. Одна из. причин воз-

никновения ошибок в работе регенератора состоит в том, что на входы РУ1 и РУ2 поступают искаженные импульсы,, так что может возникнуть ложное превышение или ложное не превышение порогов UП1 и UП2. Теоретически для восстановления формы сигналов, претерпевших искажения при прохождении по линейному тракту, необходимо осуществить коррекцию линейных искажений во всем диапазоне частот. Однако расширение рабочей полосы частот приводит к возрастанию шумов, так что коррекция линейных искажений осуществляется в частотном диапазоне (0... 0,5fT), в котором передается большая часть энергии сигналов. Амплитудно-частотная характеристика КУС имеет вид, аналогичный АЧХ линейных усилителей, используемых на НУП аналоговых СП. Из-за ограниченности рабочей полосы частот форма импульсов восстанавливается лишь частично, как это показано на рис. 6.23, в.Для оценки качества коррекции сигналов кода МЧПИ и достоверности работы регенератора сигнал, действующий на выходе корректирующего усилителя, подают на вертикальные пластины осциллографа, а развертку синхронизируют тактовой последовательностью импульсов. В результате реализация случайного импульсного сигнала, действующая на входе осциллографа, разбивается на фрагменты длительностью Т. Каждый фрагмент располагается посередине экрана осциллографа, и в результате возникает фигура, носящая

143

название «глаз-диаграмма». На рис. 6.25 изображены глаз-диаграммы для коротких и длинных регенерационных участков, т. е. при малых и больших искажениях. Важной характеристикой качества коррекции является относительная величина раскрыва глаз-диаграммы, равная отношению

К =∆U/Umax.

Очевидно, что чем ближе К к 1, тем выше качество коррекции и надежность работы регенератора, так как меньше опасность ошибочного превышения (непревышения) пороговых напряжений. Качество коррекции считается допустимым, если К >0,75.

Влияние точности работы УВТЧ. На входе узкополосного фильтра УВТЧ действует сигнал, близкий по форме к двоичному, в спектре которого вблизи частоты fТ расположены мешающие частотные компоненты (см. рис. 6.19). Мощность помехи зависит от ширины полосы пропускания УФ (∆fУФ ≈10 КГЦ). Отношение сигнал-шум на выходе УФ К>100.

Наличие помехи на выходе УФ приводит к погрешности в работе УВТЧ. Эта погрешность проявляется в том, что моменты стробирования случайным образом смещаются относительно своих истинных значений. Однако при К >100 этим явлением можно пренебречь. Необходимо отметить, что выбирать величину ∆fУФ уже 10 кГц нецелесообразно по следующей причине. Узкополосные фильтры сами вносят временные задержки в тракт прохождения сигнала: τ3 = λ (f - f0) ∆fУФ, где λ — коэффициент пропорциональности, зависящий от порядка фильтра; f0 — резонансная частота.

По различным причинам, в том числе из-за температурных изменений, значение ∆f = | fТ - fo| может меняться, что будет приводить к изменению τ3 на тактовой частоте fT и смещению моментов стробирования относительно истинного положения. С учетом дестабилизирующих факторов погрешность в работе УВТЧ, равная ∆ t/Т, где ∆ t — максимальная величина отклонения момента стробирования от истинного положения, составляет 5... 10%.

Влияние помех. Источники помех, действующих на входе регенератора, зависят от типа линии связи. Если ЦСП работает на магистрали с коаксиальным кабелем, то источниками помех являются тепловые шумы и шумы КУС. На

144

симметричных кабелях помехи возникают из-за взаимного влияния между цепями. Будем считать, что помеха имеет нормальное распределение мгновенных значений, что характерно для тепловых и собственных шумов усилителей.

В случае симметричного кабеля при количестве мешающих цепей М>6 также можно считать помеху распределенной по нормальному закону. Мешающее действие шумов оценим при идеальной глаз-диаграмме, т. е. будем считать, что в моменты стробирования возможные величины отсчетов Ui равны

± Um или 0. Так как на выход КУС просачивается помеха, эти отсчеты равны

-Um+uпом,, uпом, Um+uпом , где Uпом — мгновенные значения напряжения помехи на выходе КУС. На рис. 6.26 показано расположение отсчетов Ui в моменты

принятия решения в РУ1 и РУ2 и изображены плотности распределения вероятности этих отсчетов р-1(uпом), Ро(uпом), P1(uпом) соответственно для случаев, когда передаются символы -1, 0 и 1:

p 1 (uпом ) (1/ 2 ) exp[ (uпом U m )2 / 2 2 ];

где σ2 — мощность помехи на выходе КУС. Как видно из этого же рисунка, вероятность неверного принятия символа 1 равна заштрихованной площади S1 вероятность неверного принятия символа 0 равна сумме заштрихованных площадей S'o и S"o, вероятность неверного принятия символа —1 равна заштрихованной площади S-1. Если пороги UП1 и UП2. расположены симметрично по отношению к оси абсцисс, то UП1 = UП2 =0,5 Um и

145

символов равно соответственно N'1 , N'-1, N'0 , то справедливы следующие соот-

ношения: S1 = N'1 / N1 , S-1 = N'-1 / N-1 , S0 = S'0 / S''0.

Если вероятности появления символов 0 и 1 в двоичном сигнале равны между собой (р=0,5), то вероятности появления символов 1 и —1 в коде ЧПИ равны 0,25. В результате, если за время Г передано N символов, то N1 = 0,25N, N-1 =0,25N, N0 =0,5N и общее число неверно принятых импульсов N' = N'1 - N'-1 + N'o= = l,5NS1, где S1 определяется из (6.7).

Для оценки качества работы регенератора вводится понятие коэффициента ошибок KОШ =N' / N=1,5 Ф(0,5Um / σ), который зависит от величины отношения Um/σ или от защищенности А =20lg(Um / σ). Эта зависимость приведена в табл.

6.2.

Данный расчет был приведен в предположении идеальности глаздиаграммы. При реальной глаз-диаграмме необходимо уменьшить величину Um на 25%. Кроме того, необходимо учесть He-идеальность работы АРУ, нестабильность UП 1 и - UП 2, неидеальность работы УВТЧ. С учетом этих обстоятельств для обеспечения указанных в табл. 6.2 значений коэффициента ошибок необходимо увеличить защищенность на 5 ... 6 дБ.

6.5. РАСЧЕТ ДЛИНЫ РЕГЕНЕРАЦИОННОГО УЧАСТКА

Согласно рекомендациям МККТТ коэффициент ошибок в линейном тракте не должен превышать 10-6. Так как ошибки на различных регенерационных участках возникают взаимно независимо для одиночного регенератора KОШ =10 -6/п, где п — число регенераторов.

146

Расчет для магистралей с коаксиальным кабелем. Обычно, как это сделано в эквивалентной схеме (рис. 6.27), реальные линии и усилитель заменяют идеальными нешумящими, а на входе усилителя включают эквивалентный генератор шума (ГШ). При данном типе кабеля источниками помех являются:

- тепловой шум лини» P T . Ш = k T ∆ f , где k =1,28. 10-23 Дж/град — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура по Кельвину, ∆ f = (0—0,5fТ), т. е.

∆f =0,5 fТ — рабочий диапазон частот линейного тракта;

-собственные шумы усилителя, влияние которых отражается с помощью

коэффициента шума DШ, причем мощность этих шумов РС.Ш. = P T . Ш DШ. Можно подсчитать, что при нормальной температуре и ширине полосы час-

тот ∆ f =1 МГц, P T . Ш = 0,404.10-11 мВт, что соответствует уровню по мощности P T . Ш = - 114 дБ. Тогда уровень теплового шума, развиваемый ГШ,

Точная оценка мощности полезного сигнала па входе регенератора затруднительна, так как спектр сигналов МЧПИ широкий и затухание линии зависит от частоты. Но ввиду того, что наиболее мощные компоненты спектра данных сигналов расположены в области частоты 0,5fT, упрощенно расчет затухания линии проводится на этой частоте. Таким образом, pпр = рпер — α (0,5fT) l где α (f) — километрическое затухание кабеля. Защищенность сигналов от помех на входе регенератора с учетом (6.8) А= pпр – рГШ = 114 + рпер -101g (0,5fT /1мГц) - α(0,5fТ)l –dШ, где dШ =10lgDШ. Задаваясь необходимой величиной КОШ, по табл. 6.2 выбирают защищенность АТАБЛ, откуда определяется А = АТАБЛ + ∆А (∆А = 5... ...6 дБ). В результате получим следующую формулу для расчета длины регенерационного участка:

Расчет для магистралей симметричного кабеля. Здесь можно выделить два случая.

147

1. Количество влияющих ДСП N>6. Тогда следует считать, что помеха имеет нормальное распределение и ее мощность Рпом Σ = Рпом N, где Рпом — мощность помехи, создаваемая одной ЦСП.

Если все ДСП работают по одному кабелю, то наиболее опасное влияние оказывает передача одной ЦСП на прием дру гой (рис. 6.28). Этот случай эквивалентен ситуации, рассмотренной применительно к коаксиальному

кабелю, но рГШ = pпер — А0 + l0lg N, где А0 — затухание на ближний конец. Если же имеет место двухкабельная работа ЦСП, т. е. все регенераторы,

работающие на передачу, помещены в одном кабеле, а регенераторы, работающие на прием, — в другом, то характер взаимного влияния между ЦСП можно уяснить с помощью рис. 6.29. В этом случае рГШ = pпер — Аl + l0lg N, где Al — затухание на дальний конец. Тогда А = p п р — р Г Ш =A 0 , l — α(0,5 f Т )l — l 0l g N . Здесь A 0 , l — переходное затухание на ближний или дальний конец в зависимости от того, какая система организации работы ЦСП используется — однокабельная или двухкабельная. Отсюда

lA0,l Aтабл А 10lg N

(0,5 fТ )

Так как Al > A0 , длина регенерационного участка при двухкабельной работе больше, чем при однокабельной.

В ряде случаев, например при уплотнении кабелей ГТС для организации соединительных линий между АТС, для увеличения I при однокабельной работе ЦСП рекомендуется размещать регенераторы в шахматном порядке

(рис. 6.30). Здесь А0' = А0 + 0,5 α (0,5fT) l.

Оптимальным является размещение регенераторов, работающих в разных направлениях, строго в середине регенерационных участков. Если же регенерационный участок разбит на две не равные части l1 и l2 так, что l1 <

l2, то А0' = А0 + α (0,5fT) l1.

2.Количество влияющих ЦСП мало (W<4). В этом случае помеху можно представить как гармоническое колебание с частотой, близкой к 0,5fT, и амплитудой Uпом Σ = N Uпом, где Uпом — амплитуда помехи, создаваемой одной ЦСП. Так как помеха ограничена по напряжению диапазоном ± Uпом Σ, минимальная защищенность сигналов от помех A = 6 дБ (см. (6.1)). По аналогии с предыдущим А = (A 0 , l — A — ∆ A — 2l 0l g N) / α (0,5 f Т ) .

Следует особо остановиться на определении длины регенерационных участков, примыкающих к АТС. Как известно, работа узлов АТС, особенно декадно-шаговой системы, создает интенсивные! шумы в полосе частот до 2

148

МГц. Мощность этих помех быстро затухает с удалением от АТС, и можно считать, что наиболее подвержен действию помех прилегающий к АТС регенерационный участок. Поэтому в случае декадно-шаговых АТС дается рекомендация о сокращении вдвое длины прилегающего к ней регенерационного участка.

6.6. ЛИНЕЙНЫЙ ТРАКТ ЦСП, РАБОТАЮЩИХ НА АБОНЕНТСКИХ ЛИНИЯХ (ЦСП-АЛ)

В настоящее время проводятся активные работы в области повышения эффективности использования абонентских линий (АЛ). На рис. 6.31 АК и СК — абонентский и станционный комплекты оборудования ЦСП-АЛ. С помощью вилки линейных фильтров ВЧ и НЧ осуществляется совместная работа ЦСП-АЛ и низкочастотной связи по АЛ. Абонентская линия организу-

ется по кабелям различного вида, так как в ней можно выделить магистральные участки с кабелем емкостью свыше 100 пар и распределительные участки с кабелем емкостью от 10 до 100 пар. Кроме того, абонентская проводка может оказаться достаточно большой протяженности. На разных участках используются провода с диаметром жил, который может изменяться в пределах 0,4... 0,7 мм. В результате для АЛ характерны неоднородности, из-за которых, возникают встречные и попутные потоки электромагнитной энергии, затрудняющие передачи цифровых сигналов. Кроме того, на АЛ действуют мощные импульсные помехи, связанные с передачей импульсов набора номера.

Из рис. 6.32 следует, что из-за ограниченности рабочего диапазона сверху частотой 250 кГц в ЦСП-АЛ необходимо использовать блочные коды, а из-за большого уровня помех — наиболее помехоустойчивую систему сигналов {Si(t)}- Следует также учесть, что в процессе эксплуатации возможно скрещивание проводов физической цепи, в результате чего система сигналов {Si(t)} поменяет свою полярность на противоположную.

Последнее обстоятельство вынуждает использовать относительные методы передачи информации. Применительно к передаче двоичных сигналов с помощью двух сигналов Si(t) и Sj (t) это означает следующее: если передается символ 1, то происходит смена сигналов на соседних тактовых интервалах, если же передается символ 0, то смены сигналов не происходит (табл. 6.3).. В качестве совокупности сигналов, используемых для передачи символов блочного кода, в линейном тракте ЦСП-АЛ применяются сигналы

149