9.5. Коды линии

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КОДОВ

Одной из основных технологий, применяемых в системах передачи PDH и SDH, является использование кодов линий.

Двоичные коды строятся с использованием только двух элементов. В литературе встречаются различные условные обозначения символов двоичного кода. Наиболее употребительные из них рекомендованы ITU-T и представлены в табл.9.7.

Таблица 9.7

1	1	+1	+	Z	Mark
0	0	–1	–	А	Space

При реализации кодов необходимо представлять их символы виде элементов дискретного сигнала той или иной формы, удобной для выполнения последующих операций и передачи по линиям связи.

Формы сигналов не обязательно жестко закрепляются за символами кода. Широко распространены правила относительного кодирования, когда один символ кода отображается чередованием форм сигнала, а другой – повторением форм сигнала. Выбор формы сигнала определяет: энергетический спектр (занимаемую полосу частот), возможности выделения сигналов синхронизации, скорость передачи в расчете на единицу полосы частот (удельную скорость передачи).

Формы цифровых сигналов, предназначенных для передачи по линии связи, получили наименование линейных кодов (ЛК). ЛК применяются для передачи данных без модуляции в первичной полосе частот, начинающейся с нуля. Иначе говоря, кадры цифровых систем передачи, сформированные в соответствии с правилами PDH или SDH и представляющие собой обычные двоичные последовательности, перед подачей в линию связи подвергаются соответствующему преобразованию в линейном кодере.

Рассмотрим основные типы линейных кодов.

Код без возвращения к нулю (Non Return to Zero – NRZ) представляет собой обычную двоичную последовательность. В коде с возвращением к нулю (Return to Zero – RZ) единица передается импульсом вдвое меньшей длительности. Спектры простейших типов кодов обладают следующими недостатками: наличие постоянной составляющей; малая мощность тактовой частоты (частоты синхронизации); возможное наличие длинных последовательностей нулей. Код RZ требует более широкую полосу пропускания, чем NRZ, но имеет меньшее значение постоянной составляющей.

Широкое распространение в системах передачи, предназначенных для работы по кабелям с металлическими проводниками, нашли троичные коды. Их применение основано на возможности разнополярного подключения генератора ЭДС к нагрузке.

Код с чередующейся полярностью импульсов (ЧПИ) (Alternate Mark Inversion – AMI) –биполярный код, представляющий одну из разновидностей троичного кода: нулям соответствует отсутствие импульса, а единицам – попеременно чередующиеся прямоугольные импульсы отрицательной и положительной полярности. Так как постоянная составляющая импульсной последовательности равна нулю, то возможна передача по линиям, содержащим разделительные трансформаторы. Преимуществом данного кода является простота преобразования в двоичный код.

Модифицированные ЧПИ коды строятся следующим образом, паузу, длина которой превышает n нулей, помещаются балластовые сигналы. К модифицируемым ЧПИ принадлежит код высокой плотности следования единиц КВП-3 (High-Density Bipolar – HDB-3), У которого n = 3.

Рис. 9.20. Линейное кодирование 2B1Q

ТЕХНОЛОГИИ xDSL

В настоящее время кроме рассмотренных выше линейных кодов существует множество методов передачи информации по физическим линиям. Все их принято объединять в семейство так называемых технологий xDSL (Digital Subscriber Line-цифровая абонентская линия). По сравнению со стандартными линейными кодами xDSL более эффективно использует возможности физической среды. Устройства, реализующие технологии xDSL, принято называть xDSL-модемами. Однако этот термин не очень точен. Оборудование xDSL, в отличие от модемов, обеспечивающих передачу данных через телефонные сети, не производит цифро-аналогового и аналогово-цифрового преобразования, а передача ведется только в цифровой форме.

Первенцем семейства xDSL, разработанным в конце 80-х годов компанией Bellcore, стала высокоскоростная цифровая абонентская линия HDSL (High bit rate Digital Subscriber Line). Разработка нового метода цифровой передачи была вызвана стремлением телефонных компаний найти более дешевый способ организации цифровых трактов, служащих для выноса абонентской емкости АТС, подключения к транспортным сетям локальных сетей и учрежденческо-производственным телефонным станциям (УПТС).

Благодаря применению метода кодирования 2B1Q (рис. 9.20) и метода эхокомпенсации HDSL-системы позволили увеличить дальность связи без установки регенераторов (по кабелю с диаметром жилы 0,5 мм) до 6 км, т.е. в три раза по сравнению с ранее использовавшимся линейным кодом HDB-3, при сохранении неизменной скорости потока Т1/Е1. Из-за этого преимущества HDSL снизились не только объемы инвестиций в развитие системы связи, но и расходы на ее обслуживание. HDSL обладает и другими ценными особенностями:

• за счет адаптивной цифровой обработки сигналов повышается качество их передачи;

• потребление энергии на удаленном конце линии сокращается до такой степени, что становится возможным дистанционное питание оконечного устройства, а при длине линии более 6 км - и регенераторов;

• возможна передача по двум парам многожильного телефонного кабеля (типа ТП, ТПП и пр.) без подбора параметров и симметрирования (естественно, качество кабеля должно соответствовать общепринятым нормам);

• отсутствие потребности в регенераторах на сравнительно больших расстояниях повышает общую надежность системы и ее производительность;

• для HDSL-оборудования не требуется отдельная диагностическая аппаратура;

• передовая схемотехника обеспечивает высокую устойчивость HDSL-линий к различного рода помехам, в том числе переходным; коэффициент ошибок HDSL сопоставим с показателями оптоволоконных линий, что достигается применением сигнальных процессоров и адаптивной обработки сигналов.

Еще одно преимущество HDSL-устройств – слабое электромагнитное влияние на другие пары кабеля. Так, в многожильном кабеле возможно использование до 80 % пар.

ITU-T стандартизировал технологию HDSL (рекомендация G.991.1).

Наряду с линейным кодированием 2B1Q в технологиях xDSL используется амплитудно-фазовая модуляция без несущей (Carrierless Amplitude Phase Modulation – модуляция CAP). Может применяться низкоскоростная модуляция множества (обычно 256) поднесущих, на которые разбивается вся доступная полоса частот. Этот метод носит название DMT (Discrete Multi-Tone). Энергетические спектры линейных сигналов, обеспечиваемые различными технологиями, показаны на рис. 9.21.

Рис. 9.21. Энергетические спектры линейных сигналов

Главное внимание в дальнейшей работе по развитию технологии xDSL уделялось сокращению требуемых для передачи пар проводов при сохранении повышенной (по сравнению с ЦСП ИКМ) дальности связи без регенераторов. В середине 90-х годов появились системы SDSL, Single Line Digital Subscriber Line - оборудование цифровой абонентской линии для одной пары проводов. Спецификация SDSL включена в рекомендацию G.991.1 ITU-T.

Технология ADSL (Asymmetric DSL) разрабатывалась в начале 90-х годов. Первоначально планировалось обеспечить с ее помощью предоставление телефонными компаниями услуг видео по запросу VoD. С этой целью перед разработчиками была поставлена задача добиться быстродействия в 6 Мбит/с (на такой скорости возможна трансляция видеосигналов в реальном времени). Системы ADSL с самого начала предназначались для потребительского рынка, поэтому они должны были обеспечивать дальность связи на расстоянии до 6 км (85 % абонентских линий имеют длину менее 6 км).

К сожалению, современный уровень развития электроники не дает возможности удовлетворить вышеназванные требования при симметричной передаче (с одинаковой скоростью в двух направлениях). Однако для предоставления услуги видео по запросу не нужно передавать большие объемы данных в восходящем направлении (от пользователя к АТС). По расчетам инженеров для передачи запросов на показ того или иного фильма, а также команд управления трансляцией достаточно иметь скорость передачи 16 кбит/с. В результате первые ADSL-устройства работали в нисходящем направлении со скоростью 6 Мбит/с, а в восходящем – со скоростью 16...64 кбит/с; при этом связь обеспечивалась приблизительно на требуемые 6 км.

Попытки развернуть службы видео по запросу на базе ADSL потерпели коммерческий крах. Наряду с большим количеством выявленных технических проблем отрицательную роль сыграла и значительная цена ADSL-аппаратуры.

Однако, с началом бурного развития сети Internet производители ADSL-оборудования сразу разглядели связанные с этим перспективы и начали разрабатывать ADSL-устройства второго поколения, в первую очередь ориентированные на обслуживание доступа в Internet. Ориентация на удаленный доступ сказалась прежде всего в том, что было снижено быстродействие в нисходящем направлении до 1,5 Мбит/с, но зато поднята скорость в восходящем направлении до 640 кбит/с. Также уменьшилась стоимость продуктов.

В новом поколении ADSL-устройств стали применяться так называемые частотные разделители (POTS splitter). Это дополнительное устройство (фактически, вилка фильтров ФНЧ/ФВЧ) обеспечивает передачу в нижней части спектра сигналов аналоговой телефонии.

Устройства RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line), автоматически изменяют скорость обмена данными в зависимости от текущего состояния линии. Разработка таких устройств была обусловлена результатами первых массовых испытаний ADSL. При временных ухудшениях параметров физической среды оборудование с фиксированной скоростью прекращало работать. Были созданы устройства, которые при изменении состояния среды не отключаются, а понижают скорость передачи; при восстановлени прежних параметров они автоматически переходят на максимально возможную скорость. Кроме того, в устройствах RADSL появилась возможность изменять быстродействие модемов в каждом направлении в зависимости от потребностей пользователя. Например, сначала устанавливается симметричный канал 64 кбит/с. С ростом потребностей возможно постепенно повышать быстродействие канала, сохраняя ранее сделанные инвестиции.

В последнее время практически все ADSL/RADSL-устройства оснащаются портом Ethernet. Это позволяет использовать на АТС и других узлах доступа обычные концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы. Таким образом, перенаправление DSL-трафика в сети ATM, frame relay или на основе каналов Т1/Е1 не вызывает дополнительных сложностей. На объектах пользователей DSL-модемы легко подключаются к локальной сети. Ряд производителей начал снабжать станционные модемы и DSL-мультиплексоры (DSLAM) интерфейсами ATM, что позволяет напрямую подключать их к ATM-коммутаторам территориально-распределенных сетей.

Консорциум Universal ADSL Working Group (UAWG) предложил стандарт Universal ADSL (UADSL). В соответствии со стандартом абонентское устройство должно стоить менее 300 долл., устанавливаться в качестве платы расширения в ПК пользователя, поддерживать спецификации plug-and-play и обеспечивать постоянное соединение с провайдером услуг. Частотный разделитель должен являться интегрированной частью оборудования, а не отдельным устройством, которое усложняет и удорожает процесс установки DSL-линии и ее эксплуатацию. Максимальная скорость может не превышать 1,5 Мбит/с. Данный стандарт проходит процедуру стандартизации в ITU-T.

Рассмотрим еще несколько технологий семейства xDSL.

IDSL (ISDN DSL). С точки зрения пропускной способности и используемых схем сигнализации IDSL практически не отличается от каналов основного доступа ISDN. На абонентской стороне может использоваться стандартное оборудование ISDN. Главное преимущество – освобождение АТС ISDN от несвойственных ей функций передачи данных.

VDSL (Very-high-rate DSL). Самая быстродействующая из технологий xDSL, поддерживающая скорости передачи в нисходящем направлении до 52 Мбит/с. VDSL считается экономически эффектной альтернативы ВОЛС, хотя неизбежной платой за высокую пропускную способность являются сильные территориальные ограничения: для скорости 51,84 Мбит/с максимальная длина передачи составляет всего 300 м. В качестве потенциальных приложений этой высокоскоростной технологии ее сторонники называют телевидение высокой четкости HDTV, видео по запросу VoD и т.п.

HDSL-2 является развитием исторически первого представителя семейства xDSL-технологии HDSL. В новой технологии предложен более совершенный алгоритм линейного кодирования, состоящий в значительном усложнении кодирующей матрицы. Основное преимущество новой технологии перед стандартным вариантом HDSL заключается в том, что для передачи данных с прежней скоростью (1,544 или 2,048 Мбит/с) и на то же расстояние (максимум 4 км) достаточно одной витой пары. А это означает, что реализация HDSL-2 на «двухпарных» линиях позволяет удвоить пропускную способность либо заметно увеличить протяженность непрерывных физических соединений. Новые возможности HDSL-2 позволяют надеяться на то, что спектр приложений этой технологии окажется шире, чем у ее предшественника. Помимо традиционных сфер использования каналов Т1/Е1, в их числе можно назвать высокоскоростной доступ к Internet и видеоконференц-связь. Допустимые скорости передачи находятся в диапазоне от 160 Кбит/с до 2,3 Мбит/с; технология HDSL-2 поддерживает использование пассивных частотных разделителей, а также программирование режима передачи - с настраиваемой или с фиксированной скоростью. По имеющимся оценкам стоимость развертывания линий HDSL-2 практически не будет отличаться от аналогичного показателя для HDSL.

Основным требованием к линейным кодам волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) является использование только двух значащих уровней сигнала в связи с тем, что источник излучения (лазер или светодиод) работает в двух мощностных режимах: наличие или отсутствие излучения. Применение непосредственно кодов NRZ и RZ в ВОСП ограничено. Большее распространение получили коды с корреляционными связями, в частности код CMI или код с поочередной инверсией единиц. В коде CMI нули передаются последовательно сменой нуля и единицы на одном тактовом интервале, а единицы – попеременным последовательным сочетанием двух нулей или двух единиц. В высокоскоростных системах применяется скремблированный сигнал в формате NRZ.

СКРЕМБЛИРОВАНИЕ

Смысл скремблирования состоит в получении последовательности, в которой статистика появления нулей и единиц приближается к случайной, что позволяет удовлетворять требованиям надежного выделения тактовой частоты и постоянной, сосредоточенной в заданной области частот спектральной плотности мощности передаваемого сигнала. Заметим, что скремблирование широко применяется во многих видах систем связи для улучшения статистических свойств сигнала. Обычно скремблирование осуществляется непосредственно перед модуляцией.

Скремблирование (от англ. слова to scramble – перемешивать) производится на передающей стороне с помощью устройства – скремблера, реализующего логическую операцию суммирования по модулю 2 исходного и преобразующего псевдослучайного двоичных сигналов. На приемной стороне осуществляется обратная операция - дескремблирование устройством, называемым дескремблером. Дескремблер выделяет из принятой исходную последовательность. Основной частью скремблера является генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) в виде линейного n-каскадного регистра с обратными связями, формирующий последовательность максимальной длины 2ⁿ-1.

Различают два основных типа скремблирования: самосинхронизирующееся (СС) и с установкой (аддитивное).

Особенностью СС скремблера (рис. 9.22) является то, что он управляется скремблированной последовательностью, т.е. той, которая передается в канал. Поэтому при данном виде скремблирования не требуется специальная установка состояний скремблера и дескремблера; скремблированная последовательность записывается в регистры сдвига скремблера и дескремблера, устанавливая их в идентичное состояние. При потере синхронизма между скремблером и дескремблером время восстановления синхронизма не превышает числа тактов, равного числу ячеек регистра скремблера.

Рис.9.22. Структурная схема самосинхронизирующихся скремблера и дескремблера

На приемном конце выделение исходной последовательности происходит путем сложения по модулю 2 принятой скремблированной последовательности с ПСП регистра. Например, для схемы рис.9.22 входная последовательность a_k с помощью скремблера в

соответствии с соотношением b_k = a_k  (b_k-6  b_k-7) преобразуется в посылаемую двоичную последовательность b_k. В приемнике из этой последовательности таким же регистром сдвига, как на приеме, формируется последовательность a_k = b_k  (b_k-6  b_k-7). Эта последовательность на выходе дескремблера идентична первоначальной последовательности.

Как следует из принципа действия схемы, при одной ошибке в последовательности Ь_к ошибочными получаются также последующие шестой и седьмой символы (в данном примере). В общем случае влияние ошибочно принятого бита будет сказываться (a+1) раз, где a – число обратных связей. Таким образом, СС скремблер обладает свойством размножения ошибок. Данный недостаток ограничивает число обратных связей в регистре сдвига; практически это число не превышает двух. Второй недостаток СС скремблера связан с возможностью появления на его выходе при определенных условиях так называемых критических ситуаций, когда выходная последовательность приобретает периодический характер с периодом, меньшим длины ПСП. Чтобы предотвратить это, в скрембпере и дескремблере согласно рекомендациям ITU-T предусматриваются специальные дополнительные схемы контроля, которые выявляют наличие периодичности элементов на входе и нарушают ее.

Недостатки, присущие СС скремблеру, практически отсутствуют при аддитивном скремблировании (рис. 9.23), однако здесь требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и дескремблера. В скремблере с установкой (АД скремблере), как и в СС скремблере, производится суммирование входного сигнала и ПСП, но результирующий сигнал не поступает на вход регистра. В дескремблере скремблированный сигнал также не проходит через регистр сдвига, поэтому размножения ошибок не происходит.

Суммируемые в скремблере последовательности независимы, поэтому их период всегда равен наименьшему общему кратному длительности периодов входной последовательности и ПСП, и критическое состояние отсутствует. Отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимости в специальной логике защиты от нежелательных ситуаций делают способ аддитивного скремблирования предпочтительнее, если не учитывать затраты на решение задачи фазирования скремблера и дескремблера. В качестве сигнала установки в ЦСП используют сигнал цикловой синхронизации.

Рис. 9.23. Структурная схема аддитивных скремблера и дескремблера