ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ

November 21, 2011 by admin Комментировать »

М. Д. ВЕНЕДИКТОВ, В. П. ДМИТРИЕВ

 

Интенсивное развитие цифровых методов передачи сообщений, открывающих принципиально .новые возможности, в значительной мере обусловлено достижениями общей теории связи, практическим освоением новых диапазонов частот (в частности, оптического), совершенствованием техники ЭВМ, успехами в освоении космического пространства и, конечно, достижениями микроэлектроники.

В перечне достоинств цифровых методов передачи сообщений наиболее важными являются:

малая зависимость качества передачи от расстояния между пользователями;

гибкость организации обмена сообщениями, обусловленная простотой коммутации сигналов и возможностью совмещения ее с процессом выделения каналов;

высокая эффективность вторичного разделения цифровых каналов связи, что позволяет организовать большое число низкоско- ростных каналов телеуправления и телесигнализации;

повышенная помехоустойчивость передачи, позволяющая успешно решать проблему электромагнитной совместимости радиоэлектронных комплексов.

Развитие цифровых методов передачи отнюдь не означает, что аналоговая техника связи находится на спаде. Существует сеть аналоговых каналов телефонной связи, большой парк аппаратуры многоканальной связи с частотным разделением каналов (ЧРК), преобразователей цифровых сигналов для сопряжения с каналами тональной частоты (ТЧ) и аналоговыми трактами, а также измерительной аппаратуры. Многочисленный обслуживающий персонал привык к работе с аналоговой техникой связи. Поэтому еще долго сохранится не только традиционный обмен аналоговыми сообщениями между телефонными абонентами, но и передача сообщений в цифровой форме по аналоговым каналам между такими пользователями, как комплексы ЭВМ.

В настоящее время сформировались три направления развития цифровых методов передачи, основанных:

на передаче цифровых сообщений по аналоговым каналам и трактам связи;

на преобразовании аналоговых сообщений в цифровую форму для передачи по цифровым трактам;

на формировании комплекса (иерархии) цифровых систем передачи на основе асинхронного и синхронного объединения потоков цифровой информации и преобразования аналоговых сообщений в цифровую форму.

Первое направление объединяет самый старый вид электросвязи — телеграфную связь по физическим линиям и передачу цифровой информации по типовым каналам ТЧ (со скоростями от 200 до 9600 бит/с) и по групповым тракта.м аналоговых систем с ЧРК.

В настоящее время разработан ряд устройств -преобразования сигналов, обеспечивающих «стыковку» источников и потребителей цифровых сообщений (с различными скоростями передачи и разными устройствами организации доступа) с унифицированными каналами ТЧ. Это, прежде всего, одноканальные модемы и преобразователи сигналов, характеристики которых оговорены в рекомендациях МККТТ и ГОСТах. Кроме того, эксплуатируются и многоканальные устройства вторичного разделения, использующие принципы временного (ВРК) и частотного разделения каналов. Для повышения помехоустойчивости здесь применяются методы помехоустойчивого кодирования и другие достижения теории передачи сигналов.

Второе направление связано с преобразованием аналоговых сигналов в цифровые. На .передающей стороне осуществляется аналого-цифровое преобразование (АЦП), а на приемной—цифро- аналоговое (ЦАП). Помимо наиболее распространенного аналогового сигнала, характерного для канала ТЧ и имеющего спектр частот от 0,3 до 3,4 кГц, в цифровых системах передачи (ЦСП) в цифровую форму преобразуют сигналы вещания с шириной полосы частот от 0,05 до 10… 15 кГц, аналоговые сигналы первичной, вторичной, третичной группы с ЧРК. При этом наибольшее распространение получила имлульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Этот метод АЦП основан на четырех преобразованиях: дискретизации (во времени), квантовании (по величине), кодировании и компандировании. Параметры ИКМ преобразования, в частности, частоты дискретизации, число разрядов, законы компанди- рования, нормы на качественные показатели каналов оговорены в рекомендациях МККТТ для передаваемых аналоговых сигналов всех типов. Так, для основного цифрового канала (ОЦК), являющегося фундаментом иерархии цифровых систем с ИКМ и предназначенного для формирования канала ТЧ, выбраны следующие значения параметров: частота дискретизации 8 кГц, число разрядов в кодовых словах 8, результирующая скорость передачи символов 64 кбит/с; для улучшения качества передачи используется мгновенное компандирование либо по закону А (Л = 87,6), либо по закону (|л=255).

Дельта-модуляция (ДМ) позволяет иметь более низкие скорости передачи речевых сообщений. Существо ДМ состоит в определении и передаче по тракту связи знака разности между мгновенным значением передаваемого аналогового сигнала в данном тракте и значением аппроксимирующего напряжения, восстанавливаемого из переданного цифрового сигнала. Частота дискретизации в канале ДМ, равная скорости передачи символов, определяется видом используемой ДМ и уровнем допускаемых искажений квантования. Сейчас известно несколько десятков видов ДМ, в том числе с мгновенным и инерционным компандированием. Известны кодеки ДМ на скорости 48, 32, 28, 24, 16, 9,6 кбит/с. Считается, что для низкоскоростной передачи цифровых сообщений, а также в условиях «плохого» канала дельта-модуляция предпочтительнее ИКМ.

Для передачи речевых сообщений по цифровым каналам с еще меньшей скоростью, например 4,8; 2,4; 1,2 кбит/с, применяются вокодеры. В этом случае передается уже не сам речевой сигнал, а его основные параметры: огибающая, основной тон, формантные компоненты и др. ‘В низкоскоростных каналах связ;и качество передачи речевых сообщений оценивается не объективными характеристиками (АЧХ, отношение сигнал-шум и др.), а субъективными показателями: разборчивостью, натуральностью и другими артикуляционными характеристиками.

Третье направление развития ЦОП — формирование иерархии многоканальных цифровых систем с ВРК. Как и в иерархии систем с ЧРК, рекомендации МККТТ оговаривают основные характеристики первичных, вторичных, третичных, четверичных ЦСП.

Иерархия ЦСП отличается от иерархии АСП с ЧРК соотношением числа основных каналов на разных уровнях. Более того, в настоящее время существуют параллельно различные иерархии, принятые в Европе, в том числе в СССР; в США, Канаде и некоторых других странах; в Японии.

Цифровые системы передачи (табл. 1) первого уровня иерархии широко используют .на местных сетях. Наибольшее распространение имеет 30-канальная аппаратура ИКМ-30. Передача 30 каналов ТЧ не является единственным вариантом использования аппаратуры. Используя 3…5 каналов по 64 кбит/с, можно обеспечить цифровые каналы для передачи сигналов вещания с разным классом качества. Имеется возможность непосредственного ввода цифровых сигналов в групповой сигнал ИКМ-30. Цифровые источники (потребители) информации (синхронные и асинхронные по отношению к ИКМ-30) могут иметь скорости от 1,2 до 480 кбит/с.

Помимо аппаратуры ИКМ-30, к первому уровню иерархии ЦСП относят: аппаратуру цифрового вещания, обеспечивающую передачу цифровых каналов вещания со скоростью 320…512 кбит/с, что соответствует передаче звуковых частот в диапазоне от 30 Гц до 15 кГц; системы с дельта-модуляцией, обеспечивающие передачу 40…60 речевых каналов; комбинированную систему, в которой осуществляется цифровая передача 12-канальной первичной группы ЧРК (спектр 60..Л08 кГц) и нескольких цифровых каналов ТЧ (имеется в зарубежных ЦСП) и др.

Системы передачи второго уровня иерархии (аппаратура ИКМ-120) используют на местных и зоновых сетях. Аппаратура объединяет четыре системы ИКМ-30 первого уровня ЦСП. Кроме того, групповой сигнал ‘вторичной ЦСП 8448 кбит/с может быть образован объединением цифрового сигнала со скоростью 6144 кбит/с, обеспечивающего передачу вторичной группы ЧРК (спектр 312…552 кГц), и сигнала одной первичной ЦСП 2048 кбит/с.

Системы передачи третьего уровня иерархии используют на зоновых и магистральных линиях. Аппаратура ИКМ-480 объединяет четыре системы ИКМ-120 второго уровня. Кроме того, групповой сигнал третичной ЦСП со скоростью 34368 кбит/с может быть сформирован в результате непосредственного АЦП третичной ЗОО-канальной группы с ЧРК (спектр 812…2044 кГц) и дополнительно одной вторичной ЦСП. По этим ЦСП могут передаваться телевизионные сигналы, преобразованные в цифровую форму с использованием методов устранения избыточности.

Системы передачи четвертого уровня иерархии предназначают для магистральных линий связи. Аппаратура ИКМ-1920 обеспечивает объединение четырех систем ИКМ-480. Групповой сигнал четвертого уровня иерархии имеет скорость 139264 кбит/с и помимо телефонных сообщений может быть использован для передачи в цифровой форме сигналов телевизионного вещания.

Синхронизация является .существенным аспектом цифровых систем передачи. Передающая аппаратура ЦСП синхронизируется сигналами внутренней или внешней сетки опорных частот и обеспечивает в процессе формирования (группового сигнала:

выравнивание скоростей внешних источников цифровой информации, асинхронных относительно данной ЦСП;

объединение во времени поступающих извне инфор!мационных сигналов и специально сформированных синхросигналов (для каждого уровня иерархии).

На приемной стороне из принимаемого искаженного в тракте связи линейного сигнала прежде всего выделяется тактовая частота следования символов, необходимая для регенерации символов сигнала. Далее осуществляется сверхцикловая и цикловая синхронизация, на основе которых принятый сигнал расщепляется по ступеням иерархии, а затем разделяется на составляющие, в каждой из ‘которых затем восстанавливается исходная скорость передачи цифровых сообщений.

Отметим, что при цифровой .передаче речевых сообщений методами ИКМ и ДМ восстанавливать точную исходную скорость на приемной стороне не обязательно.

Рассмотрим практические вопросы организации ЦСП в кабельных, радиорелейных и спутниковых линиях связи. Кабельные неиерархические системы ИКМ-12 и ИКМ-24, разработанные в 60-х гг., получили распространение для сельских сетей телефонной связи в некоторых районах страны. Разработан модернизированный вариант ИКМ-15, его условно можно отнести к субпервичному уровню иерархии. В настоящее время внедряются в эксплуатацию иерархические системы ИКМ-30 для местной первичной сети, ИКМ-120 и ИКМ-480 для внутризоновых и магистральной сетей. Аппаратура ИКМ-1920 разрабатывается для магистральной сети. Главной особенностью применения ЦСП в кабельных линиях является формирование линейного сигнала с учетом свойств используемых кабельных линий, а также необходимость установки регенераторов. В кабельных линиях передача ведется в спектре основной полосы частот с помощью специальных линейных кодов, обеспечивающих подавление низкочастотных составляющих спектра. В качестве линейных кодов используют квазитроичные сигналы, основанные на чередовании полярности символов 1 и пассивной паузы и с более сложными законами чередования. В зависимости от типа кабеля выбирается расстояние между регенераторами (табл. 2).

Помимо формирования каналов ТЧ на основе ОЦК (64 кбит/с) в кабельных ЦСП используется аппаратура группового АЦП для транзита вторичной и третичной (а в будущем и первичной) аналоговых групп с ЧРК в цифровые тракты ЦСП соответствующего уровня иерархии.

Для повышения экономической эффективности кабельных ЦСП проводятся работы по удвоению емкости линейных трактов при той же длине регенерационного участка. За счет использования специальных линейных сигналов удается в 2 раза повысить эффективность третичного и четверичного линейных трактов, т. е. передать по этим трактам по два линейных сигнала соответственно систем ИКМ-480 и ИКМ-1920.

Использование стволов аналоговых радиорелейных систем передачи (РСП) для цифровых сигналов оказывается менее эффективным, чем в кабельных линиях. Так, например, в стволе шириной 25 МГц, рассчитанном на передачу сигнала аналоговой груп-

Таблица 2

Тип ЦСП

Кабель

Расстояние между регенераторами, км

Неперархпческзя

Одночетверочный симметрич

7,2…7,8

ИКМ-12

ный

 

Субиервичная ИКМ-15

То же

до 7,5

Первичная

Симметричные для городских

1,5…3

 

телефонных сетей, одночетве

до 4

Вторичная

рочный

 

Симметричные для междуго

4…5,5

 

родных линий

 

Третичная

Коаксиальный 1,2/4,4

2,3…3,2

Четверичная

Коаксиальный 2,9/9,5

2,5…3,5

пы с ЧРК (1920 каналов), удается передавать цифровой сигнал только третичной ЦСП (480 каналов). Для сопряжения цифрового сигнала с аналоговыми РСП с частотной модуляцией используется либо квазитроичный, либо биимпульсный сигнал в сочетании со скремблированием, что обеспечивает уменьшение низкочастотных составляющих спектра радиосигнала.

Частотная модуляция используется в цифровой малоканальной РСП «Радан-2» и в ее модернизированном варианте, рассчитанном на передачу 15 ОЦК (по 64 кбит/с). В диапазоне И ГГц работает отечественная цифровая РСП «Электроника-Связь-11Ц», обеспечивающая передачу вторичной ЦСП (120 каналов) методом относительной фазовой манипуляции (2-ОФМ). Разрабатываются цифровые РСП, рассчитанные на передачу группового сигнала третичной ЦСП (480 каналов). Здесь используется 4-ОФМ. В качестве примера цифровой РСП с дельта-модуляцией можно упомянуть систему передачи ДМ-400/6, обеспечивающую организацию 6 каналов ТЧ на основе компандированной дельта-модуляции.

Как известно, особенностями спутниковых систем связи являются значительная задержка сигнала при распространении по трассе (до 300 мс), наличие доплеровского смещения частоты (особенно заметного при использовании ИСЗ на эллиптической орбите), энергетические ограничения. Поскольку пропускная способность ствола спутниковой РСП шириной около 35 МГц, обеспечивающего передачу цифровой информации со скоростью 40…50 Мбит/с, обычно превышает поток информации одной земной станции, то возникает задача многостанционного доступа (МСД), суть которого состоит в одновременном использовании общего ствола спутникового ретранслятора несколькими земными станциями.

Многостанционный доступ может быть основан на любом известном методе разделения каналов, в частности на основе ЧРК и ВРК. Однако сравнение разных вариантов МСД по пропускной способности показывают преимущества МСД, основанного на разделении сигналов земных станций во времени. Таким образом, и здесь цифровые методы передачи информации имеют явные .преимущества. Для дальнейшего повышения пропускной способности или достоверности передачи информации широко используют различные методы помехоустойчивого кодирования. Такое кодирование из-за большого запаздывания на трассе более предпочтительно по сравнению с использованием обнаруживающих кодов и автоматического запроса повторения передачи при ошибках.

В качестве примера спутниковых ЦСП можно упомянуть систему «Градиент-Н» с передачей земными станциями сигналов ТЧ на независимых несущих. Хотя в этой системе для передачи сигналов телефонии используется аналоговая частотная модуляция, предусмотрена возможность передачи цифровых сигналов со скоростями 2,4 (или 4,8), 48 и 480 кбит/с, а также передача цифровыми методами сигналов звукового вещания высшего, первого и второго классов качества.

‘Другим примером МСД с частотным разделением Цифровых сигналов является аппаратура «Группа». Здесь каждая земная станция передает в общем стволе одну или несколько несущих, манипулированных (‘методом ОФМ цифровым сигналом со скоростью 512 кбит/с. Предусмотрена возможность асинхронного ввода в этот цифровой тракт цифрового сигнала со скоростью 480 кбит/с.

Цифровой сигнал со скоростью 512 кбит/с формируется объединением во времени нескольких сигналов со скоростями 56 или 28 кбит/с. Для канала с 56 кбит/с используется адаптивная ИКМ. Любой из каналов по 56 ^бит/с может быть расщеплен на два канала по 28 кбит/с для формирования речевого канала на основе адаптивной ДМ. ‘В свою очередь, канал 28 кбит/с может быть использован для асинхронного объединения двух цифровых сигналов со скоростью 9,6 кбит/с и одного со скоростью 4,8 кбит/с.

Хотя МСД с частотным разделением сигналов земных станций проигрывает МСД с временным разделением .по пропускной способности, аппаратура «Группа» используется на станциях с малым трафиком; о.на проста в реализации и требует на земной станции передающих устройств .малой мощности. Эти же причины привели к тому, что МСД с ЧРК до сих лор является основным режимом работы в международной спутниковой системе «Интел- сат».

Система многостанционного доступа с временным разделением сигналов земных станций реализована в отечественной аппаратуре МДВУ-20/40, внедренной впервые в мировой практике на коммерческих спутниковых линиях в 1977 г. Эта аппаратура обеспечивает передачу телефонных сигналов в двух режимах: 60-каналь- ная вторичная группа и 8 каналов ТЧ. В первом режиме цифровой сигнал земной станции со скоростью 5,12 Мбит/с получается в результате либо аналого-цифрового преобразования вторичной 60-канальной группы (со спектром 12…252 кГц), либо объединения во времени сигналов двух комплектов аппаратуры ИКМ-30 (со скоростью 2048 кбит/с). Затем осуществляются компрессия сигнала во времени и его четырехфазная ФМ. Длительность кадра передачи одной земной станции равна 62,5 мкс, а длительность- общего цикла составит 500 мкс. Таким образом, через общий спутниковый ретранслятор могут одновременно работать 8 земных станций — 4 пары.

Во втором режиме цифровой сигнал земной станции, формируемый так же, как в аппаратуре «Группа», имеет скорость 512 «бит/с. Как и в первом режиме, длительность кадра передачи одной земной станции составляет 62,5 мкс, однако длительность общего цикла передачи всех земных станций выбрана равной 4500 мкс, что обеспечивает одновременную работу уже 72 земных станций.

Помимо этого, в аппаратуре МДВУ-20/40 предусмотрена возможность одновременной работы в стволе с аппаратурой «Орби- та-РВ», обеспечивающей передачу в цифровой форме одновременно до 25 (программ звукового вещания и сигналов газетных полос.

Земные станции в этой системе синхронизируются специальным сигналом ведущей земной станции, который принимается всеми земными станциями. Период повторения синхросигналов 18 мс. В каждом кадре передачи длительностью 62,5 мкс для тактовой синхронизации отводится 3,7 мкс, а оставшаяся часть ,кадра используется для передачи информации служебной связи, адресации и других целей.

Цифровые методы обработки сообщений и цифровые системы передачи находят -все большее применение в хозяйстве связи. Это обусловлено не только широким .проникновением средств и методов вычислительной техники в другие отрасли, но и существенными преимуществами цифровых методов.

Первоочередными задачами цифровых средств .передачи информации является создание достаточно разветвленной цифровой сети, сосуществующей с аналоговой сетью и предоставляющей пользователям дополнительные услуги. Это позволяет объединить многие цифровые системы передачи, !как существующие, так и вновь организуемые на сети, и заложить основу интегральной цифровой сети, включающей электронные коммутационные центры и обеспечивающей высококачественную передачу различных сообщений. независимо от взаимного расположения пользователей.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты