4.2. Регенераторы цифровых сигналов

Регенерация формы цифрового сигнала. Проходя через среду распространения, цифровой сигнал ослабляется и подвергается искажению и воздействию помех, что приводит к изменению формы и длительности импульсов, изменению случайным образом времен­ ных интервалов между импульсами, уменьшению амплитуды им­пульсов. Задача регенератора — восстановить амплитуду, форму, длительность каждого импульса цифрового сигнала, а также ве­личину временных интервалов между соседними символами.

Рис. 4.7. Преобразователи кода пе­редачи и приема цифрового квази­троичного кода ЧПИ:

а — функциональная схема и диаграмма работы ПК передачи; б — функциональ­ная схема и диаграмма работы ПК приема

В кабельных ЦСП линейный сигнал чаще всего передается в виде комбинаций импульсов поостоянного тока и пробелов, что уп­рощает реализацию регенераторов. В то же время регенераторы кабельных систем являются наиболее распространенным элемен­том современных цифровых сетей. Исходя из сказанного выше рассмотрим регенерацию цифрового сигнала, представляющего со­бой комбинацию импульсов и пробелов (единиц и нулей). Структу­ра регенератора представлена на рис. 4.8, а.

Рис. 4.8. Принцип регенерации циф­рового двоичного сигнала

Искаженный цифровой сигнал из кабельной цепи поступает на усилитель-корректор УК, обеспечивающий частичную или полную коррекцию формы импульсов, и регистрируется решающим устрой­ством РУ. Решающее устройство представляет собой пороговую схему, которая срабатывает, если уровень сигнала на его входе превышает пороговый уровень РУ, и не срабатывает, если уровень входного сигнала меньше уровня порога. Пороговое напряжение может подаваться извне или вырабатываться в схеме РУ. При по­ступлении импульса на выходе РУ появляется управляющий сиг­нал, а в случае 0 (пробела) состояние РУ не изменяется. Форми­рующее устройство ФУ обеспечивает формирование по сигналам РУ импульсов с принятыми для конкретной системы стандартными параметрами.

В приведенной выше схеме, характерной для современных ре­генераторов, регистрация входящего сигнала и принятие решения о его значении осуществляются по каждому символу в отдельности (возможно принятие решений по всей кодовой комбинации или по циклу, так называемый «прием в целом»), что значительно упро­щает реализацию схемы регенератора. Однако при этом требуется введение устройства тактовой синхронизации УТС, которое долж­но обеспечить принятие решений на определенных временных ин­тервалах. Эти интервалы выбираются в пределах участков такто­вого интервала, на которых принимаемый импульс имеет мини­мальные искажения, так как выбор момента регистрации в менее искаженной части импульса гарантирует верность принятия реше­ния РУ.

Верность принимаемых РУ решений зависит, в первую очередь, от способа обнаружения двоичного сигнала и качества работы УТС. При безошибочной работе РУ каждому входному импульсу соответствует выходной, а каждому «пробелу» на входе — «про­бел» на выходе. Однако из-за присутствия на входе РУ различных помех, несовершенства устройства тактовой синхронизации и дру­гих причин в процессе регенерации возможны ошибки, выражаю­щиеся в преобразовании 1 на входе регенератора в 0 на выходе и наоборот входного 0 в выходную 1.

Рассмотрим временные диаграммы, поясняющие принцип реге­нерации цифрового сигнала (рис. 4.8).

Входной сигнал, пройдя регенерационный участок (рис. 4.8, б), искажается, форма его изменяется и на входе УК (рис. 4.8, в) она уже сильно отличается от исходной. Усилитель-корректор, устра­няя амплитудно-частотные искажения цепи, корректирует форму импульсов, обеспечивая более крутые фронты, что облегчает про­цесс принятия решения в РУ. Форма сигнала на входе РУ пред­ставлена на рис. 4.8, г, здесь же штриховой линией, показан поро­говый уровень РУ. Ца рис. 4.8, д показаны сигналы тактовой синхронизации. Из рисунка видно, что сигналы УТС размещаются в центрах тактовых интервалов, на которых входные сигналы РУ имеют максимальное значение и наименее искаженную форму, т. е. обеспечивается максимальное превышение сигнала над помехой, а следовательно, и верность регистрации. Из рисунка также ясно, что смещение синхросигнала может привести к ошибке регенера­ции. Не исключается ошибочное решение и при правильном распо­ложении тактовых синхроимпульсов. Такой случай возможен, если полярность помехи противоположна полярности импульса, а ее аб­солютная величина больше порогового значения. Тогда уровень импульса, искаженного помехой, будет ниже порогового уровня, что при регенерации приведет к ошибке. Если при отсутствии им­пульса уровень помехи окажется выше порогового, это также при­ведет к ошибке.

Построение регенераторов. Регенераторы современных ЦСП классифицируются по методу регистрации импульсов, виду такто­вой синхронизации, методам получения колебания тактовой часто­ты и использования синхросигнала в процессе регенерации им­пульсов.

По методам регистрации импульсов различают ре­генераторы с однократным и многократным стробированием им­пульса цифрового сигнала. Практическое применение благодаря достаточной простоте реализации узлов регистрации нашли реге­нераторы с однократным стробированием, в которых на протяже­нии одного символа цифрового сигнала берется один отсчет и с помощью РУ устанавливается наличие 1 или 0 на входе регенера­тора.

По видам синхронизации различают регенераторы с внешней и внутренней синхронизациями.

При использовании внешней синхронизации цифровой сигнал в оконечном оборудовании линейного тракта объединяют с синхро­сигналом, получаемым от специальных УТС. При внешней синхро­низации возможна также передача сигналов тактовой синхрониза­ции по отдельному тракту. Оба способа внешней синхронизации требуют значительного усложнения оборудования системы и неэко­номичны. Передача синхросигнала по отдельному тракту связана с необходимостью выравнивания группового времени распростране­ния для информационных и синхротрактов. Совместная передача цифрового и синхросигналов кроме усложнения оборудования пере­дачи приводит к усложнению схем регенераторов из-за необходи­мости осуществления процессов выделения тактовой частоты, по­давления на входе регенератора составляющих цифрового сигнала, близких к тактовой частоте, объединения на выходе регенератора цифрового сигнала и сигнала тактовой синхронизации.

Исходя из этого на практике чаще всего используются регене­раторы с внутренней синхронизацией, в которых тактовая синхро­низирующая частота выделяется из цифрового сигнала. В зависимости от способа получения тактовой частоты регенераторы с внутренней синхронизацией подразделяются на регенераторы с пас­сивной и активной фильтрацией тактовой частоты.

Рис. 4.9. Структурные схемы устройств тактовой синхронизации регенераторов

При активной фильтрации для формирования колеба­ния тактовой частоты используются генераторы с фазовой автопод­стройкой либо генераторы, синхронизируемые входящим цифровым сигналом. При пассивной фильтрации для выделения ко­лебания тактовой частоты используются избирательные цепи типа резонансных контуров, многоконтурных схем, фильтров.

Типовая структура УТС регенератора с внутренней синхрониза­цией и пассивной фильтрацией тактовой частоты представлена на рис. 4.9, а.

Устройство нелинейного преобразования НП входного сигнала позволяет получить в спектре преобразованного сигнала составля­ющую с частотой, равной тактовой /_т, которая может быть выде­лена устройством фильтрации тактовой частоты ФТЧ и направ­лена в формирователь стробирующих импульсов ФСИ. Формирова­тель стробирующих импульсов формирует импульсы с частотой следования, равной выделенной /_т, определяющей промежутки времени стробирования для РУ и управляющей работой форми­рующего устройства ФУ.

При активной фильтрации структура УТС несколько видоизме­няется (рис. 4.9, б). Ток тактовой частоты с выхода ФТЧ поступает на ФД, на второй вход которого подается тактовый сигнал от мест­ного генератора тактовой частоты ГТЧ. Фазовый детектор выра­батывает управляющее напряжение U_y, пропорциональное разно­сти фаз сигналов на входах ФД, которое поступает на вход цепи фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ. Изменение параметров цепи ФАПЧ приводит к изменению частоты сигнала ГТЧ, при этом меняется разность фаз сигналов на входах ФД и напряжение U_y. Процесс продолжается до тех пор, пока частоты сигналов ГТЧ и ФТЧ не выравниваются, при этом 0_У = 0.

В регенераторах с внутренней синхронизацией синхросигнал мо­жет быть получен как из входной импульсной последовательности регенератора, так и из выходного сигнала регенератора. В первом случае регенератор носит название регенератора прямого действия (рис. 4.10, а), во втором — обратного действия (рис. 4.10, б).

Рис. 4.10. Варианты построения регенераторов однополярных цифровых сигналов

В связи с тем, что устойчивость регенератора обратного дейст­вия ниже устойчивости регенератора прямого действия из-за на­личия контура обратной связи, на практике чаще используют ре­генераторы прямого действия.

Известны три способа использования сигналов тактовой син­хронизации в процессе регенерации импульсов цифрового сигнала:

перемножение регенерируемого сигнала с сигналом синхрони­зации с помощью схем логического умножения;

сложение регенерируемого сигнала с сигналом синхронизации;

перемножение сигналов с последующим сложением полученно­го результата с сигналом синхронизации или линейным сигналом.

Наибольшее распространение получили регенераторы с РУ, осу­ществляющими перемножение регенерируемого сигнала с сигна­лом тактовой синхронизации (рис. 4.11). В таких регенераторах РУ осуществляет стробирование сигнала на его входе в моменты времени, определяемые УТС, в этом случае схема регистрации по­зволяет полностью восстановить временные интервалы между сим­волами цифрового сигнала, так как они полностью определены моментами появления стробирующих импульсов на выходах УТС. Длительность стробирующего импульса обычно во много раз мень­ше длительности регистрируемого символа цифрового сигнала.

В высокоскоростных ЦСП выработка стробирующих импульсов в регенераторах сильно затруднена, так как их длительность ока­зывается значительно меньше длительности очень коротких эле­ ментарных символов цифрового сигнала. В данном случае приме­няют регистрацию с частичным восстановлением временных соот­ношений цифрового сигнала. При этом в РУ осуществляется сло­жение входящего цифрового сигнала с сигналом тактовой частоты, вырабатываемым УТС. В дальнейшем из напряжения суммарного сигнала вычитается пороговое напряжение, что позволяет опреде­лить значение регенерируемого символа. В некоторых случаях возможно применение комбинации двух рассмотренных выше ме­тодов.

Рис. 4.11. Регенератор со стробиро- Рис. 4.12. Регенератор квазитроичных

ванием сигнала цифровых сигналов

Рис. 4.13. Система АРУ и АРП

Рассмотренные выше структуры регенераторов предназначены для восстановления однополярных цифровых сигналов. Для восста­новления формы двухполярных сигналов регенератором должно быть предусмотрено два канала регенерации — отдельно для поло­жительных и отрицательных импульсов. Разделение импульсов в соответствии с полярностью наиболее просто реализуется с по­мощью дифференциальных трансформаторов.

Функциональная схема регенератора двухполярного квазитро­ичного сигнала представлена на рис. 4.12. В этой схеме усилитель-корректор УК обеспечивает усиление и коррекцию двухполярного цифрового сигнала. Трансформатор Tpi имеет вторичную обмотку с заземленной средней точкой, благодаря чему положительные им­пульсы на входе регенератора создают положительный потенциал на входе РУь а отрицательные — положительный потенциал на входе РУ₂. В моменты, определяемые стробирующими импульсами, поступающими от УТС, срабатывает то из двух РУ, на входе кото­рого положительный потенциал превышает пороговое значение. Формирующие устройства ФУ] и ФУ₂ обеспечивают формирование импульсов с заданными параметрами. В первичной обмотке транс­форматора Тр₂ токи с выходов ФУ, и ФУ₂ имеют противоположные направления, что позволяет формировать двухполярный сигнал на выходе регенератора.

Температурные изменения затухания регенерационного участка, а также изменения затухания, вызванные отклонением длин реге-нерационных участков от номинального значения, приводят к из­менению уровней сигналов на входе УК, а следовательно, и на входе РУ. Это может вызвать неверное опознавание значения сим­вола. Исключить данное явление можно либо изменением порогового уровня РУ в зависимости от уровня сигнала на выходе УК, либо стабилизацией амплитуды скорректированного импульса на выходе УК за счет изменения его усиления при изменении затуха­ния регенерационного участка. В первом случае применяют схему автоматической регулировки порогового уровня (АРП) решающе­го устройства, во втором — схему автоматической регулировки уси­ления (АРУ) в УК. В некоторых регенераторах используют обе схемы (рис. 4.13).

При использовании схемы АРУ регуляторы усиления могут быть размещены как на входе УК (Peri), так и в цепи ООС—УК (Регг). Чаще реализуется первый вариант, обеспечивающий боль­шой диапазон регулировки. Поскольку уровень цифрового сигнала на входе регенератора всецело определяется затуханием регенера­ционного участка (в аналоговых системах уровень сигнала на вхо­де НУП зависит от его уровня на выходе оконечного пункта пере­дачи, тогда как в ЦСП этот уровень не меняется), из экономиче­ских соображений целесообразно использовать наиболее про­стую— электрическую систему АРУ по уровню входящего сигнала. Блок АРУ в регенераторах в зависимости от уровня сигнала на выходе УК вырабатывает сигнал управления регенератором Упр. рег. В блоке АРП определяется уровень входного сигнала и выра­батывается соответствующее пороговое напряжение для РУ.

Применение АРУ и АРП позволяет варьировать длины регене­рационных участков в больших пределах, упрощая строительство линии передачи, настройку и эксплуатацию линейного тракта (в частности, отпадает необходимость в использовании искусственных линий).

Параметры регенераторов. Основным параметром регенератора является коэффициент ошибок Кош, определяемый как отношение числа ошибочно регенерированных символов Л/_ош к общему числу символов N₀:

K_om = N_On/N₀. (4.1)

В каждой конкретной системе передачи для номинальной длины регенерационного участка задается минимально допустимое значе­ние Кош-

В некоторых случаях в качестве основного параметра исполь­зуется значение помехоустойчивости. Под помехоустойчи­востью регенератора понимают то минимальное значение защищенности Л_37Ш„ на входе регенератора, при которой обеспе­чивается заданный Кош- Помехоустойчивость оценивается с учетом ухудшающих работу регенератора факторов—неточности коррек­ции, нестабильности тактовой частоты, наличия зоны неопределен­ного решения РУ.

Для оценки качества коррекции импульсов УК регенератора и возможности достоверной регистрации импульса цифрового сигна­ла используются так называемые глаз-диаграммы. Глаз-диаграмма — это график или картинка на экране осциллографа, состоящая из системы наложенных друг на друга всех возможных вариантов цифрового сигнала в интервале времени, равном двум тактовым интервалам.

Рис. 4.14. Характеристика для оценки помехоустойчивости регенераторов (глаз-диаграмма)

На рис. 4.14 представлен вариант глаз-диаграммы. Точка Р графически фиксирует опознавание импульса в центре тактового интервала на уровне, равном половине его амплитуды. Разность ДС/р между уровнями регистрируемого импульса и соседнего, соз­дающего максимальную по величине межсимвольную помеху, на­зывается раскрывом глаз-диаграммы. Чем больше раскрыв, тем больше допустимый уровень аддитивной помехи, при которой бу­дет принято правильное решение. Следовательно, увеличение рас-крыва снижает коэффициент ошибок регенератора, а его уменьше­ние приводит к росту Кош- Отметим, что раскрыв уменьшается при смещении момента регистрации от центра импульса (точка Р сме­щается влево или вправо).