Контрольные вопросы по модулю 1 Цифровые системы передачи плезиохронной цифровой иерархии Особенности построения цифровых систем передачи
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
1.1.4. Разделение сигналов по форме Для разделения сигналов могут использоваться не только такие очевидные признаки, как частота, время и фаза. Наиболее общим признаком является форма сигналов. Различающиеся по форме сигналы могут передаваться одновременно и иметь перекрывающиеся частотные спектры, и, тем не менее, такие сигналы можно разделить, если выполняется условие их ортогональности. Пусть в качестве переносчиков выбраны импульсы, последовательность которых образует, например, степенной ряд. В предположении, что информация содержится в коэффициентах с, с, ..., с для группового сигнала запишем s(t) = c 1 1 + c 2 t +...+ Члены ряда линейно независимы, и, следовательно, ни один из канальных сигналов c k t k -1 не может быть образован линейной суммой всех других сигналов. Это легко понять, обратив внимание на то, что многочлен от t может быть тождественно равен нулю только в том случае, когда все его коэффициенты равны нулю. В последние годы успешно развиваются цифровые методы разделения сигналов по их форме, в частности в качестве переносчиков различных каналов используются дискретные ортогональные последовательности в виде функций 13 Уолша, Радемахера и др. Широкое развитие методов разделения по форме сигналов привело к созданию систем связи с разделением почти ортогональных сигналов, представляющих собой псевдослучайные последовательности, корреляционные функции и энергетические спектры которых близки к аналогичным характеристикам ограниченного белого шума. Такие сигналы называют шу- моподобными (ШПС). Основной характеристикой ШПС является база сигнала В, определяемая как произведение ширины его спектра F на его длительность Т База ШПС характеризует расширение его спектра по сравнению со спектром исходного сигнала. Расширение спектра частот может осуществляться умножением исходного сигнала (например двухчастотной ЧМ) на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом повторения Травным длительности интервала модуляции исходного ЧМ-сигнала), включающую N бит ПСП длительностью τ 0 каждый. В этом случае база ШПС численно равна количеству элементов ПСП ВТ. Поскольку параметры сигнала ШПС (значения бит ПСП – два набора значений в случае двухчастотной ЧМ) известны, то прием ШПС может производится приемниками, рассчитанными на прием сигналов с известными параметрами. В результате отношение сигнал/шум на выходе приемника улучшается в Враз по отношению ко входу. В зарубежных источниках для обозначения данного принципа применяется понятие кодового разделения каналов Code Division Multiply Access (CDMA). 1.2. Аналоговые системы передачи 1.2.1. Принципы построения аналоговых систем передачи Отличительным признаком канальных сигналов в аналоговых системах передачи с частотным разделением каналов (АСП с ЧРК) является частотный диапазон, занимаемый спектром сигналов U i (t). С помощью системы несущих колебаний н, … , н (рис) модуляторы ММ формируют канальные сигналы, спектры которых занимают взаимно непересекающиеся диапазоны частот (рис. 1.8). Спектры первичных сигналов идентичны и занимают диапазон кГц. Здесь используется стандартное обозначение спектра первичного сигнала в виде прямоугольного треугольника. В результате модуляции формируются канальные сигналы со спектрами S 1 (ω), … , S N (ω). На приёмном конце разделение канальных сигналов осуществляется системой канальных фильтров КФ 1 , … , КФ N 14 Линейный тракт . . . ∑ КФ 1 КФ N . . . 0,3 3,4 0,3 3,4 0,3 3,4 1 1 N f н1 f н1 f нN f нN 0,3 3,4 N М 1 М N ДМ 1 ДМ N Рис. 1.7. Структурная схема системы передачи с ЧРК ∆F N ∆F 2 ∆F 1 0 0,3 3,4 f, кГц 2 N S N (f) S 2 (f) S 1 (f) f нN f н1 f н2 . . . . . . Рис. 1.8. Схема преобразования спектров сигналов в АСП с ЧРК 1.2.2. Методы формирования канальных сигналов Для организации по одной линии передачи большого числа каналов используют метод частотного разделения каналов (ЧРК), при котором сигналы от разных источников с помощью сигналов-переносчиков размещаются в непрерывающихся частотных полосах. Для этой цели можно использовать разные виды модуляции – амплитудную, частотную и фазовую. Для более эффективного использования линии передачи желательно в её полосе частот разместить как можно больше каналов. Это означает, что спектр частот, отводимый для одного канального сигнала, должен быть как можно более узким. Из перечисленных выше видов амплитудная модуляция характеризуется самым узким спектром модулированного сигнала. Если принять, что в качестве несущей частоты (сигнала-переносчика) используется гармоническое колебание на исходного (преобразуемого) сигнала – гармоническое колебание, то выражение для амплитудно-модулированных колебаний будет иметь вид U АМ (t) = U ω (1+m cos Ωt)cos н 15 где m= U Ω / U ω – коэффициент глубины модуляции. Разложив выражение для U АМ (t) на слагаемые, получим U АМ (t)= U ω cos н + (m/2) н – Ω)t ] + (m/2) U ω cos н+ Ω)t В системе передачи с ЧРК преобразуемый сигнал представляет собой сложное гармоническое колебание ПС Тогда спектр амплитудно-модулированных колебаний будет состоять из несущей частоты и двух боковых полос, занимающих частотный диапазон ∆Ω = Ω max – Ω min (рис. 1.9). При этом верхняя боковая (н + Ω i ) преобразуется без инверсии, а нижняя боковая (нс инверсией. Частотный интервал между нижней и верхней боковыми полосами определяет абсолютную величину полосы расфильтровки ∆Ω р Рис. 1.9. Спектр амплитудно-модулированного сигнала Передача канального сигнала, содержащего несущее колебание и две боковые полосы частот, является нерациональной, так как ширина спектра этого сигнала кв раза с лишним больше, чем ширина спектра исходного (преобразуемого) сигнала ∆Ω. В тоже время передача обеих боковых полос необязательна, потому что они несут одинаковую информацию о преобразуемом сигнале. Несущее колебание вообще не содержит полезной информации, хотя основная мощность АМ сигнала приходится на несущее колебание. В современных системах передачи с ЧРК используют метод передачи одной боковой полосы (ОБП) частот без несущей. Основным способом получения ОБП является использование фильтрового преобразователя частоты (рис. 1.10), состоящего из модулятора Мс помощью которого осуществляется амплитудная модуляция преобразуемого сигнала и подавляется несущее колебание н = ни полосового фильтра ПФ, который выделяет верхнюю (или нижнюю) боковую полосу частот. В некоторых малоканальных системах передачи с ЧРК для получения ОБП используется фазоразностная схема, которая позволяет существенно упростить преобразовательное оборудование. Однако из-за недостаточного подавления одной из боковых полос при использовании фазоразност- ного метода на канальный сигнал в линейном спектре отводится полоса в 2 раза больше, чем при фильтровом методе формирования ОБП. Так, при организации канала ТЧ с учётом защитных полос в линейном спектре на него отводится при фильтровом методе формирования ОБП полоса 4 кГц, а при фазоразностном – 8 кГц. н н + ω Ω Ω ∆ Ω ∆ Ω min Ω max Ω Ω ∆ р Ω ∆ к U 16 н + F f н f н - н + F f н F M ПФ U f f н F f н - н + Рис. 1.10. Фильтровой преобразователь частоты Важной технической задачей при построении систем передачи с ЧРК и передачей ОБП является необходимость восстановления несущего колебания на приёмной станции. Частота восстановленного колебания должна с требуемой точностью совпадать с частотой несущей на передающей станции. Эта задача решается путём соответствующего построения генераторного оборудования оконечных станций систем передачи с ЧРК. 1.2.3. Методы формирования стандартных групповых сигналов Возможности реализации фильтров, обеспечивающих нужную степень подавления на 65…70 дБ неиспользуемой боковой полосы частот при преобразовании сигнала со спектром Ω min … Ω max , определяются относительной шириной полосы расфильтровки (см. рис. 1.9) δ 1 = р / н = р / н / н. Для речевого сигнала р = кГц = 0,6 кГц. При использовании, например фильтров для выполнения указанных выше требований по избирательности, необходимо выполнение условия δ ≥ (0,025 … 0,03). При меньшем значении полосы расфильтровки необходимо использовать кварцевые, магнитострикционные, электромеханические и другие фильтры с высокодобротными элементами. Очевидно, что при очень высоких значениях несущих частот полоса расфильтровки оказывается настолько малой, что реализовать соответствующий фильтр оказывается невозможным. В этом случае, а также тогда, когда применение высокодобротных фильтров нежелательно из экономических соображений, применяют многократное преобразование частоты [1]. При многократном преобразовании (рис. 1.11) сигнал проходит последовательно через несколько преобразователей частоты (ПЧ) с различными несущими частотами. На выходе ПЧ образуется сигнал со спектром (н + Ω min ) … н + Ω max ) или (н – Ω max ) … (н – Ω min ), в зависимости оттого, какая боковая полоса – нижняя или верхняя – выделяется фильтром. Относительная ширина полосы расфильтровки на первой ступени преобразования н. Рис. 1.11. Многократное преобразование частоты ПЧ n ПЧ 1 ПЧ 2 н1 н н ω 17 На выходе ПЧ 2 образуется сигнал со спектром ω н2 +(ω н1 +Ω min ) … +ω н2 +(ω н1 +Ω max ). Относительная ширина полосы расфильтровки на этой ступени преобразования δ 2 =2(ω н1 +ω min )/ω н2 Абсолютная ширина полосы расфильтровки существенно больше, чем на первой ступени преобразования, и даже при сравнительно невысоком значении несущей н величина δ 2 может оказаться больше, что облегчает построение соответствующего фильтра. Для увеличения δ 1 следует выбрать небольшие значения несущей частоты ω н1 . Таким образом, при многократном преобразовании частоты абсолютная ширина полосы расфильтровки на выходе каждого последующего ПЧ больше, чем на выходе предыдущего, что позволяет увеличивать значение несущих частот без уменьшения относительной ширины полосы расфильтровки. Однако общее число преобразователей и, следовательно, общее число разнотипных фильтров оказывается очень большим. В канальной системе число фильтров и их типов равно Nn, где n – число ступеней преобразования. Число фильтров и их типов можно уменьшить, если дополнить многократное преобразование групповым, при котором преобразованию подвергается групповой сигнал. С этой целью N каналов разбивается на m групп по k каналов, те. km=N . В каждой группе сигнал каждого канала подвергается индивидуальному преобразованию с помощью несущих частот н н, н (рис. 1.12). Во всех группах преобразование однотипно, поэтому на выходе каждой группы образуется один и тот же спектр частот (н (н Полученные групповые спектры подвергаются затем групповому преобразованию с несущими гр, гр, ..., гр так что после объединения преобразованных групповых сигналов образуется спектр частот N каналов гр – (ω нк +Ω max ) … гр – (н. Образованные после индивидуального преобразования группы могут подвергаться многократному преобразованию. В рассматриваемом случае общее число фильтров равно гр, а число типов фильтров сокращается до гр, где гр – число групповых ступеней преобразования. 18 Рис. 1.12. Групповое преобразование частоты Таким образом, применение многократного и группового преобразования позволяет унифицировать фильтровое оборудование системы, те. уменьшить его разнотипность. Такая унификация повышает технологичность изготовления узлов аппаратуры ив конечном счете удешевляет ее. Кроме того, применение группового преобразования и стандартизации методов формирования групп каналов позволяет унифицировать часть оборудования различных систем. По этой причине МСЭ-Т были стандартизированы следующие основные группы каналов. В основу стандартных групп каналов положена канальная группа, формируемая в спектре 60…108 кГц и называемая первичной группой (ПГ). Формирование ПГ в современной аппаратуре осуществляется различными путями в зависимости от применяемого типа канальных фильтров. При использо- н2 ω нk ω гр1 ω 2 k н1 ω н2 ω нk ω гр2 ω 1 2 k н1 ω н2 ω грm ω 1 2 Группа m н1 ω 1 нk Группа Группа вании кварцевых или магнитострикционных фильтров ПГ формируется однократным преобразованием с помощью несущих частот 64, 68, 72, …, 108 кГц рис. Преобразованный спектр инвертирован относительно исходного – развёрнутые треугольники свидетельствуют о выделении нижней боковой полосы частот. 1 2 12 0, 3 3 ,4 кГц 104 64 ∑ 60 … 108 кГц 11 1 2 64 68 104 Рис. 1.13. Структурная схема и диаграмма преобразования спектра при однократном способе формирования ПГ При использовании фильтров ПГ формируется путем двукратного преобразования (рис) с помощью четырёх предварительных трёхканаль- ных групп, расположенных в спектре 12…24 кГц, который не инвертирован относительно исходного. Каждая предварительная группа подвергается групповому преобразованию с инверсией. Возможно также образование ПГ с применением электромеханических или монолитных кварцевых фильтров. 20 1 2 3 12 16 20 ∑ 12..24 ∑ 12..24 108 84..96 12..24 96 72..84 12..24 84 60..72 0, 3 3 ,4 кГц 4 5 6 7 8 9 10 11 Рис. 1.14. Структурная схема формирования ПГ при помощи двукратного преобразования Для систем с большим числом каналов целесообразно формирование помимо ПГ канальных вторичных групп (ВГ), которые строятся на базе пяти ПГ в спектре частот 312…552 кГц (рис. Спектр ВГ инвертирован относительно спектров ПГ и, следовательно, не инвертирован относительно исходных спектров 0,3…3,4 кГц. Иногда изменением несущих частот, подаваемых на преобразователи некоторых или всех ПГ, обеспечивают инверсию спектров этих групп. Для обеспечения параллельной работы фильтров они включаются через развязывающий блок параллельной работы первичных групп. Для систем с числом каналов более 300 формируется третичная группа (ТГ) в спектре частот 812…2044 кГц. Эта группа формируется из пяти ВГ с помощью несущих частот [1364+(n–1)·248] кГц, где n – номер ВГ в спектре ТГ. Между ВГ устанавливается частотный промежуток 8 кГц, что облегчает построение фильтров и выделение отдельных ВГ из спектра ТГ. 21 1 2 3 420 468 0, 3 3 ,4 кГц 516 564 4 5 312..552 ПРПГ Рис. 1.15. Структурная схема преобразования при формировании ВГ Для мощных систем, работающих в спектре частот до 60 МГц, могут также применяться 900- и канальные группы, которые строятся соответственно из трёх или шести третичных групп в спектрах частот 8516…12388 и 812…8544 кГц. Группа из 900 каналов, называемая четверичной, может формироваться также непосредственно из 15 вторичных групп, ив этом случае она занимает спектр частот 312…4028 кГц. Таким образом, многократное и групповое преобразование частоты позволяет облегчить требования, предъявляемые к канальным фильтрам, уменьшить разнотипность систем, что резко повышает их экономичность. Широкополосные каналы. Современные системы передачи позволяют кроме стандартных каналов ТЧ организовать каналы с более высокой пропускной способностью. Увеличение пропускной способности достигается расширением ЭППЧ, причем широкополосные каналы образуются объединением нескольких каналов ТЧ. В настоящее время аналоговые системы передачи предусматривают образование следующих широкополосных каналов − предгруппового канала с полосой частот 12..24 кГц взамен трех каналов ТЧ; − первичного канала 60..108 кГц взамен 12 каналов ТЧ; − вторичного канала 312..552 кГц взамен 60 каналов ТЧ; − третичного канала 812..2044 кГц взамен 300 каналов ТЧ. Кроме перечисленных каналов в системах передачи формируются каналы вещания и телевидения (со звуковым вещанием. 22 1.2.4. Основные узлы аналоговых систем передачи Каналообразующее оборудование Современные системы передачи с ЧРК разработаны таким образом, что преобразовательное оборудование, с помощью которого формируются стандартные группы каналов, унифицировано и является типовым для всех систем. Оборудование индивидуального преобразования предназначено для преобразования каналов тональной частоты в спектре 0,3…3,4 кГц в полосу частот стандартной первичной группы 60…108 кГц на передаче и обратного преобразования на приме. Размещается настойках индивидуального преобразования (СИП, которые выпускаются в различных вариантах. Для систем передачи с небольшим числом каналов можно использовать СИП, на которой размещается оборудование для формирования пяти ПГ. Для систем с большим числом каналов может применяться СИП, которая содержит оборудование для образования 25 ПГ. Для достижения полной унификации независимо от типа СИП на входе и выходе трактов передачи и приёма устанавливаются опре- делённые измерительные уровни. Оборудование группового преобразования предназначено для преобразования стандартных групп с меньшим числом каналов в стандартные группы с большим числом каналов. В частности, был разработан оконечный комплекс типового оборудования преобразования (ОКОП) систем передачи с ЧРК, предназначенный для дальнейшей унификации преобразовательного и генераторного оборудования. В состав комплекса входит оборудование первичного преобразования пяти первичных групп в спектре 60…108 кГц в полосу частот вторичной группы 312…552 кГц на передаче и обратного преобразования на приме. Оборудование размещается в стойках первичного преобразования (СПП), рассчитанных на формирование 15 первичных групп. Измерительные уровни на входе и выходе СПП также стандартизированы. Оборудование вторичного преобразования размещается настойке вторичного преобразования (СВП) и предназначено для преобразования пяти вторичных групп (312…552 кГц) в спектр стандартной третичной группы (812…2044 кГц) на передаче и обратного преобразования на приме. При помощи СВП можно получить восемь третичных групп. Применение унифицированного оборудования СИП, СПП и СВП позволяет организовывать тракты с любым числом каналов при минимальной разнотипности аппаратуры и, следовательно, максимальной технико-экономической эффективности систем передачи с ЧРК. Кроме того, стандартизация параметров преобразовательного оборудования позволяет легко осуществлять соединение между собой одноимённых каналов или групповых трактов (транзитные соединения. Оборудование сопряжения и линейного тракта систем передачи. Системы передачи с ЧРК отличаются друг от друга лишь оборудованием сопряжения и линейного тракта. Аппаратура сопряжения является специфической для каждой конкретной системы передачи и предназначена для преобразования стандартных групп, полученных в аппаратуре преобразования, в линейный спектр системы на передаче и обратного преобразования на приме. 23 Линейный спектр системы передачи с ЧРК сформирован оборудованием сопряжения в тракте передачи, должен быть передан в линию с определённым уровнем, который определяется типом линии, числом каналов в системе передачи. Необходимый уровень сигнала на входе линии передачи обеспечивается усилителем, расположенным на оконечной станции. В тракте приёма оконечной станции также устанавливается усилитель. Его назначение – усилить групповой сигнал, ослабленный при прохождении по линии. Усилители передачи и приёма входят в состав оконечной станции. Для нормального функционирования системы передачи и обеспечения высокого качества связи по каналам, образованным этой системой, необходимо контролировать состояние линейного тракта. Такой контроль осуществляют обычно передачей в линию совместно с основным групповым сигналом дополнительных сигналов, которые называются контрольными частотами (КЧ). В тракте приёма противоположной оконечной станции токи КЧ выделяются из линейного спектра передачи с ЧРК и управляют работой устройств автоматического регулирования уровней (АРУ, с помощью которых поддерживаются неизменными характеристики линейного тракта системы передачи. Устройства для введения и выделения токов КЧ, корректирующие устройства и устройства АРУ, расположенные на оконечной станции, наряду с усилителями приёма и передачи входят в состав оконечной аппаратуры линейного тракта. Более подробно оборудование линейного тракта будет рассмотрено ниже (рис. 1.19). Генераторное оборудование АСП с ЧРК предназначено для получения колебаний индивидуальных и групповых несущих частота также контрольных частот. Основной тип преобразователя частоты, применяемый в АСП с ЧРК, представляет собой амплитудный модулятор с полосовым фильтром, включенным на его выходе (рис. 1.16). Фильтр выделяет одну из боковых полос частот в спектре выходного сигнала модулятора и подавляет на 65…70 дБ неиспользуемую полосу частот. Каждое из этих колебаний должно удовлетворять ряду требований, важнейшими из которых являются стабильность частоты и амплитуды, помехозащищенность, надежность. В современных АСП все колебания несущих и контрольных частот вырабатываются в генераторном оборудовании (ГО, содержащем задающий генератор (ЗГ), аналоговые перемножители частоты в виде генераторов гармоник (ГГ), делитель частоты (ДЧ), узкополосные фильтры, выделяющие соответствующие гармоники kf 0 , pf 0 , gf 0 , усилители, обеспечивающие необходимую мощность несущих и контрольных частот. 24 ЗГ ДЧ m n kf 0 gf 0 pf 0 Рис. 1.16. Структурная схема генераторного оборудования Стабильность и точность частоты ЗГ устанавливается на основе требований МСЭ-Т по допустимому сдвигу частот в канале ТЧ при прохождении двух станций, который не должен превышать 1 Гц. Для получения высокой стабильности частоты ЗГ стабилизируется кварцевым резонатором, помещенным в термостат. Колебания, вырабатываемые ГО, должны быть защищены от помех, особенно от гармоник частоты напряжения питающей сети 50 Гц. В большинстве аналоговых СП предусмотрено 100%-ное резервирование узлов ГО, причем переключение на резервное оборудование, как правило, происходит автоматически. |