Кафедра радиоэлектронных средств

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ»

 

 

Киров 2010

УДК 621.372.88

 

ИНПИ ВятГУ У 000388

Рецензент: технический директор ОАО «ВяткаТВ» А.Б.Герасимчук

 

 

Онучин А.Н. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Цифровые системы передачи», - Киров: Изд-во ВятГУ,2010. -41 с.

 

Редактор Е.Г.Козвонина

 

 

Подписано в печать Усл.печ.л.

Бумага офсетная. Печать Aficio 1022.

Заказ Тираж Бесплатно.

Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного автором.

610 000, г. Киров, ул. Московская, 36.

Оформление обложки, изготовление – ПРИП ВятГУ.

 

© А.Н.Онучин, 2010,

© Вятский государственный университет, 2010.

 

 

Содержание

 

1 Постановка задачи курсового проектирования 4

1.1 Содержание курсового проектирования 4

1.2 Исходные данные для проектирования 4

1.3 Порядок разработки курсового проекта 14

2 Передача аналоговых сигналов 16

2.1 Расчет частоты дискретизации 16

2.2 Расчет разрядности и зависимости помехозащищенности для

телефонного канала и канала вещания 16

2.3 Расчет разрядности кодовых слов для широкополосных каналов 21

3 Передача дискретных сигналов 28

3.1 Расчет параметров подсистемы преобразования дискретных сигналов 28

3.2 Выбор способа передачи 30

4 Цикл передачи 34

4.1 Требования к циклу и сверхциклу 34

4.2 Рекомендуемый алгоритм проектирования цикла 35

5 Линейный тракт 39

6 Структурная схема аппаратуры оконечной станции 42

Библиографический список 43

Приложение 44

 

Постановка задачи курсового проектирования

 

Содержание курсового проектирования

Современные транспортные телекоммуникационные сети используют технологии плезиохронной цифровой иерархии, синхронной цифровой иерархии, а также технологию мультиплексирования с разделением по длинам волн. Для приобретения студентами навыков разработки цифровых систем передачи в данных методических указаниях предлагается разработать локальную цифровую систему передачи, обеспечивающую топологию “точка-точка”. В пояснительную записку необходимо включить: введение, перечень исходных данных, постановку задачи курсового проектирования, расчет характеристик аналого-цифрового преобразователя, расчет преобразователя передаваемых дискретных сигналов, расчет цикла передачи, расчет линейного тракта, разработку укрупненной структурной схемы аппаратуры оконечного пункта (или терминальных мультиплексора и демультиплексора), таблицу важнейших технических параметров проектируемой системы, заключение.

Материал пояснительной записки должен быть изложен в логической последовательности с необходимыми пояснениями и обоснованиями принятых решений. Для защиты необходимо подготовить иллюстрационно-графический материал.

 

 

Исходные данные для проектирования

Задания на проектирование представлены в форме четырех таблиц, образующих несколько сотен несовпадающих вариантов индивидуальных заданий. Вариант задания определяется преподавателем. В состав индивидуального задания могут быть включены задачи, не предусмотренные указанными таблицами.

Для студентов заочной формы обучения номера вариантов определяются цифрами номера студенческого билета:

- номер варианта по табл. 1 “Каналы системы передачи” – по последней цифре номера студенческого билета;

- номер варианта по табл. 2 “Требования к каналам” – по предпоследней цифре номера билета;

- номер варианта по табл. 4 “Исходные данные для проектирования линейного тракта” - по сумме предпоследней и последней цифр номера билета.

Так, например, если номер студенческого билета №...93, то проектирование должно выполняться на основе исходных данных, образованных вариантом 3 табл. 1, вариантом 9 табл. 2 и вариантом 12 (то же, что вариантом 2) табл. 4.

 

Таблица 1 - Каналы цифровой системы передачи

№	Наименование	Параметры	Номера вариантов
	Канал телефонный	Число каналов
Частота следования код.гр., кГц	7-10	Расчет	Расчет
Число битов в код. слове, бит		Расчет	Расчет
	Канал вещания	Число каналов		-	-
Частота следования код.гр., кГц	Расчет
Число битов в код. слове, бит	Расчет
	Канал широкополосный	Число каналов	-	-
Частота следования код.гр., кГц			510-600
Число битов в код. слове, бит
	Канал видеотелефонной связи	Число каналов	-		-
Частота следования код.гр., мГц		10-12
Число битов в код. слове, бит
	Канал ПДС-0,2 кбит/с	Число каналов		-	-
Частота следования код.гр., кГц	Расчет
Число битов в код. слове, бит	Расчет
	Канал ПДС-1,2 кбит/с	Число каналов	-		-
Частота следования код.гр., кГц		Расчет
Число битов в код. слове, бит		Расчет
	Канал ПДС-4,8 кбит/с	Число каналов	-	-
Частота следования код.гр., кГц			Расчет
Число битов в код. слове, бит			Расчет
	Канал ПДС-19,2 кбит/с	Число каналов		-	-
Частота следования код.гр., кГц	19,4-25
Число битов в код. слове, бит
	Канал ПДС-1024 кбит/с	Число каналов	-		-
Частота следования код.гр., кГц, осн.
Частота следования код.гр., кГц, доп.		0,4-0,8
Число битов в код. слове, бит, доп.
	Канал ПДС-2048 кбит/с	Число каналов	-	-
Частота следования код.гр., кГц, осн.
Частота следования код.гр., кГц, доп.			3-6
Число битов в код. слове, бит, доп.
	Групповой канал СУВ	Число каналов	-	-
Частота следования код.гр., кГц			7-10
Число битов в код. слове, бит
	Канал перед.СУВ	Число каналов
	Тип кабеля		Т	МКСА	Коакс. норм. диам.

 

Продолжение таблицы 1

№	Номера вариантов
	-			-
-	Расчет	30-40	-	8-10	Расчет	32-40	8-9
-	Расчет		-		Расчет
	-					-		-
-	13-18	Расчет	21-25	Расчет	-	Расчет	-
-		Расчет		Расчет	-	Расчет	-
		-	-		-	-	-
Расчет	-	-	Расчет	-	-	-	Расчет
Расчет	-	-	Расчет	-	-	-	Расчет
		-	-	-	-	-	-
8-10	-	-	-	-	-	-	2,2-2,8
	-	-	-	-	-	-
	-	-		-		-	-	-
-	-	Расчет	-	1,6-2,4	-	-	-
-	-	Расчет	-		-	-	-
	-	-	-	-	-			-
-	-	-	-	-	8-10	Расчет	-
-	-	-	-	-		Расчет	-
	-		-		-		-	-
-	Расчет	-	Расчет	-	Расчет	-	-
-	Расчет	-	Расчет	-	Расчет	-	-
			-	-		-
Расчет	19,4-25,0	-	-	Расчет	-	20-26	Расчет
Расчет		-	-	Расчет	-		Расчет
	-	-	-		-	-	-
-	-	-		-	-	-
-	-	-	5-8	-	-	-	0,8-1,6
-	-	-		-	-	-
		-		-	-		-	-
	-		-	-		-	-
0,4-1,2	-	1,8-1,6	-	-	0,4-1,6	-	-
	-		-	-		-	-
		-	-		-	-	-	-
4-6	-	-	4-7	-	-	-	-
	-	-		-	-	-	-
	-			-
	Коакс. малого диам.	Т	Т	Коакс. норм. диам.	МКСА	Т	Т	Коакс. норм. диам.

 

Окончание таблицы 1

№	Номера вариантов
				-			-
Расчет	32-40	7-9	-	Расчет	Расчет	-	7-9
Расчет			-	Расчет	Расчет	-
	-	-				-	-
-	-	Расчет	Расчет	240-480	-	-	31-33
-	-	Расчет	Расчет		-	-
					-			-
500-600	Расчет	110-140	110-140	-	510-600	Расчет	-
	Расчет			-		Расчет	-
		-	-	-	-		-	-
2,4-3,0	-	-	-	-	2,2-2,8	-	-
	-	-	-	-		-	-
	-	-	-		-	-	-
-	-	-	Расчет	-	-	-	1,2-2,0
-	-	-	Расчет	-	-	-
	-			-	-	-		-
-	Расчет	8-10	-	-	-	Расчет	-
-	Расчет		-	-	-	Расчет	-
			-				-
Расчет	5-7	-	Расчет	30-50	Расчет	-	5-8
Расчет		-	Расчет		Расчет	-
	-	-		-		-		-
-	-	Расчет	-	Расчет	-	20-25	-
-	-	Расчет	-	Расчет	-		-
	-		-			-	-	-
-		-			-	-	-
-	0,8-1,6	-	1-2	0,8-1,6	-	-	-
-		-			-	-	-
		-	-	-
	-	-	-
5-8	-	-	-	0,4-1,2	6-10	4-8	5-6
	-	-	-
	-	-	-	-	-	-		-
-	-	-	-	-	-	4-8	-
-	-	-	-	-	-		-
							-
	Коакс. малого диам.	Коакс. малого диам.	МКСА	ИКСА	МКСА	Коакс. норм. диам.	Коакс. норм. диам.	МКСА

 

Таблица 2 - Требования к каналам

Для телефонных каналов
Параметры	Номера вариантов
, кГц	0,3	0,3	0,2	0,1	0,2	0,3	0,3	0,2	0,1	0,3
, кГц	3,4	2,7	3,4	4,6	4,1	2,7	3,4	3,4	4,4	3,4
, кГц	0,8	1,0	1,2	0,8	1,0	1,2	0,8	1,0	1,2	1,0
, дБм0	-40	-35	-25	-30	-35	-35	-45	-40	-30	-40
, дБм0	-10	-5	-5	-10	-10	-5	-5	-5	-5	-5
, дБм0	-50	-45	-50	-65	-60	-55	-60	-62	-55	-65
, дБ
, пВт
Номер шкалы
Для каналов вещания
Параметры	Номера вариантов
, кГц	0,1	0,05	0,03	0,1	0,05	0,03	0,1	0,05	0,03	0,05
, кГц	6,3	10,0	15,0	6,3	10,0	15,0	6,3	10,0	15,0	10,0
, кГц	0,5	0,5	0,3	0,8	0,5	0,5	1,0	1,0	0,8	0,5
, дБм0	-25	-25	-30	-25	-30	-35	-25	-30	-35	-27
, дБм0		+2		+6			-2			+2
, дБм0	-50	-55	-60	-60	-65	-70	-55	-60	-65	-60
, дБ
, пВт
Номер шкалы
Для широкополосных каналов
Параметры	Номера вариантов
, кГц	60,6	60,6	60,6	312,3	312,3	312,3		312,3	60,6	60,6
, кГц	107,7	107,7	107,7	551,4	551,4	551,4		551,4	107,7	107,7
, кГц
, дБм0	-5	-10	-5	-1	-4	-7	-1	-4	-11	-5
, дБм0	+5	+5	+5	+9	+9	+9	+10	+9	+5	+5
, дБ
, пВт
Номер шкалы

 

 

Окончание таблицы 2

Для каналов ПДС
Параметры	Номера вариантов
, %

 

Таблица 3 - Шкалы квантования для положительной ветви квантующей характеристики

Номер шкалы	Сегмент № 2	Сегмент № 3	Сегмент № 4
			-	-	-	-
		1/3	-	-	-	-
		3/5	-	-	-	-
		1/7	-	-	-	-
		5/3	-	-	-	-
		1/2		1/2	-	-
		3/4		1/4	-	-
					-	-
					-	-
		3/2		3/2	-	-
		2/3		2/3		1/3
		3/2		1/2
				3/2		1/2

 

Таблица 4 - Параметры линейного тракта

Кабель с симметричными парами
Параметры	Номера вариантов
, км
, дБ
, дБм	-100	-90	-80	-70	-60	-50	-100	-80	-60	-40
, В	3,5	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0	3,5	4,0	4,5	5,0
Кабель с коаксиальными парами
Параметры	Номера вариантов
, км
, дБ
, В	3,5	4,0	4,5	5,0	5,5	6,0	5,5	4,5	4,0	4,5

 

Пояснения к таблице 1

Эта таблица является основной, определяющей структуру системы. При ее разработке определялся принцип одинаковой сложности проектов по группам вариантов 0 – 9. В таблице для каждого варианта указаны типы и количество каналов, которые должны быть организованы в системе. Если организация канала не предусматривается, то соответствующая клетка варианта прочеркнута. Каналы, характеристики аналого-цифровых преобразователей (АЦП) которых подлежат расчету, имеют надпись “Расчет”. Исходные данные для расчета следует брать из табл. 2 – 4. Для каналов, расчет характеристик АЦП которых не производится, в соответствующей клетке табл. 1 указаны частота следования кодовых групп (или кодовых слов) этого канала и число битов в кодовом слове на выходе соответствующего преобразователя. Как правило, значение частоты приведено в виде двух чисел, соединенных дефисом. Разработчику проекта представляется возможным выбрать точное значение частоты в указанных пределах. Такой выбор упрощает разработку цикла передачи и его структуру, а в реальной системе упрощает генераторное оборудование и аппаратуру цикловой синхронизации.

Поясним сказанное на примере варианта 1. По этому варианту в системе должны быть организованы следующие каналы:

- 30 телефонных каналов, характеристики АЦП которых подлежат расчету;

- 1 канал видеотелефонной связи, сигнал которого после аналого-цифрового преобразования, осуществляемого в системе, может быть представлен регулярной последовательностью битов с частотой следования от 10 до 12 МГц (цифра 1 в нижней строке свидетельствует о том, что группы цифрового сигнала состоят из одного бита);

- 10 каналов передачи дискретных сигналов со скоростями не больше 1,2 кбит/с; требования к соответствующим преобразователям “цифра-цифра” или кодекам подлежат расчету;

- 1 канал передачи дискретных сигналов со скоростью 1024 кбит/с; преобразователь “цифра-цифра” или кодек работает с использованием метода кодирования скорости (или согласования скоростей). Частота следования битов в основном потоке равна 1024 кГц, дополнительный поток состоит из кодовых слов по 4 бита в каждом, частота следования кодовых слов дополнительного потока может быть выбрана из значений, заключенных в интервале от 0,4 кГц до 0,8 кГц;

- 80 каналов передачи сигналов управления и вызова (СУВ), сведения о которых приведены ниже.

В табл.1 включены каналы 12 типов, что существенно меньше числа типов каналов, которые могут быть организованы на практике.

Телефонные каналы различных вариантов проектирования отличаются друг от друга шириной полосы эффективно передаваемых частот, шириной динамического диапазона и требованиями к защищенности канала от помех (см. табл. 2). Следовательно, число битов в кодовом слове телефонного канала может существенно отличаться от принятого в первичных ЦСП. То же относится и к частоте дискретизации.

 

Под широкополосным каналом здесь понимается первичный или вторичный широкополосный канал в зависимости от требований к нему, сформулированных в табл. 2.

Каналы передачи дискретных сигналов (передачи данных), указанные в таблице, характеризуются их пропускной способностью (число битов, передаваемых по каналу в секунду). Каналы с пропускной способностью не выше 0,2 кбит/с, 1,2 кбит/с, 4,8 кбит/с и 19,2 кбит/с должны быть спроектированы так, чтобы они были способны передавать дискретные сигналы со скоростями следования битов, равными указанным значениям и меньшими их. В остальных случаях (1024 кбит/с и 2048 кбит/с) следует полагать, что номинальная скорость следования битов по каналу постоянна.

Каналы передачи сигналов управления и взаимодействия (СУВ) являются служебными, обслуживающими различные типы основных каналов и систему передачи в целом. В курсовом проектировании необходимость организации таких каналов должна учитываться при построении цикла системы, но их расчет заданием не предусматривается. Следует полагать, что кодовые слова каждого СУВ на выходе кодера состоят из одного бита, а частота их повторения может быть выбрана проектировщиком из значений, заключенных в интервале (0,4 - 0,8) кГц.

Групповой канал СУВ служит для передачи всех СУВ, обслуживающих систему. Соответствующая аппаратура формирования группового сигнала и его разделения на канальные СУВ не входит в состав проектируемой ЦСП.

Для каждого варианта исходных данных в табл. 1 указан тип используемого кабеля. Другие исходные данные, необходимые для расчета линейного тракта приведены в табл. 4.

Пояснения к таблице 2

В таблице приведены требования к каналам, подлежащим расчету согласно табл. 1, а также исходные данные, характеризующие эти каналы. При этом использованы следующие обозначения:

, - соответственно, нижняя и верхняя границы эффективно передаваемых частот канала;

- ширина полосы расфильтровки фильтров, используемых в дискретизаторе и восстановителе аналоговой формы сигнала;

, - соответственно нижняя и верхняя границы нормируемого диапазона уровней преобразуемого сигнала в ТНОУ;

- допустимое значение абсолютного уровня шумов на выходе незанятого телефонного канала или канала вещания в ТНОУ;

- минимально допустимое значение защищенности передаваемого сигнала от шумов в заданном диапазоне изменения его уровней;

-ожидаемое значение средней мощности шумов в канале, возникающих из-за погрешностей изготовления кодеков. Указанное значение приведено в ТНОУ и относится к полосе, равной половине частоты дискретизации;

- предельно допустимое значение фазовых дрожаний (краевых искажений) передаваемого дискретного сигнала.

Проектирование подсистемы аналого-цифрового преобразования обычно включает в себя синтез оптимальной шкалы квантования. Эта достаточно сложная задача в курсовом проекте не решается. Форма шкалы считается заданной. Ее номер указан в табл. 2. Параметры шкалы приведены в табл.3.

При расчете шумов квантования закон распределения вероятностей мгновенных значений преобразуемых сигналов рекомендуется принять нормальным

,

где – мгновенное значение сигнала, - среднеквадратическое значение сигнала.

Закон распределения вероятностей мгновенных значений сигналов, передаваемых по телефонным каналам, каналам вещания и широкополосным каналам может заметно отличаться от нормального. В частности, для телефонных сигналов он близок к экспоненциальному. Тем не менее, МСЭ-Т рекомендует измерение защищенности сигналов от шумов квантования производить в условиях передачи сигналов с нормальным распределением вероятностей мгновенных значений. Соответственно этому расчет шумов в курсовом проекте предлагается производить исходя из нормального или гауссовского распределения вероятностей мгновенных значений преобразуемых сигналов.

Входное и выходное сопротивления телефонного канала и канала вещания следует принять равным 600 Ом, а широкополосного – 150 Ом.

Заметим также, что диапазон изменения уровней группового сигнала, передаваемого по широкополосному каналу, обычно гораздо шире, чем это указано в таблице. Необходимое сужение диапазона до значений, указанных в таблице, достигается суммированием передаваемого сигнала с некоторым дополнительным шумовым сигналом при одновременном принятии мер по стабилизации уровня.

Пояснения к таблице 3

В таблице представлены 14 шкал квантования. Шкалы с первой по пятую - трехсегментные (в положительной ветви характеристики – двухсегментные), шкалы с шестой по десятую – пятисегментные, шкалы с 11 по 14 – семисегментные (в положительной ветви – четырехсегментные). Все шкалы симметричные и ориентированы относительно системы координат так, как это показано на рис. 1. Номер шкалы, которую следует применять при проектировании подсистемы аналого-цифрового преобразования, указан в табл. 2.

В пределах каждого сегмента шаги квантования одинаковы. Шаги квантования центрального (симметричного сегмента) равны . В двух примыкающих к нему сегментах значение шага квантования обозначено через . В следующих - . Число шагов квантования в первом сегменте положительной ветви характеристики равно , во втором - и т.д. Шкалы в табл. 3 характеризованы отношением шага квантования каждого сегмента к шагу квантования первого сегмента и отношениями числа шагов в каждом сегменте к числу шагов в первом сегменте. Шкала квантования определяется однозначно, если дополнительно к указанным отношениям известны численное значение шага квантования в первом сегменте (или напряжения ограничения) и разрядность кода (или число битов в кодовом слове). Расчет требуемых значений величины шага квантования в первом сегменте и числа битов в кодовых словах выполняется студентами на стадии проектирования системы.

На рис. 1 в качестве примера приведена пятисегментная характеристика с параметрами:

; ; ; , при .

Входные напряжения, соответствующие верхним границам сегментов, обозначены соответственно через , , .

Напряжение ограничения, соответствующее началу зоны ограничения квантующей характеристики, в данном случае равно .

 

 

 

 

Рисунок 1 - Амплитудная характеристика квантования кодера

 

Параметры кодера: число битов в кодовом слове равно пяти, для кодирования используется симметричный код.

Алгоритм кодирования: первый бит - бит полярности, второй и третий биты - номер сегмента в двоичном коде. Для кодирования первый сегмент надо разделить на два.

Для указанных параметров шкалы

, , .

В общем случае для сегментных шкал справедливо:

,

,

,

,

где – число сегментов в положительной ветви квантующей характеристики;

 

Пояснения к таблице 4.

В таблице приведены исходные данные, необходимые для проектирования линейного тракта. Их номенклатура определяется типом используемого кабеля, который указан в табл. 1. Например, если по табл. 1 задан вариант № 7, а по табл. 4 – вариант № 4, то проектировать линейный тракт следует на симметричном кабеле МКСА, полагая при этом:

км, дБ, дБм и В.

В табл. 4 использованы следующие обозначения:

- длина линейного тракта проектируемой системы;

- потери помехозащищенности регенератора;

- абсолютный уровень внешних помех на входе регенератора;

- амплитуда импульсов в кабеле на выходе регенератора.

Километрическое затухание используемых кабелей и их волновое сопротивление указаны в таблице 5. Значение частоты в приведенных формулах следует подставлять в МГц.

 

Таблица 5 - Параметры кабелей связи.

Кабель	, дБ/км	, Ом
С симметричными парами типа Т
C симметричными парами типа МКСА
С коаксиальными парами малого диаметра 1,2/4,6
С коаксиальными парами нормального диаметра 2,6/9,4