Контрольные вопросы по модулю 1 Цифровые системы передачи плезиохронной цифровой иерархии Особенности построения цифровых систем передачи
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
1.2.8. Влияние шумов (помех) в линии Человеческое ухо неодинаково воспринимает шумы одинаковой мощности, нов разном диапазоне слышимых частот. Те. ухо обладает частотной характеристикой восприимчивости. Поэтому при изменениях шумов их вначале пропускают через специальный псофометрический фильтр, имитирующий АЧХ уха. На рис. 1.26 показан вид АЧХ псофометрического фильтра для телефонного канала ТЧ и для канала звукового вещания. Рис. 1.26. АЧХ псофометрического фильтра Шум на входе фильтра (или без фильтра) называют невзвешеным Р ш , а на выходе – взвешенным псофометрическим Р псф . Для канала ТЧ псофометриче- ский коэффициент составляет раза) (1,78 дБ 5 , 2 lg 10 псф ш псф = = Р Р К – 80 псофометрический уровень, дБ, кГц 60 – 100 0 – 40 – 20 0,1 1 10 0,01 ТЧ вещание 34 Мощность шумов в линии растет пропорционально длине линии. На практике принимают, что примерно 50% шума порождается линией, 50% – аппаратурой, причем допускается на 1 км магистральной линии порождать псо- фометрического шума не более 1 ÷ 3 · 10 –12 Вт. Влияние шума при телефонном разговоре можно оценить, исходя из практических измерений. Если в какой-то точке телефонной линии (например в точке приема) обеспечить нулевой измерительный уровень полезного сигнала, те. Р ст = мВт (те. 10 lg 0 с Р Р =0), то при псофометрической (взвешенной) мощности помех – P псф = 10000 пВт = 10 – 8 Вт – шумы едва слышны – P псф = 100000 пВт = 10 – 7 Вт – разборчивость речи ещё достаточна – P псф = 10 – 6 Вт – качество связи неудовлетворительно. Для телефонных магистральных каналов принято, что суммарная мощность псофометрических шумов при самой большой протяжённости канала и максимальном количестве регенерационных пунктов не должна превышать 50000 пВт псоф, что соответствует невзвешенной допустимой мощности помех ш доп ≈ 87000 пВт = 0,087 мкВт в точке с нулевым измерительным уровнем. При этом нормируются и уровни полезного сигнала. Средняя мощность сигнала P ср = мВт (пиков = 2220 мкВт = 2,22 мВт. Отсюда пропускная способность канала ТЧ бит/с 10 25 3200 087 , 0 1 log 3100 1 log 3 2 2 ТЧ ш с.ср ⋅ = + ⋅ = + ⋅ ∆ = P P F C , где ∆F – эффективно передаваемая полоса частот ш – невзвешенная средняя мощность помех. Т.к. максимальная длина магистрального канала 12500 км и на ней 5 пе- реприёмных участков, то доп для одного переприёмного участка 10000 доп пВт псоф. Из них 2500 пВт отводится на аппаратуру, 7500 пВт – на линейный тракт. Один участок (из 5-ти) имеет длину 2500 5 12500 1 = = l км, тогда на 1 км линейного тракта 3 2500 7500 км доп пВт псоф. Если же магистральный участок будет подключаться к междугородней глобальной) сети, то требования ещё выше. Магистральный участок (12500 км) должен иметь доп = 25000 пВт, из них 12500 пВт – линия, 12500 пВт – аппаратура. Это даёт P псф = 1 пВт. При измерениях полезного сигнала выполняют измерения абсолютного уровня мощности псофометрического сигнала относительно 1 мВт в точке с нулевым уровнем (обозначается как дБм0п [dBm0p]). 35 1.2.9. Характеристики канала ТЧ Стандартный канал ТЧ. Канал тональной частоты (ТЧ) является единицей измерения емкости систем передачи и используется для передачи телефонных сигналов, а также сигналов данных, факсимильной и телеграфной связи. Такой канал включает в себя двухпроводное окончание и четырехпроводный тракт. Дифсистема (ДС) служит для перехода с четырехпроводного тракта к двухпроводному окончанию. Удлинители в двухпроводном окончании имеют затухание 3,5 дБ и называются транзитными. Характеристики канала ТЧ нормируются рекомендациями МСЭ-Т серии МВ нашей стране требования МСЭ-Т уточняют Нормы на электрические параметры каналов ТЧ магистральной и внутри- зоновых первичных сетей, введенные в действие приказом Министерства связи от 15.04.96. Нормированные (номинальные) измерительные уровни в стандартных точках канала ТЧ составляют на входе канала – 0 дБм, на выходе транзитного удлинителя – минус 3,5 дБм, на входе четырехпроводного тракта – минус 13 дБм, на выходе четырехпроводного тракта – плюс 4,3 дБм, на входе транзитного удлинителя – минус 3,5 дБм и на выходе канала – минус 7 дБ (рис. 1.27). –13дБ Канал ТЧ Канал ТЧ дБ дБ РУ дБ дБ РУ дБ дБ –13дБ +4,3дБ +4,3дБ –3,5дБ –3,5дБ –7дБ 0 дБ Рис. 1.27. Номинальные измерительные уровни канала Входное Z вх и выходное Z вых сопротивления канала ТЧ равны 600 Ом. Отклонение входного и выходного сопротивлений от номинального н оценивается коэффициентом отражения ρ отр = н – Z р )/(Z н + Z р )] или затуханием несогласованности (отражения) а отр =20lg[(Z н + Z р )/(Z н – р, где р – реальное значение сопротивления. Значение ρ отр не должно превышать 10%. Остаточное затухание канала. Это есть величина, равная разности суммы затуханий и суммы усилений в канале ост = ∑a – ∑S. Остаточное затухание канала ТЧ составляет 7 дБ. Максимальное отклонение во времени на одном транзитном участке не должно превышать 2,2 дБ с вероятностью 0,95. Также затухание можно оценить как вх вых ост lg 10 P P a = 36 Затухание в линии связи всегда растёт с ростом частоты сигнала. Рекомендуется использовать линии связи, у которых остаточное затухание укладывается в специальный шаблон. Динамический диапазон сигнала min max Для канала ТЧ D = дБ, обычно D = дБ. Эффективно передаваемая полоса частот канала ТЧ – полоса, на крайних частотах которой (0,3 и 3,4 кГц) остаточное затухание на 8,7 дБ превышает остаточное затухание на частоте 800 Гц. Частотная характеристика отклонения канала ТЧ от номинала 7 дБ должна оставаться в пределах шаблона при максимальном числе транзитов, те. при 12 переприемных участках (рис. 1.28). –2,2 2,2 4,3 8,7 0,3 0,4 0,6 0,8 2,4 3,0 ост дБ, кГц Рис. 1.28. Шаблон отклонения остаточного затухания аналогового канала ТЧ Фазочастотные искажения не являются столь существенными при передаче речи. Но т.к. каналы ТЧ используются также для передачи данных и факсимильной связи, большие фазочастотные искажения недопустимы. Поэтому нормируется отклонение группового времени передачи (ГВП) от его значения на частоте 1900 Гц на одном транзитном участке длиной 2500 км (рис. 1.29). 37 0,5 1 1,5 ГВП мс 1,4 2 2,4 f , кГц 0,4 3,3 Рис. 1.29. Допустимые отклонения ГВП канала ТЧ Коэффициент нелинейных искажений канала ТЧ на одном транзитном участке не должен превышать 1,5% (1% по третьей гармонике) при номинальном уровне передачи тока частотой 800 Гц. Амплитудная характеристика при этом нормируется следующим образом остаточное затухание канала на одном транзитном участке должно оставаться постоянным с точностью 0,3 дБ при изменении уровня измерительного сигнала от минус 17,5 дБ до плюс 3,5 дБ в точке с нулевым измерительным уровнем на любой частоте в пределах 0,3...3,4 кГц. При повышении уровня измерительного сигнала дои дБ остаточное затухание должно уменьшиться не менее чем на 1,75 и 7,8 дБ соответственно. Помехи в каналах ТЧ. На выходе канала ТЧ, кроме информационного сигнала, присутствуют помехи, которые определяются на приемном конце в точке с относительным уровнем минус 7 дБ. Средняя величина псофометрического взвешенного) напряжения помех в канале в течение любого часа на одном пе- реприемном участке длиной 2500 км не должна превышать 1,1 мВ псоф (10000 пВт псоф в точке относительного нулевого уровня. 1.2.10. Краткая характеристика систем передачи Системы передачи для магистрального участка первичной сети К-1920П. Позволяет организовать 1920 каналов ТЧ или 300 каналов ТЧ и канал телевизионного (ТВ) и звукового вещания (ЗВ). В первом случае линейный спектр формируется из 6 ТГ и 2 ВГ в полосе частот 312...8524 кГц. Во втором случае преобразуются 5 ВГ, которые совместно с каналами ТВ и ЗВ занимают полосу частот 273...8491 кГц. Дальность действия 12500 км, максимальная длина переприемного участка по ТЧ 1500 км. В линейном тракте используются ОУП и НУП. Питание НУП осуществляется дистанционно. Между двумя ОУП может размещаться до 40 НУП. Длина усилительного участка 6± 0,15 км. К. Позволяет организовать 360 каналов ТЧ или 1800 каналов ТЧ, а также канал ТВ и ЗВ. Линейный спектр 812...17596 кГц. Дальность действия 38 12500 км. В линейном тракте используются ОУП и НУП. Питание НУП осуществляется дистанционно. Между двумя ОУП может размещаться до 61 НУП. Длина усилительного участка 3±0,15 км. К и К. Линейный спектр 4..60 МГц. Небольшая длина усилительного участка, равная 1,5 км, обусловила высокую стоимость каналокило- метра, получаемого с помощью К. К имеет линейный спектр 4..32 МГц, за счет чего длина усилительного участка у данной системы равна 3± 0,15 км. Это позволяет использовать систему передачи К для реконструкции магистралей, оборудованных К-1920П и К. На магистральном участке первичной сети также используются системы передачи VLT-1920, ВК-960. Распределительная система КР образует с системой К единый комплекс и предназначена для распределения каналов по промежуточным пунктам основной магистрали. Системы передачи для зонового участка первичной сети К. Предназначена для работы по коаксиальному кабелю МКТ-4 с четырьмя парами. Организуется два линейных тракта общей емкостью 600 каналов ТЧ. Линейный спектр формируется из 5 ВГ в полосе частот 60...1300 кГц. Дальность действия системы составляет 12500 км, что позволяет использовать ее при небольшой потребности в каналах на магистральном участке первичной сети. К и К. Используются однокоаксиальные кабели, поэтому линейный тракт организован по двухполосной схеме. В прямом направлении передается спектр 60...552 кГц, в обратном – 812...1304 кГц. Система К разработана для модернизации участков зоновой сети, оборудованных К. Прирост канальной емкости составляет 300 каналов ТЧ. К-60П и К-1020С. Используются симметричные кабели с различным числом пар (четверок. Система К-60П широко распространена на сетях связи. Линейный спектр составляет 12...252 кГц и формируется путем преобразования одной стандартной ВГ. Значительное число линий передачи магистральной сети организовано с применением симметричного кабеля и системы К-60П. С целью увеличения канальной емкости при использовании существующих симметричных линий передачи была разработана система К-1020С. Линейный спектр образуется из двух ВГ и трех ТГ и занимает полосу частот 312...4636 кГц. Системы передачи для местного участка первичной сети Системы передачи местной сети работают по симметричным кабелями воздушным линиям связи. Требования, предъявляемые к системам городского и сельского участков сети, существенно различаются. Городские системы передачи предназначены для организации большого числа каналов на сравнительно малые расстояния, в то время как сельские – для организации малого числа каналов на сравнительно большие расстояния. КАМА. Позволяет организовать 30 каналов ТЧ. Используются симметричные кабели разных типов. Связь организуется на сравнительно небольшое расстояние – максимальная дальность связи не превышает 80 км при наличии в 39 линейном тракте шести НУП. Если протяженность линии передачи не превышает км, система КАМА работает без применения промежуточных усилительных станций. КНК-6Т и КНК-12Т. Предназначены для организации соединительных линий между сельскими АТС. Используются одночетверочные симметричные кабели. Максимальная длина связи составляет 105 и 120 км в зависимости от диаметра жил используемого кабеля. В и В. Предназначены для работы по ВЛС. Удельный весна сельском и даже зоновом участках первичной сети еще длительное время останется значительным. Максимальная частота линейного спектра не превышает 150 кГц. АВУ – аппаратура абонентского высокочастотного уплотнения. Позволяет организовать на абонентской линии один дополнительный канал. Осуществляется преобразование на несущей 28 кГц при передаче от абонента к станции и на несущей 64 кГц в обратном направлении. 40 1.3. Контрольные вопросы по модулю 1 1. Какой тип модуляции используется при формировании канальных сигналов аналоговых систем передачи с частотным разделением каналов Объясните, почему используется именно это тип модуляции 2. Объясните, с какой целью используют метод многократного преобразования частоты при формировании группового сигнала аналоговой системы передачи с частотным разделением каналов 3. Что такое защитный интервал и для чего его используют при формировании группового сигнала аналоговой системы передачи с частотным разделением каналов 4. Перечислите стандартные групповые сигналы аналоговых систем передачи с частотным разделением каналов и объясните принципы формирования стандартных групповых сигналов. 5. Какие функции выполняет генераторное оборудование аналоговой системы передачи с частотным разделением каналов 6. С какой целью в групповой сигнал линейного тракта аналоговой системы передачи с частотным разделением каналов вводятся контрольные частоты. Какие методы используются для двухсторонней передачи сигналов аналоговых систем передачи с частотным разделением каналов 8. Какие функции выполняет развязывающее устройство в оборудовании линейного тракта аналоговых систем передачи 9. Покажите на рисунке, между какими точками двунаправленного канала производится измерение остаточного, рабочего и переходного затуханий. РУ РУ 4-проводный канал S А-Б S Б-А 2 2 2 2 4 4 4 4 1 1 1 1 А Б 10. Объясните, что такое псофометрический фильтр, и с какой целью его используют в тракте передачи канала ТЧ? 11. Перечислите основные параметры канала ТЧ. 12. С какой целью выполняется измерение группового времени передачи для канала ТЧ? 41 2. Цифровые системы передачи плезиохронной цифровой иерархии 2.1. Особенности построения цифровых систем передачи Основной тенденцией развития телекоммуникаций во всем мире является цифровизация сетей связи, предусматривающая построение сети на базе цифровых методов передачи и коммутации. Это объясняется следующими существенными преимуществами цифровых методов передачи перед аналоговыми. Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) этих символов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помехи искажений на качество передачи информации. Слабая зависимость качества передачи от длины линии связи. В пределах каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов оказываются ничтожными. Длина регенерационного участка и оборудование регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остаются практически такими же, как ив случае передачи на малые расстояния. Так, при увеличении длины линии враз для сохранения неизменным качества передачи информации достаточно уменьшить длину регенерационного участка лишь на несколько процентов. Стабильность параметров каналов цифровых систем передачи (ЦСП). Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной характеристики др) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства составляют незначительную часть оборудования ЦСП, стабильность параметров каналов в таких системах значительно выше, чем в аналоговых. Этому также способствует отсутствие в ЦСП влияния загрузки системы на параметры отдельных каналов. Эффективность использования пропускной способности каналов для передачи дискретных сигналов. При вводе дискретных сигналов непосредственно в групповой тракт ЦСП скорость их передачи может приближаться к скорости передачи группового сигнала. Если, например, при этом будут использоваться временные позиции, соответствующие только одному каналу ТЧ, то скорость передачи будет близка к 64 кбит/с, в то время как в аналоговых системах она обычно не превышает 33,6 кбит/с. Возможность построения цифровой сети связи. Цифровые системы передачи в сочетании с цифровыми системами коммутации являются основой цифровой сети связи, в которой передача, транзит и коммутация сигналов осуществляются в цифровой форме. При этом параметры каналов практически не зависят от структуры сети, что обеспечивает возможность построения гибкой разветвленной сети, обладающей высокими надежностными и качественными показателями. Высокие технико-экономические показатели. Передача и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать оборудование на единых аппаратных платформах. Это позволяет резко снижать трудоемкость изготовления оборудования, значительно снижать его стоимость, потребляемую энергию и габариты. Кроме того, существенно упрощается эксплуатация систем и повышается их надежность. Требования к ЦСП определены в рекомендациях МСЭ–Т серии G. 2.2. Основной цифровой канал 2.2.1. Дискретизация и квантование В системах передачи с ВРК используются цифровые сигналы, представляющие собой ту или иную импульсную кодовую последовательность, те. это система для передачи цифровых данных. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой используются операции дискретизации, квантования, кодирования. Дискретизация осуществляется на основе теоремы Котельникова. Для сигналов ТЧ с полосой 0,3 … 3,4 кГц + 0,9 кГц (защитный интервал, те. в = 4 кГц. Тактовая частота дискретизации т = в = 8 кГц. Каждый отсчёт переда тся 8 битами, следовательно, сигнал ТЧ можно передавать со скоростью т × 8 бит = 8000×8 = 64 кбит/с. Это и есть скорость передачи одного канала ТЧ. Отсчёты передаются в виде восьмиразрядных двоичных чисел, получаемых при квантовании отсчётов. Т.к. квантование имеет конечное число уровней, то очевидно, что квантованный сигнал не является точным. Разница между истинным значением отсчёта и его квантованным значением – это шум квантования. Значение шума квантования зависит от количества уровней квантования, скорости изменения сигнала и от способа выбора шага квантования. Обозначим величину ого шага квантования через δ i . Если значение входного сигнала U вх удовлетворяет условию U i – δ i /2 ≤ U вх ≤ U i – δ i /2, то сигналу присваивается значение ого уровня квантования U квi . Амплитудная характеристика квантующего устройства содержит две основные зоны квантования и ограничения (рис. 2.1). Зону квантования составляет диапазон –U огр ≤ U вх ≤U огр . В случае │U вх │>│U огр │ происходит ограничение максимальных мгновенных значений сигнала и на выходе квантователя формируется отсчёт с амплитудой, равной U огр . При этом возникают шумы ограничения, мощность которых значительно больше мощности шумов квантования. Поэтому необходимо применять специальные меры, предотвращающие перегрузку квантователя. 43 Рис. 2.1. Амплитудная характеристика квантователя при равномерном квантовании Пусть плотность распределения мгновенных значений отсчётов входного сигнала p(U вх ). Мощность шума ограничения определяется выражением вх огр 2 вх огр вх вх огр 2 вх огр вх ) )( ( ) )( ( огр ш dU U U U p dU U U U p P U U ∫ ∫ ∞ − ∞ − − + + = Величина шума ограничения при заданном U огр зависит от выбора уровня передачи и всегда может быть сделана достаточно малой. Поэтому основными являются искажения квантования. Мощность шума квантования определяется выражением вх огр огр 2 вх кв вх ) )( ( кв ш dU U U U p P U U ∫ − − = При достаточно большом числе уровней квантования М (малый шаг квантования) можно считать, что в пределах го шага p(U вх ) равномерна (постоянна) с шириной δ и высотой p i (U вх ). Тогда выражение для мощности шума квантования можно привести к виду ∑ = M i i i δ p P 12 кв ш, где p i – вероятность попадания сигнала в зону ого шага квантования. В простейшем случае при равномерном шаге квантования, когда все шаги δ i одинаковы, а полная вероятность 1 = ∑ i p , получим 12 кв ш. Таким обра- U вх U вых p ( U вх ) δ P ш кв U огр – U огр U огр – U огр P ш огр P ш огр 44 зом, мощность шума квантования зависит лишь от шага квантования и не зависит от уровня сигнала. Основной недостаток равномерного квантования заключается в следующем. Поскольку мощность шумов квантования не зависит от величины сигнала, защищённость от шумов квантования, определяемая как Аз кв = 10lgP с /P ш кв = p c – ш кв, оказывается небольшой для сигналов с малыми уровнями (слабых сигналов) и возрастает при увеличении уровня сигнала. Для того, чтобы выполнить требования к защищённости Аз кв тр, необходимо уменьшить шаг квантования, те. увеличить число разрешённых уровней. Приуменьшении в 2 раза мощность шумов квантования уменьшается в 4 раза, а защи- щённость возрастает. При U вх >U огр ш кв защищённость от шумов резко падает за счёт попадания сигнала в зону ограничения. Число уровней квантования однозначно связано с разрядностью кода m, необходимой для кодирования квантованных АИМ отсчётов. При использовании двоичных кодов кв = 2 m . Большое число разрядов в коде при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры и неоправданному увеличению тактовой частоты. Устранить указанный существенный недостаток можно, осуществляя неравномерное квантование, которое используется в современных ЦСП. Сущность неравномерного квантования заключается в следующем. Для слабых сигналовшаг квантования выбирается минимальными постепенно увеличивается, достигая максимальных значений для сильных сигналов. На рис. 2.2 приведена амплитудная характеристика квантователя при неравномерном квантовании. При этом для слабых сигналов ш кв уменьшается, а для сильных возрастает, что приводит к увеличению Аз кв для слабых сигналов и снижению Аз кв – для сильных, которые имели большой запас по помехозащищён- ности. В результате удаётся снизить разрядность кода, обеспечив при этом выполнение требований к защищённости от шумов квантования в широком динамическом диапазоне сигнала. 45 U вх U вых P ш кв U огр –U огр Рис. 2.2. Амплитудная характеристика квантователя при неравномерном квантовании При заданном динамическом диапазоне сигнала величина шага δ однозначно определяет необходимое число уровней квантования МА- и законы квантования Помехозащищенность в телефонном канале для обеспечения высокого качества связи должна быть Аз = Р с /Р ш = 32,5 дБ. При постоянстве помехозащищенности шаг квантования определяется мгновенными значениями сигнала з 05 , 0 вх 10 12 δ А i u − ⋅ = Для улучшения ситуации на практике используют методы нелинейного двоичного кодирования (нелинейная кодификация. Эти методы основаны на принципах компандерного расширения динамического диапазона сигнала. Входной сигнал сжимается с помощью компрессора до уровня, приемлемого для передачи поданному каналу связи, а на выходе (приёмной стороне) канала сигнал с помощью экспандера вновь восстанавливается. При этом слабые сигналы остаются почти без изменения, а сигналы большого уровня поджимаются. Тем самым быстрота нарастания/убывания сигналов малого и большого уровней как бы сравниваются, и тогда число уровней становится почти одинаковым. Наиболее хорошо подходят для компандирования/экспандирования законы типа ехр(х) и ln(x) соответственно. Наиболее широко используются стандартизованные законы (для симметричного двухполярного входного сигнала) [1]. |