Многоканальная цифровая система передачи информации

В соответствии с изменениями условий жизни, развитием культуры и техники средства общения между людьми (средства связи) непрерывно совершенствуются. В настоящий момент средства связи стали неотъемлемой частью производственного процесса и нашего быта. Современные системы связи должны не только гарантировать быструю обработку и высокую надежность передачи информации, но и обеспечивать выполнение этих функций наиболее экономическим способом.

Любая информация передается по каналам связи, в состав которых входят: передатчик, линия связи и приемник. Линией связи называется среда распространения электромагнитных волн, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Такой средой могут быть воздушная, кабельная, радиорелейная линии связи, волноводы, световоды и т. д. Совокупность источника сообщений, передатчика, линии связи, приемника и получателя сообщений образует систему связи. Из всех элементов системы наибольший процент стоимости приходится на линии связи. Поэтому встает проблема разработки таких систем и методов, которые позволяют одновременно передавать по одной физической цепи (например, паре кабеля) большое число независимых сообщений, т. е. использовать линию многократно. Такие системы передачи называются многоканальными телекоммуникационными. Связь, осуществляемую с помощью этим систем, принято называть многоканальной.

Основными задачами, которые решаются при создании многоканальной связи, являются увеличение дальности связи и числа каналов и обеспечение высокого качества передачи информации.

Современная система передачи информации — сложное устройство, и его создание связано с огромными затратами средств. Поэтому при проектировании нужно учитывать перспективы развития техники связи и предусматривать возможность использования таких систем в составе сложных информационных комплексов, систем связи и т. д.

Наиболее перспективными признаются волоконно-оптические системы передачи (ВОСП). По сравнению с системами, работающими по электрическому кабелю, ВОСП обладают рядом преимуществ, основными из которых являются: широкая полоса пропускания, позволяющая организовывать требуемое число каналов по одному волоконно-оптическому тракту; возможность предоставления абоненту наряду с телефонной связью других видов услуг (телевидение, телефакс, широкополосное радиовещание, различные телематические и справочные службы, реклама, местная связь и др.); высокая защищенность от электромагнитных помех; малое километрическое затухание и, следовательно, возможность увеличения длины регенерационного участка; значительная экономия цветных металлов и потенциально низкая стоимость оптического кабеля.

Усложнение и совершенствование систем передачи информации и расширение областей их применения заставляет уделять большое внимание вопросам стандартизации и унификации параметров систем в международном масштабе. Разработкой рекомендаций и приложений в области передачи информации занимается ряд организаций: международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии, международная организация по стандартизации (МОС) и др.

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Основные требования технического задания Согласно техническому заданию необходимо спроектировать многоканальную цифровую систему передачи информации отвечающую следующим основным требованиям:

а) количество каналов — 480;

б) ширина эффективно — передаваемой полосы частот — 300−3400 Гц;

в) вид модуляции — ИКМ;

г) вид линии связи — ВОЛС;

д) длина волны — 1,3 мкм;

е) максимальная дальность — 600 км;

Учет всех требований в совокупности и каждого в отдельности показывает, что создание такой системы является сложной задачей.

1.2 Вид передаваемого сообщения Задачей техники многоканальной связи является одноили двусторонняя передача на большие расстояния различного рода информации. Все виды информации, передаваемые с помощью средств электрической связи, можно разделить на две группы: сообщения и данные.

К сообщениям относится информация, воспринимаемая органами чувств одного или нескольких человек. Сообщениям свойственна так называемая избыточность, т. е. Наличие в данной информации элементов, несущественных для правильного понимания ее содержания. Такие элементы могут быть отброшены без потери смысла передаваемой информации.

К данным относится информация, передаваемая в виде целесообразно выбранных символов, пригодных для машинной обработки, и бедная или не обладающая избыточностью.

Сообщения, передаваемые по каналам связи, преобразуются передатчиком в непрерывные (аналоговые) или дискретные (прерывистые) электрические сигналы или сигналы электросвязи (первичные сигналы). К последним относятся: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных.

Телефонный (речевой) сигнал. Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости pтa и носа. Частота импульсов основного тона лежит в пределах от 50… 80 Гц (бас) до 200… 250 Гц (женский и детский голоса). Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40), причем их амплитуды убывают с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву. При разговоре частота основного тона меняется в значительных пределах. Высокое качество передачи телефонного сигнала характеризуется уровнем громкости, разборчивостью, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Эти факторы определяют требования к телефонным каналам.

Основными характеристиками телефонного сигнала являются: мощность телефонного сигнала Р_тлф. Согласно данным МККТТ (Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии) средняя мощность телефонного сигнала в точке с нулевым измерительным уровнем на интервале активности составляет 88 мкВт. С учетом коэффициента активности (0,25) средняя мощность телефонного сигнала равна 22 мкВт. Кроме речевых сигналов в канал поступают сигналы управления, набора номера, вызова и т. д. С учетом этих сигналов среднюю мощность телефонного сигнала принимают равной 32 мкВт, что соответствует уровню Рср= -15 дБмО. Коэффициент активности телефонного сообщения, т. е. отношение времени, в течение которого мощность сигнала на выходе канала превышает заданное пороговое значение, к общему времени занятия канала для разговора. При разговоре каждый из собеседников говорит приблизительно 50% времени. Кроме того, отдельные слова, фразы отделяются паузами. Поэтому коэффициент активности составляет 0,25 … 0,35; динамический диапазон телефонного сигнала — десять десятичных логарифмов отношения максимальной мощности к минимальной (разность между максимальным и минимальным уровнями сигнала). Для телефонного сигнала составляет 35…40 дБ пик фактор составляет 14 дБ. При этом максимальная мощность, вероятность превышения которой исчезающе мала, равна 2220 мкВт (+3,5 дБм). Энергетический спектр речевого сигнала — область частот, в которой сосредоточена основная энергия сигнала. Речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50… 100 до 8000…10 000 Гц. Установлено, однако, что качество речи получается вполне удовлетворительным при ограничении спектра частотами 300… 3400 Гц. Эти частоты приняты МККТТ в качестве границ эффективного спектра речи. При указанной полосе частот разборчивость составляет около 90%, разборчивость фраз—более 99% и сохраняется удовлетворительная натуральность звучания.

1.3 Принципы построения и основные особенности волоконно-оптических систем передачи В наиболее общем виде принцип передачи информации в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) можно пояснить с помощью рис. 1.1. На передающей стороне на излучатель света, в качестве которого в ВОСП используется светодиод или полупроводниковый лазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для передачи по линии связи. Этот сигнал модулирует оптическое излучение источника света, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический. На приемной стороне оптический сигнал из О.В. вводится в фотодетектор (ФД). В современных ВОСП в качестве ФД используют p-i-n или лавинный фото диод (ЛФД).

Фотодетектор преобразует падающее на него оптическое излучение в исходный электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель (регенератор) и отправляется получателю сообщения.

Принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи Выбор элементной базы при реализации ВОСП и параметры её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ установлены правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи.

Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени объединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую предыдущей ступени рис. 1.2. Цифровые сигналы во вторичной, третичной, и т. д. системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем. Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи для различных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов), третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах цифровых сигналов электрической связи (в этом же порядке присвоены названия системам ИКМ) /9/.

Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером, то есть преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рис. 1.3). Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статистических свойств источника информации.

Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществляется при помощи аппаратуры электрического стыка.

Рис. 1.2 Типы иерархий цифровых систем передачи.

1.4 Линейные коды ВОСП Оптическое волокно, как среда передачи, а также оптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают ограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в линейный тракт. По этому между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во первых, нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.

Рис. 1.3 Структурная схема волоконно-оптической системы передачи

Во вторых, вид энергетического спектра, который должен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части. Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от информационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал не искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника желательно иметь низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра подавленной, в противном случае для реализации оптимального приёма перед решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотной составляющей сигнала. Дело в том, что оптическая мощность, излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко стабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные устройства, компенсирующие эти изменения.

В третьих, для выбора кода существенно высокое содержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом устройстве. Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем больше переходов вида 0−1 или 1−0. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализации схемы выделения хронирующей информации, является сигнал, имеющий в энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В четвертых, код не должен иметь каких-либо ограничений на передаваемое сообщение и обеспечивать однозначную передачу любой последовательности нулей и единиц.

В пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления ошибок. Основной величиной, характеризующей качество связи, является частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, чтобы контролировать качество связи.

Кроме вышеперечисленных требований на выбор кода оказывает влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малая стоимость оборудования линейного тракта.

В современных оптоволоконных системах связи для передачи в качестве линейного кода используется код CMI, отвечающий большинству вышеперечисленных требований. Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования и возможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью узкополосного фильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен на рис. 1.4). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ -1 -в кодовое слово 00, символ 0 -в 01. Из рисунка видно, что для CMI характерно значительное число переходов, что свидетельствует о возможности выделения последовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеют ограниченное значение. Это позволяет контролировать величину ошибки достаточно простыми средствами. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух — трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачи служебных сигналов. Применяя для этой цели запрещенный в обычном режиме блок 10, а также нарушение чередований 11 и 00 /2/.

Рис. 1.4 Принцип построения кода CMI из HDB-3

1.5 Источники света ВОСП

Источники света волоконно-оптических систем передачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных типов модуляции света, иметь малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с максимальной эффективностью. Для ВОСП потенциально пригодны твердотельные лазеры, в которых активным материалом служит иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой (например СИД), у которого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом режиме с низким уровнем шума являются плюсами данного типа источников. Однако большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

1.6 Детекторы ВОСП

Функция детектора волоконно-оптических систем передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем, как правило, подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектор должен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, Ф.Д. должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для применения в волоконно-оптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры. Тем не менее, лавинные фотодиоды успешно применяются в ряде современных ВОСП.

1.7 Оптические кабели ВОСП

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0,8 до 1,6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно расширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами волн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько световодов. Световод — это направляющая система для электромагнитных волн оптического диапазона. Практическое значение имеют только волоконные световоды, изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика: стекла или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси световода используется явление преломления и полного отражения в волокне с показателем преломления, уменьшающимся от оси к периферии плавно либо скачками. Световод состоит из оптического волокна и покрытия. Оптическое волокно (ОВ) из стекла изготавливается обычно с внешним диаметром 100 — 150 мкм. Конструкция ОВ показана на рис. 1.5. Оптическое волокно состоит из сердечника с показателем преломления n1 и оболочки с показателем преломления n2, причем n1>n2. Спецификой ОВ является их высокая чувствительность к внешним механическим воздействиям. Кварцевое оптическое имеет малый температурный коэффициент расширения, высокий модуль упругости и низкий предел упругого растяжения; при относительном удлинении 0,5 — 1,5% оно ломается. Обрыв волокна происходит в сечении, наиболее ослабленном микротрещинами, возникающими на его поверхности. Микротрещины развиваются при попадании на поверхность влаги, поэтому прочность непокрытого волокна быстро уменьшается, особенно во влажной атмосфере. Механические характеристики оптического волокна, поступающего на кабельное производство, столь же важны и подлежат такой же тщательной проверке, как и оптические его параметры.

Передача света по любому световоду может осуществляться в двух режимах: одномодовом и многомодовом. Одномодовым называется такой режим, при котором распространяется только одна основная мода.

Если неравенство (1.1) не удовлетворено, то в световоде устанавливается многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режима зависит от характеристик световода (а именно радиуса сердцевины и величины показателей преломления) и длины волны передаваемого света. Оптические волокна, предназначенные для работы в одномодовом режиме, называют одномодовыми оптическими волокнами. Соответственно ОВ для многомодового режима называют многомодовыми.

Рис. 1.5 Конструкция оптического волокна

(1.1)

где — длина волны передаваемого излучения, n1 и n2 — показатели преломления материалов световода.

Различают световоды со ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины n₁ одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные — с плавным профилем, у которых n₁ уменьшается от центра к периферии (рис. 1.6).

Фазовая и групповая скорости каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовый световод можно ввести большую мощность.

Рис. 1.6 Показатели преломления ступенчатого и градиентного типа волокон Оптические волокна имеют очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1,55 мкм имеет затухание 0,154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более «прозрачные», так называемые фтороцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2,5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

Конструкция ОК-8 приведена на рис. 1.7. Оптические волокна 1 (многомодовые, ступенчатые) свободно располагаются в полимерных трубках 2. Скрутка оптических волокон — повивная, концентрическая. В центре — силовой элемент 3 из высокопрочных полимерных нитей в пластмассовой трубке 4. Снаружи — полиэтиленовая лента 5 и оболочка 6. Кабель ОК-4 имеет принципиально те же конструкцию и размеры, но четыре ОВ в нем заменены пластмассовыми стержнями.

Рис. 1.7 Конструкция оптического кабеля ОК

1.8 Цифровые виды модуляции Различают три метода цифрового представления непрерывных сигналов (цифровой модуляции) — импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ), разностную ИКМ, или ИКМ с предсказанием и дельта-модуляцию. Частный случай ИКМ с предсказанием — дифференциальная ИКМ (ДИКМ). Во всех случаях процедура цифровой модуляции состоит из трёх операций: дискретизации, квантования и кодирования. Дискретизация и квантование осуществляются на основе дискретизации с соблюдением условий теоремы Котельникова, а квантование — исходя из допустимого уровня шумов квантования. В то же время каждый метод модуляции обладает определёнными особенностями.

ИКМ — это наиболее распространённый метод цифровой модуляции. Непрерывный сигнал после дискретизации и квантования превращается в последовательность импульсов с квантованной амплитудой. Квантованный АИМ сигнал является дискретным, и хотя в принципе возможна его непосредственная передача по каналам связи, из-за относительно большой вероятности ошибки при регенерации многоуровневого сигнала в случае высокого уровня помех, такая передача нецелесообразна. Поэтому в системах ИКМ многоуровневый сигнал в процессе кодирования преобразуется в двоичный. Кодирование состоит в замене по определённому правилу каждого из импульсов с квантованной амплитудой кодовой группой двоичных символов. Поскольку выбор числа уровней квантования определяется допустимым шумом квантования, обычно приходится решать обратную задачу: определять минимально необходимое число разрядов кода, который может быть использован для кодирования при заданном числе квантованных уровней. В пункте приёма ИКМ сигнал подвергается обратному преобразованию в АИМ колебание (декодированию). Для этого непрерывный поток символов должен быть разделён на кодовые группы, каждая из которых соответствует одному отсчёту исходного сигнала. Декодированный сигнал аналогичен отсчётам исходного сигнала и выделяется с помощью ФНЧ. На рис 1.8 представлен амплитудный спектр АИМ при полосовом моделирующем сигнале с нижней и верхней частотами F1, F2 соответственно.

Из описанного принципа ИКМ следует, что при этом методе цифрового преобразования каждый отсчёт сигнала кодируется отдельно и соответственно каждая кодовая группа несёт информацию об одном отсчёте сигнала. Корреляционные связи, которые имеются в сигнале, никак не влияют на процесс кодирования и поэтому необходимое число уровней квантования при выбранном шаге квантования определяется только диапазоном изменения уровней входного сигнала. В то же время ясно, что при наличии корреляции между значениями сигнала в моменты дискретизации можно уменьшить требуемое число уровней квантования и снизить необходимую пропускную способность канала связи, не увеличивая при этом мощность шума квантования либо, сохраняя неизменным (по сравнению с ИКМ) число уровней квантования, уменьшить шум квантования. В данном случае квантуются и кодируются не мгновенные значения кодируемого сигнала в моменты дискретизации, а разность между действительным и предсказанным значениями сигнала в тактовый момент. Предполагается, что при наличии корреляционных связей между отсчётами разность, которую необходимо квантовать и кодировать, оказывается меньшей, чем абсолютные значения сигнала в моменты дискретизации.

Если предсказанное значение сигнала в i — тактовый момент принимается равным значению сигнала в предыдущий тактовый момент, то такой метод цифровой модуляции называется дифференциальной ИКМ (ДИКМ). Ширина спектра разностного сигнала совпадает с шириной спектра исходного сигнала. Поэтому при ДИКМ частота дискретизации выбирается, как и при ИКМ, исходя из теоремы Котельникова, а отсчёты разностного сигнала кодируются комбинациями из нескольких символов.

Рис. 1.8. Амплитудный спектр АИМ при полосовом модулирующем сигнале ИКМ В случае ДИКМ, как и при ИКМ, основным источником шумов является квантование. Но, в отличие от ИКМ, при этом методе отсутствуют шумы ограничения, поскольку результат процесса кодирования не зависит от абсолютного значения входного сигнала, но зато возможно появление другого вида искажений, так называемой перегрузки по крутизне, когда приращение сигнала за тактовый интервал чрезмерно велико.

Дельта-модуляция (ДМ) представляет собой разновидность систем с предсказанием, когда кодируется и передаётся в линию информация только о знаке приращения разности за тактовый интервал. Идея, положенная в основу ДМ, состоит в следующем. Величина разностного сигнала зависит от корреляции между значениями сигнала, сдвинутыми на тактовый интервал. По мере уменьшения тактового интервала корреляция между отсчётами сигнала возрастает и приращение разности уменьшается. Если выбрать такт настолько малым, что это разностное приращение не будет превышать одного шага квантования, то передачу разностного сигнала можно осуществить, используя одноразрядный код. Получающаяся при этом последовательность называется дельта-кодом. Из принципа кодирования следует, что ДМ представляет собой разновидность разностных систем с предсказанием, когда разностный сигнал является двухуровневым. Чтобы разность за один тактовый интервал не превышала шага квантования, частота дискретизации при ДМ должна выбираться значительно большей, чем при ИКМ и ДИКМ. Для ДМ, как и для других разностных схем, характерно возникновение перегрузки по крутизне, если величина разностного сигнала окажется больше шага квантования.

Приведённые описания цифровых методов модуляции показывают их глубокое единство. Наиболее общий метод — кодирование с предсказанием, частными случаями которого являются ДИКМ и ДМ. Метод ИКМ также можно рассматривать как кодирование с предсказанием, при котором предсказанное значение на каждом такте принимается равным нулю.

волоконный оптический связь цифровой

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЦИФРОВОЙ ВОСП

В настоящее время существует большое количество цифровых многоканальных систем передачи информации обладающих большой помехоустойчивостью, возможностью регенерации сигналов, что существенно уменьшает накопление помех и искажений и позволяет применять в аппаратуре элементы современной микроэлектроники.

Исходя из данных в техническом задании, в качестве каналообразующей аппаратуры можно выбрать типовое цифровое оборудование третичного временного группообразования системы ИКМ-480. Эта система предназначена для организации на внутризоновых и магистральных сетях связи пучков каналов по кабелю МКТ-4 с парами 1,2/4,6 мм, то есть линейный тракт организуется по однополосной четырехпроводной однокабельной схеме. Таким образом, заданную волоконно-оптическую систему передачи можно построить на базе стандартной системы ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.

2.1 Структурная схема организации связи Современные многоканальные цифровые системы связи строятся, главным образом на основе метода временного разделения сигналов.

Структурная схема организации региональной системы цифровой связи приведена на рис 2.1, где можно выделить оборудование формирования третичного цифрового потока со скоростью 34 368 Кбит/с и оборудование цифрового оптического линейного тракта. Оборудование формирования третичного потока содержит:

аналого-цифровое оборудование (на рис. 2.1 АЦО), которое обеспечивает преобразование информации передаваемой по каналам тональной частоты (ТЧ) в цифровой поток, передаваемый со скоростью 2,048 Мбит/с;

оборудование вторичного временного группообразования, ВВГ (на рис. 2.1 ВВГ), которое обеспечивает формирование цифровых потоков, соответствующих 120 каналам ТЧ, со скоростью передачи 8,448 Мбит/с;

оборудование третичного временного группообразования, ТВГ (на рис. 2.1 ТВГ), которое обеспечивает формирование цифровых потоков, соответствующих 480 каналам ТЧ со скоростью передачи 34,368 Мбит/с;

Оборудование линейного световодного тракта (ОЛСТ) — предназначено для преобразования сигналов на стыке между аппаратурой третичного временного группообразования и линейным световодным трактом, компенсации затухания участка кабельной линии, организации телеконтроля и служебной связи.

Оборудование цифрового оптического линейного тракта в своём составе имеет:

оборудование линейного тракта оконечное (ОЛТ-О) с выхода которого через станционный оптический кабель (ОК) и устройство стыка станционного и линейного ОК сигнал поступает на вход линейного ОК;

ОТМСС-О оборудование телемеханики (ТМ) и служебной связи (СС) оконечное;

необслуживаемые (НРП) и обслуживаемые (ОР) регенерационные пункты;

кассета преобразователя кода (КПК), выполняющая функции преобразования линейных кодов HDB-3 в коды CMI и обратно;

Групповой цифровой сигнал в стыковочном коде HDB-3 поступает на ОЛТ-O, которое обеспечивает:

формирование, передачу и прием линейного сигнала, поэтапное преобразование цифрового электрического сигнала из кодаHDB-3 в линейный код 5В6 В, электрического сигнала в оптический линейный сигнал, информационного оптического сигнала в электрический;

контроль линейного оборудования, линейного тракта;

— организацию служебной связи.

Аналого-цифровое оборудование (АЦО) предназначено для формирования 30 — канального цифрового сигнала с временным разделением каналов (первичного цифрового потока ПЦП) со скоростью 2048 кбит/с и формирования 30 сигналов ТЧ на приёме из первичного цифрового потока. Кроме указанных функций АЦО обеспечивает согласование низкочастотных окончаний каналов ТЧ с линейным оборудованием коммутационных систем, организацию сигнальных каналов и передачу сигналов дискретной информации в групповом цифровом потоке.

Рис. 2.1 Структурная схема организации связи

3. РАЗРАБОТКА ОКОНЕЧНОЙ СТАНЦИИ ПРОЕКТИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

3.1 Структурная схема оконечной станции

Структурная схема оконечной станции первичных СП с ИКМ для одного направления передачи показана на рис. 3.1.

Исходные сигналы U₁(t), U₂(t),…, U₃₀(t) от 1,2,…, 30 абонентов через ФНЧ поступают на канальные амплитудно-импульсные модуляторы (М), функцию которых выполняют электронные ключи. С помощью модуляторов осуществляется дискретизация передаваемых сигналов во времени. Сигналы с выходов модуляторов объединяются в групповой АИМ сигнал (Гр. АИМ). Управляют работой модуляторов канальные импульсные последовательности, поступающие от ГО передачи. При этом импульсы подаются на модуляторы каналов поочередно (со сдвигом по времени), что и обеспечивает правильное формирование группового АИМ сигнала. Длительность каждого импульса в этих последовательностях составляет примерно 125/2N мкс, определяет длительность одного отсчета АИМ импульса канала, а период следования составляет 125 мкс, где N число каналов что, что соответствует частоте дискретизации f_Д=8 кГц. Групповой АИМ сигнал поступает на кодирующее устройство — кодер, который одновременно осуществляет операции квантования по уровню и кодированию.

Сигналы управления и взаимодействия (СУВ), передаваемые по телефонным каналам для управления приборами АТС, поступают в передатчик Пер. СУВ, где они дискретизируются с помощью импульсных последовательностей, формируемых в ГО_пер, и объединяются. В результате формируется групповой сигнал Гр. СУВ.

В устройстве объединения (УО) кодовые группы каналов с выхода кодера, т. е. групповой ИКМ сигнал, кодированные сигналы СУВ и кодовая группа синхросигнала от передатчика синхросигнала (Пер. СС) объединяются, образуя циклы и сверхциклы. Соответствующими управляющими импульсами от ГОпер в УО обеспечивается правильный порядок следования циклов в сверхцикле и кодовых групп в цикле передачи. Принципы построения временной диаграммы цикла и сверхцикла показаны на рис. 3.2.

Циклы Ц₁, Ц₂,…, Ц_S каждый длительностью 125 мкс, объединяются в сверхциклы, следующие друг за другом. Каждый цикл состоит из информационных канальных интервалов КИ₁ КИ₂,…, КИ_N и дополнительных канальных интервалов, необходимых для передачи синхросигнала (СС) цикловой синхронизации, СУВ и других вспомогательных сигналов. На рис. 3.2 дополнительные КИ выделены соответствующими обозначениями.

Каждый КИ представляет собой m — разрядную кодовую группу, в разрядах Р₁, Р₂,…, Р_м которой передается закодированная информация соответствующего канала, а в дополнительных КИД — кодовые группы СС цикловой синхронизации и СУВ. Обычно за один цикл передаются СУВ одного или двух каналов. Таким образом, для передачи СУВ всех N каналов потребуется соответственно N или N/2 циклов, объединенных в сверхцикл. Такое объединение циклов в сверхцикл необходимо для организации нужного числа каналов передачи СУВ и правильного распределения этих сигналов на приеме. В первом цикле сверхцикла обычно передается СС сверхцикловой синхронизации, а СУВ не передаются. Таким образом, общее число циклов в сверхцикле S на один больше, чем требуется для передачи СУВ всех каналов.

Скорость передачи группового ИКМ сигнала определяется тактовой частотой системы: f_т= mN₀f_Д где N₀ — общее число канальных интервалов в цикле, включая канальные интервалы для передачи СУВ, СС и других служебных сигналов. Необходимая скорость и последовательность работы передающих устройств СП обеспечиваются устройствами ГО.

Сформированный ИКМ сигнал представляет собой набор однополярных двоичных символов, импульсы которых всегда имеют только одну, например положительную, полярность. При передаче по линии такой сигнал подвержен значительным искажениям и затуханию. Поэтому перед передачей в линию однополярный ИКМ сигнал преобразуется в биполярный, удобный для передачи по линейному тракту. Это происходит в преобразователе кода передачи (ПК_пер).

В процессе передачи по линии ИКМ сигнал периодически восстанавливается (регенерируется) с помощью линейных регенераторов.

На приемной станции ИКМ сигнал восстанавливается стационарным регенератором (РС) и поступает в преобразователь кода приема (ПК_пр), где биполярный сигнал вновь преобразуется в однополярный. Устройство выделения тактовой частоты (ВТЧ) выделяет из этого сигнала тактовую частоту, которая используется для работы ГО. Этим обеспечивается синхронная и синфазная работа ГО_пер и ГО_пр, причем правильное декодирование и распределение сигналов по соответствующим телефонным каналам и каналам передачи СУВ обеспечиваются приемником синхросигналов (Пр. СС). Устройство разделения (УР) разделяет кодовые группы телефонных каналов и каналов СУВ. Приемник групповых сигналов управления и взаимодействия (Пр. СУВ), управляемый импульсными последовательностями, поступающими от Г0_пр, распределяет СУВ по своим каналам, а декодер преобразует групповой ИКМ сигнал в групповой АИМ сигнал. Канальные импульсные последовательности, поступающие от ГО_пр, поочередно открывают временные селекторы (ВС) каналов, обеспечивая выделение отсчётов каждого из каналов из группового АИМ сигнала. Восстановление исходного (непрерывного) сигнала из последовательности его АИМ отсчётов производится с помощью ФНЧ.

Передача сигналов в обратном направлении осуществляется аналогично.

Рис. 3.1 Структурная схема оконечной станции

Рис. 3.2. Временные диаграммы цикла и сверхцикла

3.2 Структура цикла передачи

Для нашей системы цикловой сигнал первичного группообразования со скоростью 2048 кБит/с имеет во времени цикловую структуру. Структура первичного цифрового канала построена на следующих элементах: циклах (Ц), канальных интервалах (КИ), разрядах (Р).

Совокупность 32 КИ образуют цикл передачи.

Между циклами, канальными интервалами и разрядами выдерживаются следующие соотношения:

информационная ёмкость разряда-1 Бит;

частота повторения разрядов-256 кГц;

номинальная длительность разряда-488 нс;

количество разрядов в КИ -8;

нумерация разрядов-Р₁ — Р₈;

номинальная длительность КИ-3,9 мкс;

количество КИ в цикле-32;

нумерация КИ-КИ₀ — КИ₃₁;

частота повторения цикла-4 кГц;

номинальная длительность цикла-125 мкс.

Циклы первичного цифрового сигнала чередуются по типам Ц₁ и Ц₂, которые отличаются использованием нулевого канального интервала КИ₀. Цикловой синхросигнал предаётся в КИ₀ в нечётных циклах на позициях Р₂ — Р₈ и имеют вид 11 011, а в чётных циклах на позиции Р₂ предаётся 1.

Разряд Р₃ КИ₀ Ц₂ предназначен для передачи сигнала аварии на противоположную станцию, причём «0» соответствует нормальному состоянию, а «1» — аварийному.

Разряд Р₇ КИ₀ Ц₂ используется для передачи сигналов служебной связи на противоположную станцию. В канальных интервалах КИ₁ — КИ₁₅ и КИ₁₇ — КИ₃₁ передаётся информация соответствующая 30 каналам ТЧ.

Канальный интервал КИ₁₆ может быть использован для передачи дискретной информации со скоростью 64 кБит/с.

3.3 Структурная схема каналообразующей аппаратуры

Структурная схема каналообразующей аппаратуры с групповым кодированием представлена на рис. 3.3.

Каналообразующая аппаратура состоит из индивидуального оборудования, включающего в себя 30 приёмо — передатчиков тональной частоты (ПП) и один приёмо — передатчик основного цифрового канала (ОЦК) с пропускной способностью 64 кБит/с на месте анального интервала КИ₁₆.

Сопряжение ОЦК с групповым цифровым потоком 2048 кБит/с осуществляется с помощью мультиплексора дискретной информации (МДИ).

Рассмотрим прохождение информационного сигнала.

Низкочастотные аналоговые сигналы отдельных каналов объединяются на выходах приёмо — передатчиков в групповой АИМсигнал первого рода (АИМ-1) с временным уплотнением каналов. Затем сигналы АИМ — 1 поступают на вход кодера, в котором осуществляется нелинейное аналого-цифровое преобразование.

Для обеспечения требуемой защищённости против внятных переходных помех между каналами и снижения влияния шумов, поступающих на вход аналого-цифрового преобразователя здесь все 30 каналов ТЧ разделяются на две группы четных и нечетных каналов. В соответствии с этим используются два отдельных кодера на каждую группу каналов. На рис 3.4 приведены временные диаграммы, в пределах цикла передачи 125 мкс, группового АИМ-сигнала (АИМ-I) на входе кодера для двух групп каналов (рис. 3.4б, е) и группового сигнала АИМ-2, формируемого в аналоговой части кодера (рис. 3.4 в, ж). На этом рисунке показаны номера канальных интервалов КИ (а) и каналов ТЧ (к).

После аналого — цифрового преобразователя сигналы двух групп каналов в цифровой форме поступают на вход устройства объединения (рис. 3.4 г, з). Кроме того, в УО объединяются в один цифровой поток также следующие каналы:

сигнал дискретной информации, поступающий от МДИ;

цикловой синхросигнал передачи;

сигналы от устройства контроля и сигнализации;

сигналы служебной связи.

Временные диаграммы кодовых групп после их считывания в устройстве объединения для их расстановки в соответствии со структурой цикла передачи показаны на рис. 3.4 д, и.

С выхода устройства объединения сигнал поступает на преобразователь кода ПК Пер, в котором происходит преобразование однополярного первичного сигнала в биполярный сигнал.

На приёме первичный цифровой сигнал через преобразователь кода приёма (ПК Пр) поступает на выделитель тактовой частоты (ВТЧ); приёмник циклового синхросигнала (ПС) и декодер.

В устройстве ВТЧ выделяется тактовый сигнал 2048 кГц, необходимый для запуска распределителя импульсов приёма РИ Пр.

В устройстве ПС анализируется первичный цифровой сигнал с целью выработки, синхронизирующего распределитель импульсов приёма.

В декодере осуществляется декодирование сигналов, передаваемых по каналам ТЧ и осуществляется запрет сигнала, передаваемого в КИ16, так как он используется для передачи дискретной информации.

3.4 Приёмо — передатчик Приёмо — передатчик предназначен для преобразования непрерывного аналогового сигнала канала ТЧ в АИМ — сигнал на передаче и обратного преобразования сигнала на приёме. Предаваемый сигнал через согласующий трансформатор Т1 поступает на Ф Пер, имеющий полосу пропускания 300 — 3400 Гц и обеспечивающий подавление частоты 50 Гц на 24 дБ. Кроме того, Ф Пер преобразует непрерывный аналоговый сигнал в сигнал АИМ — 2 со скважностью единица. Модулятор представляет собой два электронных ключа, которые замыкаются синхронно с частотой 8 кГц на время 3,9 мкс импульсной последовательностью, поступающей с генераторного оборудования передачи ГО Пер. модулятор преобразует прямой и инвертированный сигналы с помощью усилителя (УС) сигналы ТЧ соответственно в прямой и инвертированный сигналы АИМ передачи с временным делением каналов, которые по симметричной шине объединяющей группы каналов (чётные или не чётные каналы), поступают на вход кодера.

Рис. 3.4 Временные диаграммы группового АИМ — сигнала

Принимаемый сигнал ТЧ выделяется из группового АИМ — сигнала временным селектором (ВС). Схема выборки и хранения (СВХ) увеличивает скважность сигнала АИМ — 2 до единицы. Приёмный фильтр низких частот (ФНЧ Пр) восстанавливает форму исходного сигнала. Затем телефонный сигнал с симметричного выхода ФНЧ Пр через согласующий трансформатор поступает на выход канала ТЧ.

3.5 Устройство объединения Устройство объединения предназначено для:

формирования сигналов цикловой синхронизации;

объединения в групповой ИКМ — сигнал сигналов двух кодеров, сигналов цикловой синхронизации и сигнала передачи дискретной информации;

формирования сигнала «строб компаратора».

Рис. 3.5.

4. РАЗРАБОТКА АИМ — МОДУЛЯТОРА Амплитудно-импульсные модуляторы ЦСП осуществляют дискретизацию аналоговых сигналов в тракте передачи. В качестве таких устройств применяются быстродействующие электронные ключи, управляемые импульсным напряжением. Параметры АИМ — модуляторов во многом определяют параметры СП в целом и оказывают большое влияние на уровень шумов /9/.

Проникновение импульсного управляющего напряжения или остатка на выход модулятора приводит к смещению произвольным образом амплитуды импульса АИМ сигнала на входе кодера и увеличению погрешности при выполнении операций квантования и кодирования, что вызывает возрастание шумов в канале. Увеличению шумов в канале способствует также проникновение с ВС на вход ФНЧ тракта приема остатков управляющих импульсов.

Рис. 4.1 Последовательно-балансная схема модулятора

Мощность остатков управляющих импульсов не должна превышать 0,001 пикового значения мощности сигнала. Это достигается применением балансовых схем модуляторов и ВС. Требования к балансировке ВС могут быть несколько снижены, тай как затухание ФНЧ-3,4 в тракте приема на частоте 8 кГц достаточно велико.

К амплитудно-импульсным модуляторам предъявляют весьма высокие требования по быстродействию и линейности амплитудной характеристики в широком диапазоне частот и входных сигналов. От их быстродействия зависит уровень переходной помехи между каналами, а от линейности амплитудной характеристики — нелинейных искажений.

В качестве электронного ключа можно использовать диодный мост. Такой диодный мост изображен на рис 4.1. Управление работой диодов осуществляется с помощью напряжения импульсной несущей. Эта схема является одной из разновидностей балансных схем модуляторов. Она наиболее, удобна для применения, так как не требует дифференциальных, трансформаторов. Для обеспечения баланса моста, что исключает проникновение на выход схемы ключа остатков управляющего напряжения, необходим подбор диодов по параметрам. На практике используются интегральные сборки, в которых диоды выполнены на одном кристалле и обладают практически одинаковыми параметрами.

Для выполнения последующих операции квантования и кодирования необходимо преобразовать сигнал АИМ-I в АИМ-II, при этом длительность последнего должна быть достаточной для проведения этих операции. В цифровых СП наибольшее распространение получила схема, в которой сигналы АИМ-I всех каналов объединяются в групповой сигнал АИМ-I и преобразование сигналов АИМ-I в АИМ-II происходит в групповом тракте. Структурная схема преобразования сигналов АИМ-I в АИМ-II в групповом тракте приведена на рис 4.2, а, а на рис. 4.2, б приведены временные диаграммы, поясняющие работу схемы.

Схема содержит электронные ключи, накопительный конденсатор и операционные усилители Ключи Кл₁ на входе являются амплитудноимпульсными модуляторами каналов и включаются поочередно (их число равно числу каналов). Ключ Кл₂ работает одновременно с Кл₁ и подключает на короткое время заряда ф_з накопительный конденсатор С, который заряжается до уровня амплитуды АИМ сигнала Ключ Кл₂ работает под управлением напряжения U_у. Для уменьшения времени заряда конденсатора усилитель Ус, имеет достаточно малое выходное сопротивление. Далее ключи Кл₁ и Кл₂ размыкаются. Благодаря высокому вход ному сопротивлению усилителя Ус обеспечивается практически постоянное напряжение заряда конденсатора на весь период квантования и кодирования сигнала Для полготовки накопительного конденсатора к следующему отсчету сигнала АИМ-I он разряжается на землю. Это производится подачей напряжения U_р на Кл₃. Длительность импульса АИМ-II будет определяться как _АИМ-II=1/(Nf_д), гдеf_д— частота дискретизации, Nчисло каналов.

а)

б)

Рис. 4.2, Структурная схема группового АИМ тракта (а) и временные диаграммы, поясняющие ее работу (б)

Реальное время кодирования _код, _АИМ-II-_з-_р.

Функциональная схема группового тракта АИМ сигнала показана на рис. 4.3. Распределитель канальный (РК), входящий в состав ГО_пер, формирует импульсы управления работой ключей. В схеме имеется дополнительный ключ Кл₄, выполненный на транзисторной сборке, для разряда на землю элементов группового тракта сигналов АИМ-I Он работает одновременно с ключом Кл₃ разряда накопительного конденсатора. На выходе схемы два инвертирующих усилителя Ус₂ и Ус₃ включены последовательно для получения симметричного сигнала относительно земли. Это позволяет значительно уменьшить влияние помех, наводимых на вход кодера, и в 2 раза увеличить амплитуду сигнала. Исходя из выше сказанного будем использовать данную схему в системе первичного группообразования.

Рис 4.3 Функциональная схема группового АИМ тракта

5. РАЗРАБОТКА КОДИРУЮЩЕГО И ДЕКОДИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВ

5.1 Принципы построения кодирующих и декодирующих устройств

По принципам действия кодирующие и декодирующие устройства (кодеки) делятся на три основные группы счетного типа, взвешивающего типа и матричные.

Кодер с линейной шкалой квантования называется линейным, а с нелинейной — нелинейным. Аналогичное определение относится и к декодерам. В цифровых СП с ИКМ применяются кодеры и декодеры (кодеки) с нелинейной шкалой, однако они строятся на базе кодека с линейной шкалой квантования. Поэтому вкратце рассмотрим вначале принцип построения и работу последних.

5.2 Кодеки с линейной шкалой квантования

Наиболее просто двоичное кодирование осуществляется в кодерах взвешивающего типа. Принцип работы таких кодеров заключается в уравновешивании кодируемых отсчетов эталонными токами или просто эталонами с определенными весами (значениями). Кодирование в этом случае можно представить как процесс поэтапного взвешивания на чашечных весах, снабженных указателями «больше — меньше». На одну чашу весов помещается кодируемый отсчет, а на другую последовательно устанавливают эталоны (гири), начиная с эталона наибольшего веса. На каждом из этапов (тактов) взвешивания по указателю «больше — меньше» принимают соответствующее решение: если отсчет тяжелее эталона, то последний оставляют на чаше весов и добавляют эталон следующего меньшего веса. В противном случае первый эталон снимают и устанавливают эталон меньшего веса. Очевидно, что по окончании взвешивания отсчет будет уравновешен эталонами, сумма которых с точностью до эталона наименьшего веса будет равна «весу» отсчета. Значение эталона наименьшего веса и будет максимально возможной ошибкой квантования. Если результат каждого из этапов взвешивания записать, отмечая единицей оставления эталона на чаше весов, а нулем его снятие, то после взвешивания получим запись «веса» отсчета в двоичном виде.