Маевский В., Блоцкий Ф., Новак А. и др. Цифровые системы передачи - файл n1.doc

Маевский В., Блоцкий Ф., Новак А. и др. Цифровые системы передачи
скачать (3490.5 kb.)
Доступные файлы (1):

3491kb.

02.11.2012 13:45

n1.doc

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 14

ББК 32.883

Ц75 УДК 621.39:621.376.56

Авторы: В. Маевскии, Ф. Блоцкий, А. Новак, А. Монюшко, Е. Милк, Л. Ко-сярек, М. Яцевич, М. Журавскии, В. Буш, Я. Краузе, А. Рычер, Ю. Скорупов-ский, Е. Трехциньский, Э. Думаня, Я. Зыгеревич, В. Халка

Цифровые системы передачи: Пер. с пол./В. Маев-Ц75 ский, Ф. Блоцкий, А. Новак и др.; Под ред. В. Маев-ского и Е. Милка. — М.: Связь, 1979. — 264 с., ил. В пер.: 1 р. 50 к. Авт. указ. на обороте тит. л.

Описываются принципы импульсно-кодовой модуляции, аналогэ-цифровые и цифроаналоговые преобразователи телефонных систем с ИКМ, передача цифровых сигналов по кабельным линиям. Рассматриваются первичные и вторичные цифровые системы передачи, а также системы более высокого порядка, цифровое группообразование, измерения. Приводятся основы создания интегральных сетей связи и временной коммутации и краткое изложение работ МККТТ в области цифровых систем передачи.

Книга предназначена для инженеров и техников, занимающихся вопросами электросвязи, а также для студентов вузов связи.

30602-171 ББК 32.883 \Щ^)-79 ⁵³-⁷⁹ ^2402040000 6Ф1

© Перевод на русский язык, предисловие, примечания, издательство «Связь», 1979 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Темпы развития цифровой техники передачи и коммутации сиг-ралов электросвязи могут быть охарактеризованы следующими фактами. Первые цифровые системы передачи (24-канальные системы передачи с ИКМ со скоростью передачи 1544 кбит/с) были внедрены на городских телефонных сетях США в 1962 г., а в 1974 г. в Японии уже были разработаны образцы аппаратуры со скоростью передачи 400 Мбит/с (5760 телефонных каналов). В 1976 г. в Канаде завершено строительство магистрали протяженностью около 670 км (Монреаль—Оттава—Торонто), оборудованной аппаратурой ИКМ со скоростью передачи 274 Мбит/с (4032 канала). В том же, 1976 г. в Чикаго (США) вступила в строй цифровая коммутационная станция типа ESS4 емкостью 107000 междугородных и служебных каналов, рассчитанная на обслуживание 550000 вызовов в час. Потребность в освещении цифровых способов передачи и коммутации сигналов электросвязи представляется очевидной. Поэтому можно полагать, что настоящая книга польских авторов будет с интересом встречена советскими читателями.

Основное внимание в книге уделено описанию процессов обработки сигнала в оконечном оборудовании систем передачи с ИКМ (дискретизация, квантование, кодирование и т. п.) и процесса передачи сигнала по линии, включая регенерацию сигнала. Тем не менее достаточно большое внимание уделено вопросу практического применения цифровых систем передачи на сетях связи. В частности, приведено описание согласующих устройств, с помощью которых системы передачи с ИКМ могут быть включены в существующие телефонные сети. Одна из глав посвящена принципам построения цифровых коммутационных станций, которые могут быть использованы на будущих цифровых сетях. Интерес представляют также главы, посвященные передаче данных в цифровых системах передачи и измерениям параметров цифровых систем.

Достаточно большое внимание уделяется работам по цифровым системам передачи, проводимым МККТТ. Однако следует отметить, что приведенные в книге данные соответствуют состоянию этих работ на конец 1972 г. К настоящему времени достигнут значительный прогресс, поэтому для получения информации о современном состоянии работ МККТТ по цифровой технике передачи сигналов читателю следует пользоваться официальными материалами МККТТ, в частности Оранжевой книгой, изданной Международным союзом электросвязи в 1977 г.

Главу 1 написал В. Маевский, гл. 2—Ф. Блоцкий, гл. 3—А. Новак, гл. 4—А. Монюшко, гл. 5 и 10—Е. Милек, гл. 6—Л. Кося-рек, гл. 7—М. Яцевич, гл. 8—М. Журавский, гл. 9~В. Буш, Я. Краузе, А. Рычер, Ю. Скоруповский, гл. 11 — Е. Трехциньский, гл. 12—Э. Думаня, Я. Зыгеревич, гл. 13—В. Халка. Перевод книги осуществлен канд. техн. наук А. А. Визелем. Редактирование книги выполнено В. Д. Романовым.

Замечания по книге просьба направлять в издательство «Связью по адресу: 101000, Москва, Чистопрудный бульвар, 2.

Памяти профессора Феликса Блоцкого, пионера в области разработки ИКМ в Польше, посвящают эту работу авторы

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ

Настоящая книга посвящена цифровым системам передачи с им-пульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), главным образом кабельным системам. Обсуждаются принципы ИКМ; аналого-цифровые ч цифроаналоговые преобразователи; кабельные тракты для цифровой передачи и основы передачи цифровых сигналов; первичные цифровые системы передачи и цифровые системы более высокого уровня иерархии, а также измерительные приборы. Кроме того, кратко описаны радиорелейные линии с ИКМ, передача данных с использованием каналов ИКМ, а также принципы цифровой коммутации.

Цифровые системы передачи и вообще цифровая связь развиваются весьма динамично. Меняются технические решения, расширяется область применения. Развивается также и терминология. Некоторые термины, использованные в настоящей книге, предложены авторами.

Книга предназначена для инженеров, занимающихся вопросами электросвязи, и может быть использована также студентами соответствующих вузов.

Авторы книги выражают сердечную благодарность доценту доктору Марьяну Зентальскому, рецензенту этой книги. Его ценные замечания позволили устранить многие погрешности рукописи.

Введение

Электросвязь — это совокупность человеческой деятельности, главным образом технической, связанной с передачей сообщений на расстояние с помощью электрических сигналов. Значение электросвязи в современной технике и в современной жизни огромно. При этом весьма характерно то, что с ростом уровня использования ЭВМ ее значение возрастает, поскольку ЭВМ должны сообщаться друг с другом по каналам связи. Уже в настоящее время хорошо развитая сеть электросвязи облегчает управление государством. В будущем, когда методы управления с помощью ЭВМ будут преобладающими, наличие хорошо развитой сети электросвязи будет обусловливать управление государством.

Передача сообщений—это область электросвязи, основанная на передаче сигналов на расстояние по кабельным линиям или радиолиниям.

В системах передачи сообщений используются как аналоговые, так и цифровые сигналы. Передача цифровых сигналов более удобна, чем передача аналоговых сигналов, поэтому и наблюдается тенденция к использованию цифровых методов передачи. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой сигнал и в таком виде передается по линии связи; на приемной стороне происходит обратный процесс — преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Тенденция к использованию цифровых методов передачи сообщений все чаще наблюдается в мировой технике.

Электросвязь уже на самой ранней стадии своего развития была цифровой. Это проистекало из цифрового, дискретного характера телеграфного сигнала, поскольку электросвязь во второй половине XIX в. была телеграфной связью. Телефонный аппарат был изобретен позднее, чем телеграфный аппарат, поэтому необходимость передачи аналоговых сигналов также возникла позднее. Кроме того, даже после появления телефона передача аналогового сигнала на большие расстояния была невозможна. Только открытия в области электроники и, в частности, изобретение электронной лампы, а позднее усилителя, генератора и модулятора обусловили возникновение и развитие техники передачи аналоговых сигналов, позволили передавать аналоговые сигналы на любые расстояния, а также передавать по линиям многоканальные сигналы. Интересно отметить, что уже на самом раннем этапе развития электросвя-

7

зи использовались два основных принципа, являющихся основой современных методов передачи цифровых сигналов, конечно, в новой форме. Речь идет о многократном использовании тракта путем временного объединения сигналов и принципе регенерации.

Первый из указанных принципов используется в многократном телеграфном аппарате Бодо. При организации связи к передающих аппаратов соединяются с к приемными аппаратами через распределитель передачи, проводную линию и распределитель приема, причем оба распределителя работают синхронно. Фактически t'-й передающий аппарат соединен с соответствующим ему f-приемным аппаратом лишь в интервалы времени А^, где \t<\/fk, f—число оборотов щетки распределителя в секунду. Принцип регенерации позволяет восстанавливать сигнал на промежуточных станциях. Такие регенерационные станции похожи па аналоговые усилительные станции, однако принцип их работы совершенно другой. Телеграфные импульсы являются импульсами двух видов (+1, —1 либо О и +1). Регенератор должен распознать принятый искаженный сигнал, обнаружить в этом сигнале импульсы обоих видов и генерировать собственные импульсы, соответствующие обнаруженным искаженным импульсам. Это относительно простая задача, поскольку достаточно, чтобы схема воспринимала сигнал с амплитудой меньше 0,5 номинальной амплитуды импульса как 0, а большие или равные 0,5—как 1 (в случае передачи 0, +1). Таким образом, помехи не очень опасны, если их величина невелика.

Изобретение телефонного аппарата, развитие техники телефо-нирования и разработка электронных элементов привели к усовершенствованию телеграфной связи и развитию современной аналоговой техники передачи, главным образом телефонных сообщений. Аналоговая передача сообщений достигла очень высокого уровня развития. Применяются многоканальные системы передачи с частотным разделением каналов (ЧРК), позволяющие экономично использовать симметричные кабельные линии (системы передачи па 12, 24, 60, 120 каналов, обычно при работе по двухкабельной системе) и коаксиальные нормализованные и малогабаритные кабели связи (системы передачи на 300, 960, 2700, 10800 каналов при работе по однокабельной системе), а также радиорелейные линии с частотной модуляцией (с числом каналов, например, 960 для одного радиоствола). Технические возможности этих аналоговых систем, особенно для коаксиальных кабелей и РРЛ, близки к предельным. Существуют, однако, важные причины, заставляющие вновь возвратиться к цифровой технике передачи.

Уменьшение потребности в передаче дискретных сигналов не имело постоянного характера. Возникли абонентский телеграф (телекс), а затем передача данных. Однако из-за аналогового характера сети дискретные сигналы пришлось передавать в аналоговой форме. Это осуществляется с помощью двоичной (либо га-ичной) амплитудной, частотной или фазовой модуляции. В наиболее типичном случае—двоичной частотной модуляции—импульсы двух видов заменяются колебаниями с двумя разными частотами. Канал

тональной частоты (канал ТЧ) может быть использован для передачи многоканального телеграфного сигнала (24 канала по 50 бит/с, либо 12 каналов по 100 бит/с, или, наконец, 6 каналов по 200 бит/с). По каналу ТЧ также можно передавать цифровые сигналы (сигналы данных) со скоростями передачи 600, 1200, 2400, 4800 или 9600 бит/с в зависимости от типа канала и вида модуляции. С еще большей скоростью осуществляется передача по групповым трактам (например, первичный групповой (12-канальный) тракт допускает передачу цифровых сигналов со скоростью 48000 бит/с). Следует, однако, обратить внимание на тот факт, что, хотя передача цифровых сигналов аналоговыми методами возможна и освоена технически, она связана со многими трудностями и подвержена многим ограничениям.

В классической электросвязи осуществляется передача информации в системе «человек — человек». Введение цифровых электронных вычислительных машин изменило ситуацию в части требуемых видов связи. Информатика создает потребность в видах связи в системах «человек—машина» и «машина—машина», причем под машиной подразумевается не только электронная цифровая машина, но и автоматические передатчики и приемники информации. Изменяется и характер информации—появляется информация цифрового типа, приспособленная для «разума» цифровых машин. Таким образом возникла информационная электросвязь—телеинформатика, охватывающая проблемы дистанционного доступа к цифровым машинам. Быстрое развитие информатики вызывает соответствующий рост потребности в новых видах связи, поэтому очень существенно, чтобы эти виды связи могли быть реализованы наиболее рациональным способом.

Тенденция к использованию цифровых методов в технике электросвязи связана с существенными преимуществами многоканальных систем передачи с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) •". Большая часть данной книги посвящена принципам работы таких систем, поэтому здесь отметим лишь важнейшие черты ИКМ.

Аналоговый сигнал, получаемый из канала ТЧ, подвергается дискретизации во времени. Это означает, что сигнал передается не в виде непрерывной функции времени, а заменяется последовательностью импульсов, амплитуды которых соответствуют мгновенным значениям сигнала; причем для получения малых искажений частота дискретизации /д должна быть достаточно большой. На практике для канала ТЧ принимается /д== 8 кГц. Описанный процесс

* Аналогичными преимуществами обладают не только системы передачи с ИКМ, но я системы передачи с модуляцией других видов, например дельта-модуляцией [в соответствии с ГОСТ 22348—77 .все системы передачи такого рода имеют общее название—цифровые системы передачи (ЦСП)].

Следует отметить, что используемые в последующем изложении выражения, содержащие слово «ИКМ», в большинстве случаев могут быть отнесены к более широкому кругу понятий и устройств; в частности, вместо «тракт с ИКМ» следовало бы писать «цифровой тракт», а вместо «вторичная (третичная, ...) система передачи с ИКМ» — «вторичная (третичная, ...) ЦСП». (Прим. ред.}

позволяет осуществить передачу многоканального сигнала при временном разделении каналов (ВРК). Это временное разделение аналогично используемому при передаче сигналов с помощью многократных аппаратов Бодо. Обработанный таким образом сигнал подвергается квантованию по амплитуде. Это означает, что передается не точное значение амплитуды импульса, соответствующее мгновенному значению сигнала, а лишь номер интервала, в котором находится вершина импульса. Весь возможный диапазон напряжения разделяется, например, на 256 интервалов, номера которых кодируются с помощью комбинаций из 8 двоичных символов. Использование этого принципа кодирования позволяет осуществлять регенерацию сигнала, а не обычное аналоговое усиление, однако при этом появляется так называемый шум квантования, характерный для систем передачи с ИКМ.

Системы передачи с ИКМ характеризуются специфическими, отличными от аналоговых систем чертами. Основные преимущества этих систем заключаются в следующем:

1. Более высокая помехоустойчивость, что позволяет значительно облегчить требования к переходным влияниям и собственному шуму линий передачи.

2. Малая чувствительность к изменению параметров линий передачи.

3. Более простая оконечная аппаратура по сравнению с аппаратурой систем передачи с ЧРК.

Основным недостатком систем передачи с ИКМ является необходимость использования значительно более широкого (в 7—8 раз), чем в аналоговых системах, спектра частот, в результате чего необходимо регенерационные станции размещать более часто.

Первичные системы передачи с ИКМ (системы малой емкости) уже вышли из экспериментальной стадии и в настоящее время выпускаются в большом количестве. Встречаются системы с числом каналов 24 и 30/32. Такие системы характеризуются тактовыми частотами около 1500 и 2000 кГц соответственно.

Длина регенерационного участка на местных кабельных линиях составляет 2—3 км в зависимости от рода системы и типа кабеля. Системы передачи малой емкости (первичные цифровые системы передачи) используются на местной сети прежде всего для организации соединительных линий между АТС по низкочастотным кабелям. Аппаратура систем передачи работает по однокабельной системе, при этом дополнительного симметрирования кабелей не требуется. При современном состоянии техники эти системы передачи экономически эффективны на линиях связи длиной от 10 до 30 км. Однако непрерывное развитие технологии вызывает постепенное расширение границ их экономической эффективности.

Системы передачи средней емкости с числом каналов около 120 (вторичные цифровые системы передачи) пока еще не получили в мире столь широкого распространения, как системы малой емкости. Группа из 120 каналов может быть получена путем так называемого цифрового группообразования из первичных систем (30 каналов X 4) либо непосредственно. Тактовая частота таких си

стем составляет около 8 МГц. Системы средней емкости используются обычно на симметричных кабелях специальной конструкции либо на малогабаритных коаксиальных кабелях при работе по однокабельной системе. Регенерационные станции размещаются на расстояниях около 4 км.

Системы большой емкости (480 и 1920 каналов ТЧ) предназначены для коаксиальных кабелей. Увеличение числа каналов в этих системах ограничивается уменьшением длины регенерационных участков.

Сравнение экономической эффективности передачи по физическим цепям низкочастотных кабелей, многоканальной системы передачи с частотным разделением каналов, а также систем передачи с ИКМ различной емкости (первого, второго и четвертого порядков иерархии) представлено на рис. 1.1. На рисунке приводится стоимость канала, реализуемого в этих системах, в зависимости от длины линии.

Как следует из предыдущего, стоимость аппаратуры систем передачи с ЧРК больше, чем аппаратуры систем передачи с ИКМ. Удельная стоимость аппаратуры вторичных систем передачи с ИКМ несколько больше, чем первичных систем, из-за наличия аппаратуры цифрового группообразования. В то же время удельная стоимость линейного тракта (наклон прямой) систем передачи с ИКМ не очень большой емкости больше, чем систем передачи с ЧРК. Эта стоимость, как и для любой многоканальной системы, уменьшается с ростом числа каналов. При большом числе каналов удельная стоимость линейного тракта систем передачи с ИКМ будет меньше,

чем систем передачи с ЧРК, из-за того, что шумы отдельных реге-нерационных участков не суммируются. Поэтому система передачи с ИКМ большой емкости может быть дешевле системы передачи с ЧРК при любой длине линий. Символами Ль Лг и Лз обозначен диапазон экономичного применения систем передачи с ИК.М с числом каналов Кь Ка и /<з, причем /С1<К2<Кз.

В современных сетях электросвязи наряду с системами передачи с ИКМ работают также системы передачи с ЧРК; последние преобладают на магистральных линиях, поэтому большое внимание уделяется разработке устройств, преобразующих многоканальный сигнал с ИКМ в многоканальный сигнал с ЧРК и обратно. Проводятся также работы по цифровой передаче видеотелефонных сигналов и сигналов цветного телевидения. Эта тенденция связана с обсуждавшимися ранее преимуществами цифрового способа передачи, а также со стремлением к универсальности трактов электросвязи.

В достаточно широкой степени используются также и радиорелейные линии с ИКМ. Они обладают существенными преимуществами по сравнению с аналоговыми радиорелейными линиями с ЧМ, прежде всего уменьшением выходной мощности передатчиков. Радиорелейные системы передачи с ИКМ существенно отличаются от проводных систем передачи с ИКМ. В радиорелейных линиях расстояние между ретрансляторами не зависит от числа каналов. Уже сейчас применяются радиорелейные линии с ИКМ относительно большой емкости.

Развитие устройств ИКМ как для проводных, так и для радиолиний стало возможным благодаря появлению полупроводниковых элементов; дальнейшее развитие этих устройств связано с созданием интегральных схем. Следует отметить, что благодаря однотипности цифровых устройств в них особенно удобно применять интегральные схемы. Существенно также использование современных методов машинного проектирования аппаратуры цифровых систем передачи, основанных на результатах теории конечных автоматов и логических цепей.

Системы передачи с ИКМ находятся в «близком родстве» с современными системами электронной коммутации и образуют вместе с ними часть будущей интегральной цифровой сети связи. В связи с этим в книге обсуждаются проблемы, касающиеся электронной коммутации и интегральных цифровых сетей связи.

«Электронизация» АТС уже давно волновала специалистов в области коммутации. Первые пробы (неудачные) основывались на использовании электронных элементов вместо электромеханических без изменения принципа работы АТС. Однако позднее было решено, что необходимо изменить «философию» работы АТС. В процессе коммутации можно выделить собственно процесс коммутации (создание пути между двумя абонентскими линиями) и управление этим процессом. В старых электромеханических системах коммутации, например в системе Строуджера, узлы, выполняющие эти два процесса, не разделены. В координатных системах такое разделение

12

частично уже имеет место. В электронных системах разделение узлов становится необходимым. Схемы управления выполняют роль, аналогичную роли цифровых ЭВМ, поэтому «электронизация» схем управления, например, путем использования типовой ЭВМ не представляет особых трудностей. В классическом решении схемы коммутации реализуют соединительные пути в пространстве. Полная «электронизация» таких схем связана с трудностями, которые до сих пор еще не удалось преодолеть. В результате этого были разработаны квазиэлектронные АТС с электронным управлением, обычно в виде ЭВМ, и с металлическими контактами в коммутационной системе. В таких АТС используются реле с герметизированными контактами (герконы) или координатные искатели различных типов.

В поисках возможности «электронизации» и коммутационной системы используют принцип временной коммутации цифровых каналов, таких же, как в системах передачи с ИКМ. Два абонента соединяются друг с другом периодически в течение коротких отрезков времени, а одна и та же пространственная соединительная линия используется для многих пар абонентов. Если соединительные линии между промежуточной АТС с временной коммутацией и другими АТС осуществлены в виде каналов систем передачи с ИКМ, то применение оконечной аппаратуры систем передачи на промежуточной станции является излишним, поскольку коммутируются цифровые сигналы, поступающие по линейным трактам систем передачи с ИКМ. Реализация этого принципа приводит к существенной экономии, стандартизации аппаратуры и унификации техники передачи и коммутации. Еще одна важная причина связывает временную коммутацию с системами передачи — это передача сигналов управления между АТС. Такая передача может быть реализована в цифровых трактах весьма рациональным способом.

Система Е-10, внедряемая в производство в Польше на основе французской лицензии, является современной системой, содержащей полностью электронные' и квазиэлектронные АТС и предназначенной для совместной работы с системами передачи с ИКМ. Система Е-10, являющаяся в принципе телефонной системой, позволяет создать интегральную цифровую сеть связи. В системе Е-10 можно выделить три «слоя»: собственно коммутацию (временную или пространственную в зависимости от типа АТС), управление (работа в реальном масштабе времени) и централизованное эксплуатационно-техническое обслуживание ЭТО. В состав системы входят коммутационные станции (узлы) и концентраторы; центр эксплуатационно-технического обслуживания выделен и представляет собой отдельную систему.

Коммутационная станция состоит из коммутационной системы с временным разделением, управляющих устройств и различного дополнительного оборудования. Управляющие устройства образуют ансамбль малых специализированных ЭВМ разного назначения (регистры, маркеры, пересчетчики, тарифицирующее устройство с программным управлением). Кроме того, управляющие устройства

13

включают в себя общестанционный тактовый генератор и устройства контроля. Количество малых ЭВМ одного типа, используемых в коммутационной станции, зависит прежде всего от величины нагрузки. Абоненты подключены к станции через ближние концентраторы (входящие, по существу, в состав коммутационной станции) или через дальние, вынесенные концентраторы (подстанции), связанные с коммутационной станцией цифровыми линейными трактами. Ближние и вынесенные концентраторы являются квазиэлектронными АТС, коммутационные системы которых выполнены на принципе пространственного разделения; они подключены к временной коммутационной системе коммутационной станции посредством оконечной аппаратуры ИКМ. Концентраторы по принципу работы не имеют собственного управления, их работой управляют управляющие устройства коммутационной станции; в случае вынесенного концентратора для управления используется один из цифровых каналов. Коммутационные станции могут являться оконечными или транзитными АТС, а также междугородными телефонными станциями (МТС). Система Е-10 приспособлена для совместной работы с 30-канальной системой передачи с ИКМ как в проводном (подземные и подвесные кабели), так и в радиорелейном варианте.

Центр эксплуатационно-технического обслуживания охватывает район радиусом 50—70 км, в котором может находиться много коммутационных станций, связанных с центром эксплуатационно-технического обслуживания цифровыми трактами с ИКМ. В состав этого центра входит цифровая ЭВМ типа Mitra 15 (R-10) и периферийные устройства.

Коммутационная станция системы Е-10, в принципе, может иметь любую емкость. Однако при очень большой емкости станции этой системы могут оказаться менее экономичными.

В системах передачи с ИКМ и коммутационных системах с временным разделением используется принцип временного разделения каналов. Это позволяет осуществить интеграцию аппаратуры передачи и коммутации.

Цифровая сеть электросвязи с интеграцией аппаратуры передачи и коммутации состоит из полностью электронных АТС, коммутационные системы которых основаны на временном разделении;

станции соединены друг с другом трактами систем передачи с ИКМ. Управление электронными АТС является программным и распространяется чаще всего на группу АТС. Кроме того, с помощью цифровой ЭВМ осуществляется ЭТО сети.

Описанная выше система Е-10 позволяет создавать такие сети. Можно предположить, что на первом этапе развития будут созданы «островки» цифровых сетей в различных районах страны, соединенные друг с другом аналоговыми трактами. В дальнейшем эти островки цифровых сетей будут постепенно соединяться цифровыми трактами, в результате чего будет создана цифровая сеть на территории всей страны.

Высшим этапом интеграции является объединение различных видов связи. В сети связи с интеграцией различных видов связи все виды сигналов передаются в цифровой форме. Такая сеть может быть использована для передачи как сигналов телефонии, так и сигналов телеграфии, передачи данных или телевидения. Коммутационные станции такой сети универсальны и используются для телефонии, телеграфии, передачи данных.

Интегральной сетью будем называть цифровую сеть с интеграцией нескольких видов связи. Несомненно, что такие сети являются сетями будущего. Однако их полное внедрение в масштабах отдельных стран, континентов, а тем более всего мира является делом далекого будущего. В то же время более близким представляете т постепенное внедрение цифровых сетей с интеграцией аппаратуры передачи и коммутации.

Классическая коммутация является коммутацией каналов. Подобная коммутация характерна для телефонии и может быть также использована для телеграфии и передачи данных. Существует также коммутация сообщений, используемая в течение многих лет в своей примитивной форме в телеграфии наряду с классической коммутацией. Коммутация сообщений представляется коммутацией будущего для передачи данных хотя бы потому, что она допускает простое преобразование и хранение сообщений. Следует предположить, что в интегральной цифровой сети будущего будет использована как коммутация каналов, так и коммутация сообщений.

В заключение укажем на основные предпосылки для дальнейшего распространения цифровых систем передачи с ИКМ.

1. Цифровой способ передачи позволяет заменить усиление на промежуточных станциях регенерацией. Это облегчает условия передачи за счет снижения требований к допустимым помехам.

2. Цифровой способ передачи позволяет эффективно использовать линии связи при временном разделении каналов, поскольку аппаратура цифровых систем передачи проще классической аппаратуры с ЧРК.

3. Преобразование аналогового сигнала в цифровой может быть осуществлено сравнительно простым способом и без существенного. ухудшения качества передачи.

4. Тракты, приспособленные для цифровой передачи аналоговых сигналов, преобразованных в цифровую форму, могут быть (непосредственно и рациональным способом) использованы для передачи сигналов, цифровых по своей природе. Это особенно важно в связи с необычайно быстрым ростом потребности в передаче данных.

5. Принцип временного разделения каналов используется в электронных АТС, что позволяет унифицировать технику передачи и коммутации.

6. При проектировании цифровых устройств можно использовать разработанные в настоящее время методы теории конечных автоматов и логических цепей, в самих цифровых устройствах— унифицированные интегральные схемы.

7. Внедрение цифровых способов передачи и коммутации приводит к появлению цифровых сетей с интеграцией передачи и коммутации, а в дальнейшем к цифровым сетям с интеграцией различных видов связи.'

__________2__________

Принципы импульсно-кодовой модуляции и ее применение в связи

2.1. Теоретические основы многоканальных систем

I

передачи с частотным и временным разделением каналов

Существуют два основных метода многоканальной передачи в трактах электросвязи, т. е. организации в одном тракте большого числа каналов: частотный метод (ЧРК) и временной метод (ВРК).

Частотный метод, широко известный и применяемый в технике связи, основан на использовании в спектре частот отдельных полос для разных каналов. Поскольку каждый из каналов использует полосу частот шириной &.F, диапазон частот шириной {F^—Fi) можно использовать для организации п независимых каналов, где

В действительности число п несколько меньше, чем это следует из (2.1), так как полосы частот, выделенные для отдельных каналов, не могут прилегать вплотную друг к другу.

Временной метод основан на предоставлении каждому каналу короткого отрезка времени, в течение которого производится отсчет значения передаваемого в канале сигнала. Процесс повторяется через постоянные интервалы времени, во много раз большие длительности дискрета. Между двумя последовательными дискретами одного и того же канала размещаются дискреты всех остальных каналов, повторяемые через те же интервалы времени. Таким способом получаем последовательности импульсов разной амплитуды, воспроизводящих мгновенные значения сигналов в различных каналах. Процесс получения дискретов определенного сигнала называется дискретизацией. Дискретизация отличается от модуляции тем, что из дискретизированного сигнала можно получить исходный сигнал без использования нелинейных цепей, как это имеет место в случае модулированных сигналов.

1 /*

2.2. Временные методы разделения каналов

2.2.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Последовательность дискретов одного сигнала можно разложить в ряд Фурье, как это показано на рис. 2.1. Нетрудно заметить, что для того, чтобы спектральные полосы не налагались друг на друга, частота дискретизации ^д должна быть по крайней мере в

2 раза больше максимальной частоты /в передаваемого в данном канале сигнала '. Однако поскольку нежелательные продукты модуляции следует исключить, то необходимо создать между ними и полезными продуктами некоторый зазор. Вследствие этого для передачи речевого сигнала частота ^д принимается равной не 6800 Гц,

f a 8000 Гц, и поэтому дискреты берут через 125 мкс. Величина

, 8000 Гц является неким компромиссом между требованиями передачи (наивыгоднейшей с этой точки зрения частотой была бы частота, возможно более близкая к 6800 Гц) и затратами на изготов-

• ление фильтров (с этой точки зрения наивыгоднейшей была бы

^ как можно более высокая частота).

Отдельные дискреты имеют одинаковую длительность, но разную величину (т. е. имеет место амплитудно-импульсная модуляция—АИМ). Амплитудно-импульсную модуляцию можно заменить другим видом модуляции, и информацию о величине дискрета заменить другим параметром. Будем различать аналоговые и цифровые виды модуляции. К первым относятся те виды модуляции, в которых заданный параметр восстанавливает амплитуду дискрета теоретически с произвольно высокой точностью, ко второму—такие, в которой восстановление осуществляется лишь с ограниченной точностью. К аналоговым видам модуляции относятся широт-но-импульсная модуляция (ШИМ) и фазоимпульсная модуляция <ФИМ), к цифровым —импульсно-кодовая модуляция (ИК.М) и дельта-модуляция (ДМ).

* Это следует из теоремы В. А. Котельнвкова, которую можно сформулировать следующим образом: если функция x(t) удовлетворяет условию Дирихле, т. е. является ограниченной, кусочно-непрерывной и имеет конечное число экстремумов, а также если ее спектр является ограниченным и равен нулю, начиная от частоты д>в, то существует такое максимальяое значение интервала времени ДГ между дискретами, при котором еще возможно неискаженное восстановление этой функции по ее дискретам. Величина этого максимального интервала времени равна ЛГ=я/(Ов =1/2/8.

2.2.2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ

СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ И АНАЛОГОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Появляющиеся в результате широтно-импульсной модуляции импульсы показаны на рис. 2.2в. В этом случае все импульсы имеют одинаковую амплитуду, но разную ширину (длительность) пропорциональную амплитуде дискрета. Как видно из рисунка, импульс имеет наибольшую ширину при максимальной положительной величине дискрета и наименьшую ширину при наибольшем по абсолютной величине отрицательном дискрете этого сигнала. Для дискрета нулевой величины ширина импульса принимает промежуточное значение.

Импульсы, получаемые при ФИМ, показаны на рис 2 2г В этом случае все импульсы имеют одинаковую ширину и амплитуду но разные положения (фазы). Отклонение импульса от номинального положения пропорционально величине дискрета, но в случае отрицательных значений дискрета импульс сдвигается влево (т е отстает относительно своего номинального положения) а в случае положительных значений дискрета импульс сдвигается вправо (т. е. опережает свое номинальное положение). Следует отметить что, поскольку импульсы имеют некоторую (хотя и очень матую) ширину, величина сдвига отсчитывается либо относительно фронта нарастания, либо относительно фронта спадания импульса, причем

положение фронта определяется на половине высоты импульса. При таком способе величина сдвига определяется однозначно. Очевидно, что, поскольку время нарастания не является бесконечно малым, при изменении амплитуды импульса, вызванной изменением затухания тракта, определенный таким образом временной сдвиг претерпит некоторое незначительное изменение. Оно тем больше, чем больше изменение амплитуды и чем больше длительность фронта (рис. 2.3).

Приведенные на рис. 2.2, 2.4, 2.5 и 2.6 изменения параметров, соответствующие величинам дискрета (изменению ширины импульса, изменению положения импульсов или кода, соответствующего величине дискрета), занимают весь интервал времени между двумя соседними дискретами, так что не остается места для дискретов других каналов. На практике временной интервал, предназначенный для указанных выше изменений параметров, существенно меньше и составляет, например (в зависимости от числа каналов в системе), '/24 или '/за часть интервала времени между двумя соседними дискретами одного канала. Поэтому в интервале времени между двумя дискретами одного и того же канала легко размещаются закодированные соответствующим образом дискреты остальных каналов.

2.2.3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ И ЦИФРОВОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

. 2.2.3.1. Общие сведения

Будем различать два вида цифровой модуляции: импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ) и дельта-модуляцию (ДМ). При им-пульсно-кодовой модуляции с помощью соответствующего кода передается информация о величине дискрета, тогда как при дельта-модуляции — информация о разности величин дискретов — данного и предшествующего ему.

2.2.3.2. Системы передачи с импульсно-кодовой модуляцией

Система передачи с ИКМ реализуется следующим образом. Диапазон амплитуд сигнала ограничивается сверху максимальным положительным значением сигнала, а снизу—аналогичным отрицательным значением сигнала (рис. 2.4 и 2.5). Весь этот диапазон делится на 2" небольших интервалов (шагов квантования), где п—количество символов (разрядов) в порядковом номере интервала, выраженном в двоичном счислении. В соответствии с рекомендациями МККТТ п=7 или 8 (на рис. 2.4, 2.5 и 2.6 для упрощения принято /г=3) *. Отдельные интервалы обозначаются поряд-

* В рекомендациях МККТТ, действующих с конца 1972 г., количество разрядов в системах передачи с ИКМ установлено равным 8. (Прим. ред.)

новыми числами от наинизшего, обозначенного числом 0, до наивысшего, обозначенного числом 2"—1. Эти числа, выраженные в двоичном счислении, можно представить с помощью группы элементарных токовых состояний, в которых импульс тока соответствует единице, а бестоковые состояния — нулю. Отдельные дискреты

сигнала обозначим числами, соответствующими порядковым номерам тех интервалов, в которых находятся вершины дискретов (см. рис. 2.4). При этом способе каждому дискрету приписываем соот

ветствующее число, которое можно выразить при использований двоичного счисления, с помощью кодовой комбинации, состоящей из символов двух видов: импульсов и пробелов. В такой системе данной кодовой комбинации соответствует бесконечно большое число дискретов, вершины которых лежат в пределах определен

ного этой комбинацией интервала. Разность значений этих дискретов тем меньше, чем больше число интервалов, на которое делится весь динамический диапазон сигнала и, следовательно, чем больше число символов в кодовой комбинации. Кодирование может быть асимметричным или симметричным. В случае асимметричного кодирования (натуральный двоичный код) к сигналу добавляется постоянная составляющая, равная половине динамического диапазона сигнала. Тогда все дискреты сигнала, увеличенного на постоянную составляющую, будут положительными (см. рис. 2.4).

\В случае симметричного кодирования (симметричный двоичный код) постоянная составляющая не добавляется, а первый элемент кодовой комбинации содержит информацию только о том, является ли значение дискрета положительным (единица) или отрицательным (нуль), и лишь последующие элементы несут информацию об абсолютной величине дискрета (см. рис. 2.5). На первом этапе развития в системах передачи с ИКЛ'1 использовался натуральный двоичный код; в настоящее время все чаще применяется симметричный двоичный код77

Ниже будет описало асимметричное кодирование для п=3 (см. рис. 2.4). К сигналу добавляется постоянная составляющая, равная половине размаха сигнала, таким образом, что все дискреты (см. рис. 2.46) дополненного сигнала имеют положительную величину. Весь диапазон значений дискретов делится на 2" интервалов (в нашем примере на 8 интервалов). Этим интервалам приписываются порядковые номера от 0 до 7. Эти номера, представляемые в десятичной системе счисления, показаны на левой стороне рис. 2.46, справа даны те же номера в двоичной системе счисления.

Числа, приведенные в двоичной системе счисления, можно представить последовательностью электрических состояний или кодовых комбинаций (см. рис. 2.4в), в которых единице соответствует импульс, а нулю—бестоковое состояние (пробел). На рис. 2.4в показаны последовательности символов, выражающих в двоичной системе счисления числа, которые представляют номера интервалов, соответствующих отдельным дискретам_^

Группы таких символов (кодовые комбинации) образуют числа, определяющие величину дискрета. В примерах на рис. 2.4 и 2.5 кодовые комбинации, воспроизводящие величину дискрета, содержат три символа; в выпускаемой в ПНР системе ТСК-24 эти комбинации содержат по 7 символов.

Восстановление исходного сигнала в приемнике (декодирование) происходит следующим образом. На основе последовательности символов нуль — единица определяется значение закодированных дискретов с учетом того, что первый элемент группы несет информацию о том, больше ли дискрет половины диапазона (импульс) или меньше половины диапазона (пробел), т. е. находится ли вершина дискрета в верхней половине диапазона или в его нижней половине. Второй элемент группы информирует о том, находится ли вершина дискрета в верхней (импульс) или нижней (пробел) четверти из той половины диапазона, которая определена первым символом кодовой комбинации. Аналогично третий символ сообщает о положении вершины дискрета в верхней (импульс) или нижней (пробел) восьмой части диапазона, лежащей в четверти, обозначенной двумя первыми символами кодовой комбинации. Таким же способом уточняется положение вершины дискрета с помощью остальных символов кодовой комбинации. Вообще говоря, с помощью кодовой комбинации, состоящей из п символов, можно установить величину дискрета с точностью 1 :2". Поскольку с по-

, мощью кодовой комбинации определяется только интервал, в пределах которого находится значение дискрета, а не точное значение самого дискрета, то восстановление дискрета в приемнике осуществляется всегда с некоторой погрешностью, тем меньшей, чем большее количество символов содержится в кодовой комбинации. Значение восстановленного дискрета располагается П рдпотттгтт^ „„„„„_---

- -_ _ ние восстановленного дискрета распо-^aH'ZS""⁶ ^шума лагается в середине интервала, опре-

А- точка на кривой передаваемого ДёЛеННОГО КОДОВОЙ Комбинацией, ПО-

сигнала; Я—точка на кривой вое- СКОЛЬКУ ТВКОе ПОЛОЖеНИё ВёрШИНЫ ЯВ-становленного сигнала; А—В'=х — , г-т

мгновенное значение шума кванто- ЛЯёТСЯ Наиболее ВерОЯТНЫМ. ПрИ ЭТОМ

^вания способе максимально возможная

ошибка восстановления дискрета не превышает величины а/2, где а — ширина интервала шага квантования. Разность х (рис. 2.7) между восстановленным и действие тельным значениями дискрета называется шумом квантования Зк. 23 "
Средняя мощность шума квантования для L дискретов, ^находящихся в рассматриваемом интервале с величиной а==а,., составляет

i=i Для большого L эту величину можно определить с помощью следующей зависимости:

где р(х)—'распределение вероятности появления определенных значений х для тех дискретов, которые попадают в рассматриваемый г-й интервал с величиной а-г. Для малых значений интервала а.г можно принять, что распределение р(х) в этом интервале равномерно и не зависит от распределения вероятности сигнала.

"г/²Отсюда следует, что Р (^х) dx == 1 и, следовательно,

-а,/2 °г/2

Pk J dx=\ и p^\fa^ g результате после интегрирова-

-а,/2

ния имеем

5^=^/12.

Результирующий шум квантования представляет собой сумму шумов квантования, возникающих во всех интервалах квантования с учетом вероятности ps(r) того, что дискрет попадает в определенный г-й интервал. Отсюда.

где N—число шагов квантования, на которое был разделен рабочий диапазон кодера {N=2ⁿ). Если шаги квантования а.г одинаковы и равны а, то множитель S\r является постоянной величиной и может быть вынесен за зна.к суммы:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 14