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):
n1.doc3491kb.02.11.2012 13:45скачать

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, fчисло 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).

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/2 Отсюда 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


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации