Проектирование и разработка цифровой системы передачи с временным разделением каналов. 400 км. Количество каналов тч 120

• Название: 400 км. Количество каналов тч 120
• Анкор: Проектирование и разработка цифровой системы передачи с временным разделением каналов
• Дата: 02.03.2022
• Размер: 1.43 Mb.
• Имя файла: Amangeldi E.docx
• Тип: Документы; #380460
• страница: 1 из 4

Исходные данные

1. 
   Протяженность линии передачи: 400 км.
   
2. 
   Количество каналов ТЧ:120.
   
3. 
   Защищенность гармонического сигнала от искажений квантования на выходе канала: 21 дБ.
   
4. 
   Допустимая вероятность ошибки на один километр линейного тракта: 10^-10.
   
5. 
   Коэффициент шума корректирующего усилителя: 4
   
6. 
   Количество переприемов по ТЧ: 2
   
7. 
   Среднее время восстановления циклового синхронизма (не более): 4.5 мс.
   
8. 
   Амплитуда импульса на выходе регенератора: 2 В.
   
9. 
   Структура сигнала в двоичном коде: 1101000011010001
   

Введение
Отличительной особенностью систем цифровой связи (digital communicationsystem — DCS) является то, что за конечный промежуток времени они посылают сигнал, состоящий из конечного набора элементарных сигналов (в отличие от систем аналоговой связи, где сигнал состоит из бесконечного множества элементарных сигналов). В системах DCS задачей приемника является не точное воспроизведение переданного сигнала, а определение на основе искаженного шумами сигнала, какой именно сигнал из конечного набора был послан передатчиком. Важным критерием производительности системы DCS является вероятность ошибки (Р_Е). 

Принципиальное отличие систем аналоговой и цифровой связи связано со способом оценки их производительности. Сигналы аналоговых систем составляют континуум, так что приемник должен работать с бесконечным числом возможных сигналов. Критерием производительности аналоговых систем связи является критерий достоверности, такой как отношение сигнал/шум, процент искажения или ожидаемая среднеквадратическая ошибка между переданным и принятым сигналами. В отличие от аналоговых, цифровые системы связи передают сигналы, представляющие конечный набор символов или алфавит и этот набор известен приемнику априорно. Критерием качества цифровых систем связи является вероятность неверного детектирования цифры или вероятность ошибки (Р_Е). 

Основными техническими преимуществами цифровых систем связи переданалоговыми являются: 

- простота группообразования;

- простота сигнализации;

- возможность работы при малых значениях отношения сигнал/шум;

- регенерация сигнала.

Большая часть свойств цифровых сетей для передачи речи связана с преимуществами цифровых методов передачи и коммутации по сравнению с их аналоговыми эквивалентами.

Простота группообразования. По существу экономическая эффективность этих систем обусловлена обменом стоимости применения электроники в оконечном оборудовании тракта передачи на стоимость многих пар проводов в тракте. Этот обмен становится с каждым годом экономически все более выгодным. Хотя группообразование с частотным разделением каналов также приводит к снижению расходов на линейно-кабельные сооружения, оборудование ЧРК обычно дороже, чем оборудование ВРК, даже в том случае, когда учитывается стоимость аналогово-цифрового преобразования. После того как речевые сигналы представлены в цифровой форме, стоимость оборудования с ВРК оказывается совсем малой. Поскольку аналогово-цифровое преобразование выполняется только на первом уровне иерархии систем с ВРК, то цифровые системы передачи с ВРК более высокого уровня оказываются еще более экономичными, чем их аналоги с ЧРК такого же уровня.

Простота сигнализации. Управляющая информация (вызов, отбой, цифры адреса и др.) является по своей природе цифровой и, следовательно, может быть легко введена в цифровую систему передачи. Одним из способов введения управляющей информации в цифровой тракт передачи является использование для этих целей специального канала управления. Другой способ основан на введении специальных управляющих кодовых комбинаций, которые передаются по информационному каналу. В любом случае по отношению к системе передачи управляющая информация оказывается неотличимой от информационных сообщений.

Возможность работыпри малых значениях отношения сигнал/шум. Шум и помехи, возникающие при передаче речи в аналоговых сетях, проявляется в наибольшей степени во время пауз в разговоре, когда амплитуда сигнала мала. Сравнительно небольшой уровень шума, который возникает во время пауз в разговоре, может оказаться весьма раздражающим фактором для слушателя. В то же время такой же уровень шума или помехи во время разговора оказывается практически неощутимым. Субъективные оценки качества передачи речи позволили установить нормы на отношение сигнал/шум на выходе аналогового канала, которое не должно быть ниже 45 дБ.

В цифровых системах во время пауз в разговоре идет передача определенных кодовых комбинаций, причем уровень мощности передаваемых во время пауз сигналов такой же, как и в случае передачи речевой информации. Поскольку регенерация устраняет практически все шумы, возникающие в среде передачи, то шум свободного канала определяется лишь процессом кодирования, а не линией передачи. Установлено, что линии цифровой передачи обеспечивают возможность практически безошибочной передачи по каналам при значениях отношения сигнал/шум порядка 15...25 дБ в зависимости от способа кодирования линейного сигнала и используемого вида модуляции.

Регенерация сигнала. Представление аналогового сигнала в цифровой форме заключается в замене непрерывной функции времени последовательностью двоичных информационных символов. Задача приемника - решить, какое значение имел переданный символ. Если в процессе передачи к сигналу добавляется лишь небольшого уровня шум, помеха или искажения, то двоичная информация, поступающая в приемник, будет идентична этой последовательности на передающем конце. Конечно, если искажения окажутся настолько большими, что приведут к заметным искажениям сигнала, то возникнут ошибки.

Главным достоинством цифровой системы является то, что вероятность возникновения ошибки в линейном тракте можно сделать весьма небольшой, вводя регенераторы в промежуточных точках линий передачи. Если эти точки разместить достаточно близко, то промежуточные узлы будут выявлять и регенерировать цифровые сигналы прежде, чем искажения, возникающие в самом канале, достигнут такого уровня, который приведет к ошибкам на приеме. Самая непосредственная выгода, получаемая при использовании процесса регенерации, состоит в возможности локализации результатов воздействия помехи на сигнал. В противоположность этому в аналоговых системах происходит накопление помех и искажений по мере прохождения сигнала от одного участка к другому.

Наряду с перечисленными преимуществами цифровых систем передачи, им свойственны и недостатки:

- расширение полосы частот;

- необходимость аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразований;

- необходимость временной синхронизации.

Расширение полосы частот, занимаемой цифровым сигналом по сравнению с аналоговым, происходит в связи с тем, что отсчеты аналогового сигнала представляются в виде двоичных кодовых комбинаций, каждый бит которой отображается отдельным импульсом. В результате при использовании частоты дискретизации 8 кГц и 8-ми разрядной импульсно-кодовой модуляции при цифровой передаче методом ВРК-ИКМ одного аналогового канала тональной частоты необходима тактовая частота 64 кГц и, следовательно, минимальная полоса 32 кГц. В то же время при аналоговой передаче канала ТЧ методом ЧРК-ЧМ требуется полоса 3.1 кГц. Таким образом, цифровая система передачи занимает полосу примерно в 10 раз большую, чем аналоговая.

Расширение полосы частот, возникающее в результате перехода к цифровому представлению аналогового сигнала, непосредственно зависит от вида используемого кода или вида модуляции. Допуская большую степень усложнения оборудования модуляции (демодуляции), можно обеспечить большую скорость передачи двоичных символов при данной ширине полосы частот. Более высокая эффективность системы обеспечивается, главным образом, за счет увеличения числа уровней в линейном коде.

Однако, при ограниченной мощности передачи расстояние между уровнями дискретных сигналов в приемнике сильно уменьшается и передаваемый сигнал теряет устойчивость к шумам и другим мешающим воздействиям.

Необходимость временной синхронизации. Синхронизация определяет моменты времени, когда нужно отсчитывать поступающий сигнал, чтобы решить, какое значение было передано. Оптимальные моменты взятия отсчета обычно соответствуют серединам передаваемых импульсов. Таким образом, для оптимального обнаружения сигнала генератор импульсов отсчетов должен быть синхронизирован с моментами поступления импульсов с линии. Кроме этого, необходимо определить на приеме начало цикла передачи многоканального сигнала.


1.Выбор частоты дискретизации первичных сигналов.
Частоты дискретизации -это преобразование непрерывной функции в дискретную. В случае с голосом, частота дискретизации, это частота, с которой происходит преобразование аналогового звука в цифру (сколько раз в секунду). Выбор частоты дискретизации первичных сигналов – осуществляется на основе теоремы В.А. Котельникова исходя из соображений восстановления первичного сигнала и организации структуры временных циклов в первичном цифровом потоке.

При выборе частоты дискретизации необходимо иметь в виду, что при восстановлении первичного сигнала используется ФНЧ и необходимо иметь запас для полосы расфильтровки. Значение частот дискретизации выбирают из соотношения:


где: F_max - верхняя граничная частота первичного сигнала,

Fр - полоса расфильтровки ФНЧ.

При дискретизации первичных сигналов с диапазоном частот 0,3...3,4 кГц, выбирают частота дискретизации равна 8 кГц.

На рисунке 1 показан пример выбора частоты дискретизации:

Рисунок 1. Выбор частоты дискретизации


2. Расчет количества разрядов в кодовой комбинации для первичных сигналов и определение защищенности сигнала от шумов квантования
Количество разрядов в кодовом слове m зависит от величины защищенности от искажений квантования на выходе канала ТЧ А_КВ и количества переприемов по ТЧ n, а также от выбранного вида квантования. В процессе квантования возникают ошибки, называемые ошибками квантования, вызванные различиями в амплитуде отсчета сигнала и ближайшего уровня, что приводит к искажениям. Защищенность от ошибок квантования при линейном квантовании речевого сигнала определяется по формуле:

А_КВ=6m – 20lgk + 4,8; (2.1)

где к – пик-фактор речевого сигнала (обычно принимается к=5).

Для определения А_КВ при заданном динамическом диапазоне D телефонного сигнала и количестве переприемов по ТЧ n, а также с учетом аппаратурных погрешностей, которые обычно составляют 4..5 дБ, существует формула:

А_КВ=6m - D - 10lg(n+1) – (4..5) + 4,8;

Тогда, для выполнения заданной защищенности от искажений квантования А_КВ при равномерном квантовании потребуется m разрядов в кодовом слове:



где Ц обозначает округление до ближайшего целого числа в большую сторону.

Определим m для конкретных значений А_КВ=20 дБ, к=5, D=40 дБ, n=3.


Как видно при равномерном квантовании для получения требуемой защищенности от искажений квантования кодирование должно производиться достаточно большим числом разрядов кодового слова. При выбранном значении частоты дискретизации F_Д=8 кГц полоса частот канала ТЧ в ЦСП будет расширяться на величину 8 кГц на один разряд кодового слова, что приведет к значительному снижению пропускной способности.

Поэтому для уменьшения числа разрядов кодового слова и повышения пропускной способности применим неравномерное квантование.

В итоге, с учетом снижения защищенности за счет скачкообразного изменения шага квантования на 2 дБ, и с учетом аппаратурных погрешностей 4..5 дБ, минимальная величина защищенности от искажений квантования А_{кв мах} при неравномерном квантовании, с учетом переприемов по ТЧ, составит величину:

дБ

Следовательно, для определения числа разрядов в кодовом слове при неравномерном квантовании:



Подставив в формулу 1.5 те же значения, что и для случая равномерного квантования получим:



Рассчитаем и построимзависимость защищенности от искажений квантования на выходе канала от уровня сигнала. Для этого определим минимальную защищенность сигнала в пункте приема в диапазоне уровней от -36до 0 дБ

дБ



Максимальная величина защищенности в том же диапазоне будет примерно на 6 дБ больше минимальной:
дБ



Наносим на график горизонтальные прямые, соответсвующие найденым А_квmin и А_квмах. Защищенность при p=-36 дБ примерно на 2 дБ выше А_{кв min}, тогда

дБ



Значения защищенности от искажений квантования в диапазоне уровней от 0 до -36 дБ лежат между прямыми А_квmin и А_квmaх, а в диапазоне от -36 до минус бесконечности квантование является равномерным и поэтому Акв убывает на 1 дБ при уменьшении уровня сигнала на такую же величину. Диапазон изменения сигнала, в котором защищенность остается не ниже заданной, находим непосредственно по диаграмме (рис. 2).


Рисунок 2 Зависимость защищенности от шумов квантования от уровня входного сигнала.

3. Разработка структуры временных циклов первичной ЦСП. Определение тактовой частоты проектируемой ЦСП.
Временные циклы разрабатываемой цифровой системы передачи должны содержать канальные интервалы для организации широкополосных и узкополосных сигналов, служебных каналов для передачи синхросигналов, сигналов управления и взаимодействия, дискретной информации и два канальных интервала для передачи дискретной информации.

Период следования канальных интервалов для канала определяется формулой



F_д – частота дискретизации сигнала.
Для правильной передачи широкополосного сигнала необходимо выполнить следующее условие :

КИ_ТЧ – количество канальных интервалов тональной частоты,

КИ_СЛ – количество канальных интервалов для передачи служебной информации,

КИ_ДОП – количество дополнительных канальных интервалов,

КИ_Ш - количество канальных интервалов для передачи широкополосных сигналов.

N – целое число.

Число N должно быть целым. Кратность достигается добавлением дополнительных канальных интервалов, которые в дальнейшем могут быть использованы для передачи данных или организации дополнительных каналов тональной частоты при наличии для этого сигналов управления и взаимодействия.

Расчет периода следования канальных интервалов для широкополосного сигнала:



Период цикла первичной ЦСП равен периоду дискретизации первичного телефонного сигнала Т_ц=125 мкс.

Каждый цикл подразделяется на 31 канальных интервала длительностью .

,

,

.
Из них 31 интервалов отводятся под передачу сигналов ТЧ (КИ₁ – КИ₁₅, КИ₁₇ – КИ₃₁) (рисунок 3.2), а 2 - под передачу служебной информации (КИ₀ – КИ₁₆). Каждая выборка предается в своем канальном интервале (КИ), который имеет длительность Т_КИ и состоит из m-разрядов

Каждый канальный интервал состоит из восьми интервалов разрядов (Р₁ – Р₈) длительностью .

Тактовая частота первичного цифрового потока определяется по формуле:



F_Ц – частота повторения циклов первичного цифрового тракта,

N_КИ – количество канальных интервалов в одном цикле,

m – количество разрядов кодовой комбинации.

.

С учетом передачи 2-х широкополосных и 20-ти узкополосных сигналов, временное расположение канальных интервалов строиться следующим образом (рисунок 3.1):