3.6. ТАКТОВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ. ВЫДЕЛЕНИЕ ТАКТОВОЙ
ЧАСТОТЫ
Принципы построения систем тактовой синхронизации. Устройства тактовой синхронизации УТС обеспечивают синхронную работу ГО приемной и передающей частей ЦСП. Только в этом случае ГО приемной части будет вырабатывать управляющие сигналы, совпадающие по частоте и времени с импульсными последовательностями, поступающими в приемное оборудование ЦСП из линейного тракта, обеспечивая тем самым правильное распределение принимаемых импульсов по канальным интервалам и циклам и соответственно правильное декодирование кодовых комбинаций.
Следовательно, основная задача УТС — исключить расхождение частот ГО передачи и приема или, в крайнем случае, обеспечить небольшую величину этого расхождения. Как известно, в аналоговых системах передачи для этих целей применяют, в основном, технические решения, обеспечивающие
стабилизацию частоты задающих генераторов приемного и передающего оборудования (например, кварцевую стабилизацию). Рассмотрим, достаточно ли применения принципа стабилизации частоты ЗГ для цифровых систем передачи.
Предположим, что частота ЗГ первичной ЦСП /
зг
= /
т
= = 2,048 МГц.
Определим максимально допустимую относительную нестабильность частогы ЗГ: * = Af
З
г max/JW н, где Ьгн — номинальное значение /
зг
, а
А^згтах— максимальное отклонение частоты ЗГ от номинального значения.
Очевидно, что в предельном случае управляющий распределительный импульс может не совпадать по временному положению с регистрируемым на величину, равную длительности одного символа,
T
v е. половину тактового интервала Т/2 (в этом случае говорят о несинхронности передающего и приемного оборудования по символам). В наихудшем случае при отклонении частот ЗГ в разные стороны от }
3
п
н
на величину Afsnma* взаимное положение регистрируемого и управляющето импульсов должно отличаться на Аг<Г/2= 1/(2/
т н). При этом период /
т не должен изменяться больше чем на
Т/4.
Предположим, что в момент включения системы частоты ЗГ передающей и приемных частей первичной ЦСП одинаковы и в дальнейшем расходятся. Определим, за какой промежуток времени ^пс при относительной нестабильности k частот ЗГ будет достигнуто положение несинхронности по символам. Так как г
П
с = = T/(4k) = l/(4f
T
k), то, следовательно, k= l/(4/
T
i n
c) » 1/(8- 10 6
*
n c). Если принять, что система будет выходить из состояния синхронизма каждый час (а это будет очень плохая система, так как выход из состояния синхронизма по символам приводит к прекращению связи), то требуемая в этом случае относительная неста- бильность частоты ЗГ составит k= 1/(8-10 6
-3,6• 10 3
) «3,7- 10
-м
, что недостижимо по техническим и экономическим соображениям.
Вывод, следующий из вышеприведенных расчетов: реализация современных ЦСП без устройств тактовой синхронизации (фазирования по посылкам) невозможна.
В ЦСП к устройствам тактовой синхронизации предъявляются следующие требования: высокая точность подстройки частоты и фазы управляющего сигнала
ЗГ приемной части; малое время вхождения в синхронизм; сохранение состояния синхронизма при кратковременных перерывах связи.
Различают две группы УТС, отличающиеся методом использования синхросигналов. К первой группе относятся устройства с синхронизацией по специальному синхросигналу. Этот метод усложняет построение линейного тракта ЦСП и генераторного оборудования, к тому же точность установки фазы управляющих сигналов в большой степени связана с нелинейными искажениями и неравномерностью частотных характеристик линейного тракта. Ко второй группе относятся методы подстройки фазы управляющих импульсов под основной принимаемый сигнал. Такую подстройку можно осуществить либо по специальным синхроимпульсам, либо по рабочим импульсам (элементам кодовых комбинаций цикла). Применение специальных синхроимпульсов снижает пропускную способность системы, поэтому на практике нашел применение метод тактовой синхронизации по рабочим импульсам. Эту группу УТС можно разделить на две подгруппы, отличающиеся способом выделения тактовой частоты.
Рис. 3.23. Структурная схема УТС 70
Рис. 3.24. Принцип выделения тактовой частоты из спектра случайного сигнала
Основное применение в ЦСП с невысокой скоростью передачи нашли
УТС с резонансной системой для выделения тактовой частоты. Достоинства таких систем — простота реализации и, как следствие, улучшение экономических показателей системы, являются определяющими при реализации ЦСП местных и зоновых сетей. Недостатки УТС такого типа: быстрое пропадание тактовой частоты при перерывах связи или при появлении в принимаемом сигнале длинных серий пробелов (нулей); зависимость стабильности выделенной тактовой частоты (а следовательно, и точности фазирования) от длины серии нулей (характера кодовых комбинаций) и стабильности параметров фильтра, выделителя тактовой частоты, а также от скорости передачи.
Более сложным является метод синхронизации с применением устройств автоподстройки частоты генераторов тактовой частоты приемного оборудования, лишенный недостатков первого метода. Иногда эти два метода называют соответственно методами пассивной и активной фильтрации частоты. Устройства тактовой синхронизации с активной фильтрацией получают все большее распространение в ЦСП в связи с их
достоинствами и упрощением вопросов реализации на основе более совершенной элементной базы, обеспечиваемой развитием микроэлектроники.
Сущность метода пассивной фильтрации тактовой частоты состоит в том, что из входного цифрового сигнала с помощью полосовых фильтров, резонансных контуров или избирательных усилителей выделяется тактовая частота. Часть УТС, обеспечивающая выполнение этих функций, называется выделителем тактовой частоты. Структурная схема этого устройства приведена на рис. 3.23,
а, а структура всего УТС — на рис. 3.23,
б. Рассмотрим сущность резонансного метода.
Известно, что энергетический спектр случайной последовательности импульсов со скважностью
q>\ содержит как непрерывную
GH(f), так и дискретную С
д
(/) составляющую (рис. 3.24,
а). Дискретная часть энергетического спектра представляет собой сумму гармоник, кратных тактовой частоте (частоте следования импульсов). Этот вывод можно сделать, не применяя сложных математических выкладок, если представить случайный двоичный сигнал
и в виде суммы регулярной однополярной последовательности импульсов и случайной двухполярной последовательности импульсов.
Как известно, регулярная последовательность импульсов с тактовой частотой /
т имеет дискретный (линейчатый) спектр
G^{f), в составе которого в качестве первой гармоники выступает составляющая с частотой, равной тактовой.
Попутно отметим, что случайная двухполярная последовательность импульсов, как
видно из рисунка, не может быть в свою очередь получена как сумма случайной и регулярной составляющих и, следовательно, спектр такой последовательности не содержит дискретных составляющих.
Очевидно, что превращение двухполярной последовательности в однополярную
(например, применением выпрямительных устройств) позволяет восстановить дискретную часть спектра. Следует обратить внимание на то, что если линейный сигнал пред- ставляет собой случайную последовательность импульсов с частотой /
т и
д=\, то энергетический спектр такого сигнала вообще не содержит дискретной части спектра. Сказанное можно проследить по рис. 3.25, а, на котором показано, что, если q-*-l, то регулярная последовательность импульсов
«сливается» в постоянную составляющую.
Рис. 3.25. Получение тактовой частоты из последовательности импульсов, «затянутых на тактовый интервал»
Для получения тактовой частоты в этом случае приходится применять более сложный метод нелинейного преобразования, чем выпрямление. В таких случаях можно применить метод выделения фронтов, позволяющий увеличить скважность двоичной последовательности импульсов и тем самым ввести в спектр преобразованного сигнала дискретную составляющую. На рис. 3.25, б приведен пример реализации принципа выделения фронтов сигнала со скважностью q=\. С этой целью кроме входной импульсной по- следовательности формируется последовательность импульсов, полученная из входной сдвигом на половину тактового интервала.
Вычитание из первой последовательности второй приводит к формированию случайной двухполярной последовательности со скважностью <7 = 2 и тактовой частотой, равной, как видно из рисунка, тактовой частоте входной последовательности. Выпрямление двухполярной последовательности формирует однополярный сигнал с тактовой частотой, равной тактовой частоте входной случайной последовательности импульсов,
и скважность q — 2>-\, содержащей в спектре дискретную составляющую с частотой, равной тактовой. Аналогичных результатов можно достигнуть, используя для выделения фронтов дифференцирующие цепочки.
В практических случаях на вход ВТЧ двоичный сигнал приходит искаженным, с «заваленными фронтами», а в некоторых случаях устройствами линейного тракта специально формируют сигнал в виде колоколообразных импульсов.
Формирование импульсной последовательности со скважностью q>\ в этом случае возможно путем одностороннего или двухстороннего ограничения, что и показано на рис.
3.25, в.
В оконечной приемной аппаратуре при резонансном методе тактовой синхронизации, как правило, в качестве ЗГ используется ВТЧ, благодаря чему обеспечивается жесткое фазирование управляющих импульсных последовательностей приемной части относительно управляющих импульсных последовательностей передающей части системы. Выделенный гармонический сигнал тактовой частоты обычно преобразуется в основную управляющую импульсную последовательность с частотой следования, равной f
T
, из которой в ГО формируют другие управляющие сигналы. Для формирования тактовых импульсов используются специальные устройства формирования синхроимпульсов ФСИ (см. рис. 3.23).
Устройства активной фильтрации тактовой частоты могут быть подразделены на две группы: с непосредственным воздействием на местный ЗГ тактовой частоты; с воздействием на промежуточный преобразователь ПП тактовой последовательности.
Структурные схемы УТС с активной фильтрацией представлены на рис. 3.26.
Рис. 3.26. Структурная схема устройства активной фильтрации тактовой частоты
В схеме с непосредственным воздействием на ЗГ (рис. 3.26, а) подстройка тактовой частоты под частоту принимаемых импульсов осуществляется по управляющему напряжению С
РФ
, снимаемому с фазового дискриминатора ФД, значение и знак которого зависят от значений и знака разности фаз входных сигналов ФД. Так как напряжение и
РФ
на выходе ФД имеет дискретный характер, непрерывное регулирование частоты ЗГ можно осуществить, пропуская напряжение £/
Р
ф через интегратор (сглаживающую цепочку).
Во втором случае (рис. 3.26, б) изменение тактовой частоты осуществляется изменением числа импульсов, поступающих на вход делителя частоты ДЧ через схему управления СУ. Управление осуществляется от сигнала с выхода ФД, пропущенного через цифровой интегратор на основе реверсивного счетчика РС.
Элементы устройств тактовой синхронизации. Рассмотрим принципы реализации узлов УТС с пассивной фильтрацией. На рис. 3.27 представлена реализация схемы выделителя тактовой частоты. Биполярный линейный сигнал выпрямляется схемой двухполупериодного выпрямителя на диодах
VD) и VD
2
с одновременным ограничением по минимуму, достигаемым за счет обратного смещения диодов смещающим напряжением £
с м. Порог ограничения определяется напряжением £
С
м и сопротивлением R
2
-
Рис. 3.27. Принципиальная схема реализации узлов ВТЧ
Эмиттерный повторитель на транзисторе VT] имеет высокое входное сопротивление, что исключает шунтирующее влияние источника сигнала, вызывающее снижение добротности контура Lj, С
2
, выделяющего из последовательности входных импульсов первую гармонику тактовой частоты. Фильтрующее действие контура основано на принципе ударного возбуждения контура.
Для получения максимальной амплитуды возбуждаемого в контуре колебания частота следования импульсов должна быть равна резонансной частоте контура, а длительность импульсов на входе контура — не превышать половину периода следования 7/2.
Действительно, из теории электрических цепей известно, что в момент поступления импульса на вход контура начинается заряд конденсатора, продолжающийся четверть периода собственных колебаний контура, затем конденсатор разряжается в течение четверти периода через индуктивность, причем в конце интервала времени 7/2 ток через индуктивность достигает максимального значения. Если в этот момент импульс на входе контура заканчивается, т. е. с выводов контура снимается напряжение, в
контуре возникает ЭДС, поддерживающая ток через индуктивность и вызывающая перезаряд конденсатора до максимального значения напряжения обратной полярности. Если же длительность импульса будет больше 7/2, процесс перезаряда будет определяться свободными колебаниями в контуре, затухающими вследствие потерь, и амплитуда отрицательного полупериода окажется меньшей, чем при длительности импульса 7/2.
Очевидно, границы тактовых интервалов должны определяться моментами перехода напряжения тактовой частоты через нуль. В эти
моменты времени формируются управляющие импульсы с частотой следования, равной тактовой. Положение тактовых точек (рис. 3.28, а)
зависит от положения фронтов импульсов входного сигнала УТС, имеющее случайный характер. Амплитуда сигнала на выходе контура зависит от числа следующих подряд импульсов, убывая по экспоненциальному закону при появлении в сигнале длинной серии нулей (рис. 3.28, б). Сигнал на выходе контура не является в полной мере гармоническим, поэтому его называют квазигармоническим сигналом.
Устройство формирования синхросигнала УТС обладает некоторым порогом чувствительности Д£/
п
=^0, определяемым ФСИ, наличие которого приводит также к смещению тактовых точек от идеального местоположения на величину Д7, находящуюся в зависимости от амплитуды выходного сигнала контура. Влияние амплитуды выделенного контуром сигнала представлено на рис. 3.28, в. Уменьшить фазовые смещения (флуктуацию) тактовых точек, вызванную уменьшением амплитуды сигнала на выходе контура при длинных сериях нулей, можно использованием вы- сокодобротного контура. В то же время увеличение добротности Q контура приводит к увеличению избирательности, что ужесточает требования к стабильности положений фронтов импульсов, поступающих на контур, так как изменение положения фронтов приводит к изменению тактовой частоты сигнала.
Рис. 3.28. Влияние длинных серий нулей на амплитуду тактовой частоты и фазовые флуктуации синхроимпульсов
Уменьшение нестабильности тактовой частоты, вызванной рассмотренными выше двумя причинами, требует выполнения двух противоречивых требований к добротности Q контура. Если ограничить специальными мерами число следующих подряд нулей в сигнале на входе
УТС величиной п
0
=£^ 10, добротность контура может не превышать Q = 100.
Дополнительная подстройка фазы тактового напряжения в практических случаях может быть осуществлена схемой фазовращателя, выполненного на элементах L2, С3, R
4
. Изменение фазы тактовой частоты обычно осуществляется подбором емкости конденсатора Сз
Рис. 3.29. Принципиальная схема (а) и векторные диаграммы (б) фазовращателя
Работа фазовращателя поясняется векторными диаграммами, приведенными на рис. 3.29,
б. Напряжение U
R
4
на резисторе R
4
равно векторной сумме напряжений U
B
xi и и вЫ
ю а напряжение Uc3 на конденсаторе
Сз будет равно векторной сумме напряжений U„x2 и и„ых. Как видно из рисунка, направление векторов U„xi и и„х2 одинаковое, т. е. эти напряжения находятся в фазе. Векторная сумма 1)сз и U
R
4
должна быть равна вектору входного напряжения, т. е. сумме векторов U
B
xi и U
B
x2- Следует учесть, что между векторами 11сз и U
R
4
всегда будет прямой угол, так как фаза напряжения на конденсаторе отличается от фазы напряжения на активном сопротивлении на 90°.
Векторные диаграммы приведены для двух значений емкости конденсатора С
3
. Изменение емкости изменяет величину и направление векторов (Л* и U
R
4
,
НО угол между ними всегда будет прямым, при этом векторная сумма этих векторов не изменяется. Вектор и
В
ых, равный векторной разности U
BX
i и U
R
4
ИЛИ
U
bx2
и Uc3 при изменении емкости конденсатора С
3
будет медианой системы прямоугольных треугольников с разными по величине катетами и неизменной гипотенузой. Как известно, величина медианы в этом случае не изменяется. Следовательно, изменение емкости конденсатора С
3
приводит к изменению фазы вектора и
ВЫ
х без изменения модуля вектора.
Приведенные пояснения показывают, что на выходе фазовращателя изменяется фаза квазигармонического колебания тактовой частоты и не изменяется его амплитуда. Реализация процессов, проиллюстрированных векторными диаграммами, возможна при достаточно большом входном сопротивлении усилителя тактовой частоты УТЧ.
В высокоскоростных ЦСП длительность символов кодовых комбинаций весьма незначительна, при этом требуется высокая стабильность временных положений управляющих сигналов и, как следствие этого, высокая стабильность тактовой частоты. В таких случаях в системе ВТЧ используют высокодобротные фильтры. На частотах порядка сотен мегагерц высокую добротность обеспечивают монолитные кварцевые фильтры МКФ.
Место включения МКФ в схему ВТЧ можно проследить по рис. 3.27,
где. он будет включен вместо элементов резонансного контура Сг, L,,
U-
Монолитные кварцевые фильтры имеют весьма высокую добротность и хорошую временную стабильность параметров, что обеспечивает стабильность тактовой частоты. Формирователь синхроимпульсов чаще всего реализуют по структурной схеме, приведенной на рис. 3.30, а.
Рис. 3.30. Формирование синхроимпульсов тактовой синхронизации из тока тактовой частоты
С выхода ВТЧ напряжение тактовой частоты поступает на усилитель- ограничитель с двухсторонним ограничением УО (либо триггер Шмитта).
Обычно нижнее пороговое напряжение £/
п2
выбирается близким к нулю, а верхнее
Umтакже стремятся минимизировать. Это позволяет получить достаточно большую крутизну фронта импульса на выходе УО и уменьшить влияние колебаний амплитуды
UTна временные позиции синхроимпульсов.
Сформированные УО импульсы усиливаются мощным апериодическим или ключевым усилителем УИ и поступают на схему выделения фронта, реализованную в виде дифференцирующей цепи ДЦ. Временные диаграммы,
поясняющие работу схемы, приведены на рис. 3.30,
б: В схеме, приведенной на рис. 3.30,
в, выделение фронта импульса осуществляется за счет использования линии задержки ЛЗ, обеспечивающей формирование синхропоследовательности СИ
2
, сдвинутой по времени относительно СИ! на интервал времени Глз- На схеме совпадения СС формируются синхроимпульсы СИ длительностью А/си и периодом следования, равным периоду тактовой частоты.
Рассмотрим принципы построения узлов УТС с активной фильтрацией тактовой частоты и непосредственным воздействием на генератор тактовой частоты ГТЧ. На рис. 3.31,
а представлена функциональная схема УТС такого типа. Последовательность входных импульсов поступает на ФД, состоящий из двух триггеров Di и D
2
соединенных с ними усилителей УС] и
Ус
2
. На второй вход ФД поступают импульсы с выхода формирователя тактовых импульсов ФТИ. При совпадении частот следования этих импульсов интервал времени между их фронтами равен четверти периода.
Фронтом импульсов ФТИ устанавливается триггер D
2
и сбрасывается триггер
Du фронтом входных импульсов состояние триггеров меняется на противоположное. При этом на выходах триггеров формируются импульсы длительностью Г/4, следующие до и после фронта ФТИ.
Рис. 3.31. Функциональная схема (а) и временные диаграммы (б)
устройства активной фильтрации тактовой частоты
Поступая на входы Ус, и Ус
2
, эти импульсы формируют на выходах усилителей одинаковые по величине и противоположно направленные
напряжения. При этом входное напряжение Ус
2 заряжает конденсатор С, выполняющий роль интегратора, а выходное напряжение Ус] разряжает его.
При совпадении частоты ГТЧ с тактовой интервалы времени заряда и разряда конденсатора одинаковы, при этом напряжение на конденсаторе сохраняется неизменным. Снимаемое с конденсатора напряжение обеспечивает смещение варикапа VD, устанавливая определенные значения его емкости и частоты кварцевого ГТЧ.
Несовпадение частот следования входных импульсов и импульсов
ФТИ вызывает изменение фазового сдвига между ними, что приводит к неравенству длительностей импульсов на выходах D! и D
2
. Напряжение на конденсаторе изменяется, изменяя емкость варикапа VD и частоту ГТЧ.
Происходящие при этом в схеме процессы поясняет рис. 3.31, б.
3.7 ЦИКЛОВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ
Принципы организации цикловой синхронизации. Синхронизация приемной и передающей станции по циклам обеспечивает правильное декодирование кодовых групп и распределение группового АИМ сигнала по соответствующим приемникам каналов.
Для обеспечения этой синхронизации в начале каждого цикла в состав группового цифрового сигнала вводится специальный синхросигнал, который представляет собой отдельный импульс или группу импульсов определенной комбинации.
К системам цикловой синхронизации предъявляются следующие основные требования: время вхождения в синхронизм при первоначальном включении аппаратуры в работу и время восстановления синхронизма при его нарушении должно быть минимально возможным; число разрядов синхросигнала в цикле передачи при заданном времени восстановления синхронизма должно быть минимальным;
приемник синхросигнала должен быть помехоустойчивым, что обеспечивает большее среднее время между сбоями синхронизма.
При реализации этих требований приходится решать противоречивые задачи. Ввод синхросигнала в групповой сигнал дополнительно к кодовым группам информации требует увеличения скорости передачи группового сигнала, а это увеличивает полосу частот, передаваемых по линии. Если скорость передачи оставить прежней, то синхросигнал надо вводить взамен части информационных символов, а это уменьшает пропускную способность системы передачи. Аналогичные противоречия встречаются и при выборе числа разрядов в синхросигнале. Уменьшение разрядов в синхросигнале повышает пропускную способность ЦСП, но увеличивает время восстановления синхронизма, так как возрастает вероятность появления аналогичных комбинаций в информационных символах. Увеличение разрядов в синхросигнале улучшает работу цикловой синхронизации, но уменьшает пропускную способность ЦСП.
Рис. 3.32. Способы передачи циклового синхросигнала
Отметим основные отличительные признаки синхросигнала и способы ввода его в групповой сигнал. Основными отличительными особенностями
синхросигнала являются его периодичность, или повторяемость, на одних и тех же позициях в каждом цикле и постоянство кодовой комбинации. Эти свойства используются при выделении синхросигнала на приемной станции.
Групповой цифровой сигнал каналов в силу случайного характера абонентских сигналов свойствами периодичности не обладает. По числу разрядов различают одноразрядные и многоразрядные синхросигналы.
Многоразрядные синхросигналы различаются по распределению разрядов в цикле передачи: сосредоточенные, рассредоточенные. На рис. 3.32 показаны циклы, содержащие одноразрядный (рис. 3.32, а) и многоразрядные (с комбинацией 101) сосредоточенный (рис. 3.32, б) и рассредоточенный (рис.
3.32, в) синхросигналы. Наибольшее распространение в ЦСП получил способ передачи многоразрядного сосредоточенного синхросигнала. Кодовая комбинация синхросигнала должна выбираться такой, чтобы вероятность ее появления при передаче информационных символов была наименьшей.
Построению систем цикловой синхронизации с использованием передачи сосредоточенного синхросигнала и будет уделено основное внимание.
Система цикловой синхронизации представляет собой совокупность устройств, обеспечивающих синхронную работу соответствующих узлов
(разрядных и канальных распределителей) ГО приемной и передающей станций. На передающей станции находится устройство формирования и ввода синхрогруппы в групповой сигнала цифровой сигнал. Это устройство достаточно просто реализуется и рассматривается при разборе конкретных систем передачи. На приемной станции находится приемник синхросигнала, обеспечивающий установку синхронизма после включения аппаратуры в работу, контроль за состоянием синхронизма в рабочем режиме, обнаружение сбоя синхронизма и его восстановление. Рассматривая принцип построения приемника синхросигнала, схема которого показана на рис. 3.33, можно выделить следующие основные узлы: опознаватель, анализатор, решающее устройство.
Рис. 3.33. Схема приемника синхросигнала
Опознаватель синхросигнала предназначен для выделения из группового ИКМ сигнала кодовых комбинаций, совпадающих по структуре с синхросигналом. Анализатор определяет соответствие момента времени прихода истинной синхрогруппы и контрольного сигнала с генераторного оборудования. Решающее
устройство определяет состояние синхронизма, момент выхода из синхронизма, управляет работой соответствующих узлов
ГО в режиме поиска синхронизма.
Алгоритм поиска синхросигнала при нарушении синхронизма показан на рис. 3.34. Опознаватель, сдвигая каждый раз момент регистрации на один такт, будет пробовать поступающие комбинации группового сигнала на их соответствие синхрогруппе. Таким образом, если за период цикла будет отсутствовать комбинация, похожая на синхрогруппу, а это маловероятно, синхросигнал будет найден в течение одного цикла или быстрее. Для подтверждения правильности выделения синхросигнала следующая проверка наличия синхросигнала будет ровно через цикл. Приемник-синхронизации с таким принципом работы называется приемником со скользящим поиском и одноразрядным сдвигом. Развернутая структурная схема такого приемника синхросигнала показана на рис. 3.35. На схеме штриховой линией выделены опознаватель, анализатор, решающее устройство, генераторное оборудование приема.
Рис. 3.34. График алгоритма поиска синхросигнала
Рис. 3.35. Схема приемника синхросигнала
Опознаватель синхросигнала может быть построен как регистр сдвига и дешифратор — многовходовая схема совпадения И
ь
Анализатор содержит элементы НЕТ и И
2
. Появление импульса на выходе И
2
означает совпадение по времени синхросигнала и контрольного импульса от ГО
пр
. Появление импульса на выходе схемы НЕТ означает отсутствие синхросигнала в момент появления контрольного импульса от ГО
пр
Решающее устройство содержит накопитель по выходу из син- хронизма, накопитель по входу в синхронизм, схему И
3
. Накопители по входу и выходу из синхронизма выполнены по схеме счетчика со сбросом.
Накопитель по выходу из синхронизма необходим для исключения ложного
нарушения синхронизма, когда в линейном тракте произошло изменение структуры синхросигнала. Обычно накопитель по выходу из синхросигнала содержит четыре—шесть разрядов (на рис. 3.35 накопитель содержит четыре разряда). Это обеспечивает помехозащищенность приемника синхросигнала от искажений синхрогруппы в линейном тракте или по другим причинам.
Накопитель по входу в синхронизм обеспечивает защиту приемника синхросигнала от ложного синхронизма в режиме поиска синхрогруппы, когда на вход опознавателя поступают случайные комбинации группового сигнала, совпадающие с синхросигналом. Обычно накопитель по входу в синхронизм содержит два-три разряда (на рис. 3.35 накопитель содержит три разряда).
Управление работой ГО производится схемой И
3
, которая в режиме поиска синхронизации при поступлении синхросигнала установит в начальное положение разрядный и канальный распределители ГО, определяя тем самым начало их работы.
На выходе схемы И
4
формируется контрольный импульс синхронизма от ГОпр. Появление этого импульса по времени должно произойти в определенный канальный интервал, определенный разрядный интервал этого канального интервала, в соответствии с тактовой частотой. Для этого используется схема И с тремя входами.
Рассмотрим работу схемы приемника синхросигнала. В режиме синхронизма накопитель по входу в синхронизм заполнен, а накопитель по выходу из синхронизма пустой. Синхросигнал и контрольный сигнал от
ГО
П
р, одновременно поступающие на схему И
2
, держат накопитель по входу в синхронизм заполненным Случайные кодовые комбинации группового сигнала, аналогичные по структуре с синхрогруппой, не совпадают по времени с контрольным сигналом от ГО
пр и не будут влиять на работу приемника синхросигнала в режиме синхронизма.
При отсутствии синхросигнала из-за воздействия помех или других причин контрольный сигнал от Г0 11р пройдет через схему НЕТ на вход
накопителя по выходу из синхронизма. Если эти нарушения кратковременные (один—три цикла подряд для данной схемы), то следующий синхросигнал, совпадающий с сигналом от ГО
пр
, запишет 1 в накопитель по входу в синхронизм. Так как накопитель по входу в синхронизм заполнен, это приведет к установке в нулевое состояние первых трех разрядов накопителя по выходу из синхронизма. Таким образом, кратковременные искажения синхросигнала не нарушат работу ГО.
При длительном нарушении синхронизма (синхросигнал отсутствует четыре цикла подряд) накопитель по выходу из синхронизма будет заполнен, при этом на его выходе появится 1, что позволит начать поиск синхронизма.
Теперь первый же импульс от опознавателя при появлении синхросигнала пройдет через схему И
3
и установит 0 в последнем разряде накопителя по выходу из синхронизма, во всех разрядах накопителя по входу в синхронизм, а также установит в начальное положение разрядный и канальный распределители ГО
пр
- Следующее опознавание синхросигнала будет произведено ровно через цикл. Если синхросигнал выделен верно, то через цикл произойдет совпадение очередного синхросигнала и контрольного сигнала от ГОпр. В данном случае в накопитель по входу в синхронизм поступает 1. Когда это произойдет 3 раза подряд, накопитель по входу в синхронизм заполнится и установит 0 в первых трех разрядах накопителя по выходу из синхронизма (в четвертом разряде 0 уже установлен сигналом со схемы И
3
). Трехкратное совпадение синхросигнала и контрольного сигнала от ГО
пр подтверждает установление синхронного режима работы.
Возможно, но маловероятно, что в режиме поиска будет выделена опознавателем случайная кодовая комбинация, совпадающая с синхросигналом. В этом случае сигнал от опознавателя пройдет схему И
3
и также установит в начальное положение разрядный и канальный делители.
Следующее опознавание синхросигнала произойдет через цикл. Так как кодовые комбинации группового сигнала носят случайный характер, то через цикл синхросигнал выделен не будет. В накопитель по выходу из
синхронизма поступит 1, а он уже заполнен, и опять начнется поиск синхросигнала. Процесс будет повторяться, пока не будет выделен настоящий синхросигнал.
Разберем причины, вызывающие сбой цикловой синхронизации.
Основными из них являются выход из синхронизма по тактовой частоте, что приводит к изменению длительности цикла, так как в цикле появятся или пропадут один или несколько канальных интервалов, и искажение символов синхросигнала в результате воздействия помех. Главным источником этих сбоев является линейный тракт. На временных диаграммах рис. 3.36
показано возникновение сбоев синхронизации, вызванных различными причинами. На временной диаграмме 1 условно показан групповой сигнал, содержащий несколько циклов. Каждый цикл содержит 256 информационных символов.
Синхросигнал имеет кодовую группу 1 1 1. На временных диаграммах 2 и 3 показаны импульсы от опознавателя и контрольные импульсы от ГО
пр
Сбой синхронизма при искажении символа синхрогруппы показан на рис. 3.36,
а. Из временных диаграмм 2 и 3 видно, что цикловая синхронизация не нарушена и подстройку ГО
пр производить не требуется.
Сбой синхронизма при изменении длительности цикла показан на рис. 3.36,
б. В данном случае восстановление синхронизма возможно только при подстройке ГО
П
р-
Из приведенных выше примеров можно сделать вывод, что в первом случае защиту приемника синхронизации от сбоя обеспечивает накопитель по выходу из синхронизма, тогда как во втором случае желательно начинать поиск синхросигнала по первому его пропаданию. В этом случае накопитель по выходу из синхронизма будет увеличивать время восстановления синхронизма. Время восстановления синхронизма является одним из основных параметров ЦСП. Допустимое время восстановления синхронизма определяется свойствами передаваемой информации.
Рис. 3.36. Временные диаграммы возникновения сбоев синхронизации
При использовании цифровых систем для организации соединительных линий между АТС время восстановления синхронизма ограничивается несколькими миллисекундами. При передаче телефонных сообщений абонент практически не заметит перерыва связи в несколько десятков миллисекунд, однако при сбое синхронизации нарушается работа каналов передачи СУВ, что может привести к разъединению абонентов. Допустимое время пропадания каналов передачи СУВ, которое не отражается на работе приборов АТС и определяет допустимое время восстановления синхронизма, обычно составляет около 2 мс. Для ЦСП более высокого порядка это время очень ограничено. Графически время восстановления синхронизма t
B
показано на рис. 3.37, а. Оно состоит из времени накопления по выходу ИЗ
СИНХрОНИЗМа Гн.вых, 86 времени поиска синхросигнала t
a
, времени накопления по входу в
Рис. 3.37. Графики времени восстановления синхронизма
Недостатки рассмотренного способа построения приемника циклового синхросигнала определяются тем, что значение емкости накопителей по выходу из синхронизма и по входу в синхронизм фиксированы, а поиск синхронизации начинается только после времени накопления по выходу из синхронизма. Уменьшение времени восстановления синхронизма за счет сокращения времени накопления ведет к резкому уменьшению помехоустойчивости систем цикловой синхронизации. Это можно компенсировать увеличением разрядов в синхросигнале, но увеличение разрядов в синхросигнале ограничивается возможностями построения цикла передачи.
Можно уменьшить время восстановления синхронизации без ухудшения параметров системы передачи, если накопление по выходу из синхронизма и поиск синхросигнала осуществлять параллельно. В этом случае по первому же сигналу нарушения синхронизма начинается поиск синхросигнала, в то время как генераторное оборудование продолжает сохранять предыдущее состояние до тех пор, пока не будет зафиксировано новое состояние синхронизма. Временной график работы такого приемника синхросигнала показан на рис. 3.37, б, функциональная схема — на рис. 3.38.
Рис. 3.38. Функциональная схема приемника синхросигнала с параллельной работой цепей удержания и поиска синхронизма
В данной схеме можно выделить две цепи: цепь удержания синхронизма и цепь поиска синхронизма. Каждая цепь имеет свои анализатор и решающее устройство. Работа ГО
пр и формирование контрольного сигнала совпадения происходит так же, как в рассмотренной схеме, и здесь не показаны. Контрольный сигнал совпадения для цепи удержания синхронизма поступает от основного ГОпр, которое управляется схемой И
4
. Контрольный сигнал совпадения для цепи поиска синхросигнала поступает от делителя частоты ДЧ, работающего аналогично ГО
пр
, но независимо от него. Управление работой ДЧ осуществляется схемой И
3
Такое построение позволяет производить поиск синхросигнала, не нарушая работы основного ГО
пр
При сбое синхронизации через элемент НЕТ, в накопитель по выходу из синхронизма будет записана 1. В цепи поиска синхронизма сбой зафиксирует схема НЕТ
2
, которая изменит состояние триггера и подготовит всю схему к поиску синхросигнала (схема И
3
будет открыта). Теперь любой импульс от огюзнавателя, свидетельствующий о появлении синхрогруппы, пройдет через схему И
3
, установит ДЧ в начало отсчета, ноль во всех разрядах накопителя по входу в синхронизм и вернет триггер в исходное положение. Новый контрольный импульс будет выработан ДЧ через время
Гц. Если сбой вызван искажением структуры синхросигнала, то следующий синхросигнал придет вовремя и импульс от опознавателя пройдет схему И
2
, запишет 1 в накопитель по входу в синхронизм. После нескольких циклов
(это зависит от емкости накопителя) накопитель по входу в синхронизм будет заполнен.
В цепи удержания синхронизма, как отмечалось выше, также будет зафиксирован сбой синхронизма; но если такой сбой вызван искажением структуры синхрогруппы, то появление следующего синхросигнала совпадет с контрольным импульсом от ГО
пр
. На выходе Hi появится импульс, который, пройдя через схему ИЛИ, установит 0 во всех разрядах накопителя по выходу из синхронизма. Изменений в работе ГО„
р не произойдет.
Если после начала поиска синхросигнала в цикле будет содержаться ложная синхрогруппа, то она также вызовет установку ДЧ в начало отсчета.
Через время Г
ц делитель
частоты выработает контрольный сигнал совпадения, а сигнал от опознавателя будет отсутствовать. Тогда этот контрольный сигнал ДЧ опять подготовит схему к поиску синхросигнала.
Такой режим работы будет сохраняться до выявления истинного синхросигнала.
Если сбой синхронизации произошел из-за изменения временных позиций синхросигнала в цикле, то контрольные импульсы ГОпр будут поступать в накопитель по выходу из синхронизма, который заполнится и выдаст разрешающий сигнал на вход схемы И
4
. Установка в начало отсчета соответствующих распределителей ГОпр произойдет в том случае, если в цепи удержания синхронизма накопитель по выходу будет заполнен, а в цепи поиска синхронизации накопитель по входу будет заполнен и в момент появления контрольного сигнала от ДЧ. При длительном поиске синхросигнала состояние ГО
пр остается без изменений до появления сигнала с выхода И
4
, что равносильно увеличению емкости накопителя по выходу из синхронизма.
Способ с последовательным процессом накопления используется в первичных цифровых системах ИКМ-30, ИКМ-15. Способ с параллельным процессом накопления и поиска синхросигнала используется в ИКМ-120,
ИКМ-480, где к системам цикловой синхронизации предъявляются более жесткие требования.
Время поиска синхросигнала может быть уменьшено, если использовать накопители по входу и выходу из синхронизма переменной емкости. Емкость накопителей будет зависеть от вероятности искажения символов в линейном тракте. При низкой вероятности искажений символов уменьшается емкость накопителя по выходу из синхронизма, при высокой вероятности искажений символов уменьшается емкость накопителя по входу в синхронизм.
Сверхцикловая синхронизация обеспечивает правильное распределение сигналов СУВ по соответствующим каналам. Работа сверхцикловой синхронизации, как и работа цикловой синхронизации, основана на передаче в групповом сигнале сверхцикловой синхрогруппы.
Для этого используется один из циклов передачи. Работа приемника сверхциклового синхросигнала практически ничем не отличается от работы приемника циклового синхросигнала, только установка сверхцикловой синхронизации начинается после установки цикловой. Если произошло нарушение только сверхцикловой синхронизации, то ее поиск начинается после пропадания двух сверхцикловых синхрогрупп подряд.
Узлы приемника цикловой синхронизации.
Опознаватель синхросигнала, как уже отмечалось выше, построен как регистр сдвига и дешифратор — многовходовая схема И. Регистр сдвига должен иметь количество ячеек, равное числу разрядов кодовой комбинации синхросигнала, и может быть выполнен на триггерах. Так как сигнал содержит определенную комбинацию 1 и 0, то на выходах соответствующих разрядов регистра, где синхрокомбинация имеет 0, включается инвертор.
Построение такого опознавателя на 7-разрядную кодовую группу 0011011 показано на рис. 3.39.
Рис. 3.39. Принципиальная схема опознавателя на семиразрядную синхрогруппу
9
Рис. 3.40. Схема отрицания равнозначности (а) и временные диаграммы ее работы (б)
Групповой сигнал поступает на информационный вход D. Перезапись из одной ячейки в другую будет происходить по фронту тактовых импульсов от ВТЧ, поступающих на вход С. Таким образом, на выходе дешифратора D
8
будет появляться 1 при появлении в цифровом потоке синхросигнала или совпадающей с ним по структуре случайной комбинации.
Схема НЕТ, или схема отрицания равнозначности, может быть представлена как схема И с инвертором на одном из входов. Такая схема с временными диаграммами в различных точках показана на рис. 3.40. На входы инвертора поступают импульсы от опознавателя, на вход И (точка 3) поступают контрольные импульсы совпадения от ГО. Как видно из графика
4, на выходе схемы И появится импульс при отсутствии сигнала от опознавателя.
Накопитель по входу или выходу из синхронизма может быть построен как регистр сдвига с числом ячеек, равным величине накопителя. Такой накопитель по выходу из синхронно подается 1 (приложено постоянное напряжение). Разряды 1...3 накопителя обнуляются импульсом от накопителя по входу в синхронизм, 4-й разряд обнуляется импульсом из схемы И. В начале работы на выходах всех разрядов 0. Первый импульс от схемы НЕТ анализатора запишет 1 на выход 1-го разряда, второй— на выход 2-го разряда и т. д. Когда накопитель заполнится, схема И разрешит установку в нулевое состояние ГО. Это произойдет по сигналу от опознавателя, когда будет зафиксирована синхрокомбинация. Данный же импульс обнулит 4-й
разряд накопителя, что обеспечит запрет прохождения на ГО следующих импульсов от опознавателя.
Рис. 3.41. Принципиальная схема накопителя по выходу из синхронизма 90
3.8 ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ КАНАЛОВ ПЕРЕДАЧИ СУВ
Цифровые системы передачи на местных сетях используются для организации соединительных линий (СЛ) между сельскими или городскими
АТС, между АТС и АМТС. По СЛ передаются не только речевые сигналы в спектре 0,3...3,4 кГц, но и сигналы управления и взаимодействия: занятие, набор номера, отбой вызываемого абонента, блокировка приборов АТС и другие. В системах с ИКМ для каждого телефонного канала организуются специальные сигнальные каналы для передачи СУВ, число которых зависит от типа АТС и может быть от одного до трех. Для согласования сигнальных каналов ЦСП с приборами АТС, а также для передачи СУВ между ними используются согласующие устройства СУ.
Сельские СЛ универсальные, т. е. могут быть как входящими, так и исходящими. Соединительные линии между городскими АТС могут быть только входящими или только исходящими. В этом случае применяются входящие или исходящие согласующие устройства. При работе с АМТС применяются входящие междугородные согласующие устройства.
Рис. 3.42. Принцип дискретизации СУВ:
а — схема И:
б — временные диаграммы на входах и выходе схемы И
Сигналы управления и взаимодействия передаются импульсами постоянного тока определенного уровня. Так как для их передачи используется только одно дискретное значение, СУВ не подвергаются квантованию по уровню и кодированию, а, минуя АИМ тракт, через устройство объединения вводятся в ИКМ сигнал
непосредственно на импульсные позиции цикла, предназначенные для их передачи. Принцип дискретизации СУВ показан на рис. 3.42.
Дискретизация СУВ по времени осуществляется импульсными последовательностями, поступающими от ГО.
Дискретный метод передачи вызывает искажения длительности СУВ, при этом она может быть уменьшена на величину до 2Г
Д
СУВ
(где 7
д
СУВ
—период дискретизации, поскольку существует разница во времени между началом и концом СУВ и первым и последним импульсами в передаваемой пачке, соответствующей этому сигналу. Для уменьшения влияния этих искажений на приеме длительность всех принятых импульсов увеличиваются на
ТЯсуъ- Период дискретизации СУВ обычно находится в пределах 0,5...2,0
мс и намного превышает период дискретизации сигналов телефонных каналов
(125
мкс). Это позволяет на одной импульсной позиции цикла организовать передачу поочередно нескольких дискретных сигналов с меньшей скоростью, т. е. в первом цикле передать СУВ первого сигнального канала CKi, в следующем цикле — СУВ СКг и т. д. Обычно для передачи СУВ и другой служебной информации в цикле отводится целый канальный интервал, где
СУВ занимают определенные разрядные позиции Расположение СУВ в цикле показано на рис. 3.43.
Рис. 3.43. Расположение сигналов СУВ в цикле 92
Рис. 3.44. Функциональная схема передающих и приемных устройств каналов СУВ
Для правильного распределения импульсов СУВ по сигнальным каналам на приеме циклы объединяются в сверхциклы, один из циклов Ц
0
отводится для передачи сигнала сверхцикловой синхронизации, а на приеме используется приемник сверхцикловой синхронизации. Принцип работы приемника сверхцикловой синхронизации аналогичен работе приемника цикловой синхронизации. Таким образом, за один сверхцикл производится опробывание всех сигнальных каналов по 1 разу.
В некоторых случаях в одном канальном интервале размещают СУВ нескольких СК, что позволяет сократить число циклов в сверхцикле. Общее число циклов в сверхцикле определяется общим числом СК и числом СК, организуемых в одном цикле. Один цикл предназначается для передачи сигнала сверхцикловой синхронизации. Временная диаграмма работы четырех СК приведена на рис. 3.43.
На ней показан сверхцикл, состоящий из пяти циклов. В четырех из них в соответствующие канальные интервалы передаются СУВ, а в одном цикле передается сигнал сверхцикловой синхронизации.
Функциональная схема построения передающих и приемных устройств четырех каналов передачи СУВ показана на рис. 3.44.
Четыре схемы И выполняют операцию дискретизации СУВ, разрешая прохождение сигнала каждого из каналов только в соответствующий цикл сверхцикла, соответствующий канальный интервал цикла и соответствующий разряд канального интервала, которые на схеме условно обозначены КИ
т и Р
п
. В нулевой цикл в групповой сигнал подается сверхцикловая синхрокомбинация. Устройство объединения УО объединяет групповой цифровой сигнал всех каналов, СУВ, сверхцикловый синхросигнал.
Управляет работой передающих устройств ГО
пе р. Синфазная работа ГО
пр и
ГОпер, а следовательно, и правильное распределение сигналов по С К обеспечивается приемником сверхцикловой синхронизации. На приеме выполняется обратная операция — импульсы СУВ распределяются по своим каналам согласно соответствующим импульсам от ГО
П
р. На выходе СК включен расширитель импульсов, который восстанавливает длительность импульсов, уменьшая влияния искажений операции дискретизации.
В некоторых системах АТС для передачи СУВ используется многочастотиая сигнализация, тогда СУВ передается комбинацией тональных частот. Эти сигналы, лежащие в спектре 0,3...3,4 кГц, поступают на вход канала ТЧ, где и передаются аналогично телефонному сигналу.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие узлы входят в состав аппаратуры оконечной станции системы передачи ИКМ?
2. Как строится временной цикл и сверхцикл ЦСП?
3. Какие требования предъявляются к амплитудно-импульсным модуляторам и временным селекторам?
4. Как строятся электронные ключи?
5. Объясните необходимость преобразования сигнала АИМ-1 в АИМ-2 и увеличения длительности импульса.
6. Как строится структурная схема преобразования сигнала АИМ-1 в
АИМ-2?
7. Как строится линейный кодер счетного типа?
8. Как строятся линейные кодеры и декодеры взвешивающего типа для однополярных и двухполярных сигналов?
9.
Поясните принцип построения сегментной характеристики комианднрова-ннн типа А-87,6/13.
10. Поясните этапы кодирования нелинейного кодера.
11. Как строятся нелинейные кодеры и декодеры?
12. Как строится генераторное оборудование и какие импульсы формируются на его выходах?
13. Как строятся отдельные узлы генераторного оборудования?
14. Для чего необходима тактовая синхронизация передающей и приемной станций?
15. Назовите требования, предъявляемые к тактовой синхронизации.
16. Как могут строиться схемы устройств тактовой синхронизации?
17. В чем заключается цикловая синхронизация передающей и приемной станций?
18. Какие узлы входят в состав приемника синхросигнала?
19. Поясните работу развернутой схемы приемника синхросигнала.
20. Поясните построение приемника синхросигнала при параллельной работе цепей удержания и поиска синхронизма.
21. Как строятся отдельные узлы приемника синхросигнала?
22. Поясните принцип передачи СУВ в цифровых системах передачи.
23. Как строятся передающие и приемные устройства передачи СУВ?
Скачать 4.61 Mb.