Передача дискретных сигналов

В результате проектирования подсистемы передачи дискретных сигналов должны быть рассчитаны:

- минимально допустимое число битов в кодовых словах или кодовых группах канального цифрового сигнала ЦСП, обеспечивающего организацию цифрового канала заданной пропускной способности и заданного качества (табл. 1 и 2);

- частота повторения кодовых групп в данном цифровом канале;

- коэффициент использования пропускной способности цифрового канала.

Число организуемых каналов указано в табл. 1. Требования к качеству цифровых каналов приведены в табл. 2. Ожидаемые фазовые дрожания не должны превышать значения .

Для организации каналов передачи дискретных сигналов с относительно невысокими скоростями (не выше 19,2 кбит/с) в настоящее время используются способы кодирования амплитуды и кодирования фронтов сигналов. Способы кодирования амплитуды в литературе называют способами стробирования или наложения. Известны модификации способа кодирования фронтов сигналов, например, способы скользящего индекса (СИ), фиксированного индекса (ФИ), скользящего индекса с подтверждением и другие.

Проектирование подсистемы предлагается выполнить в следующем порядке. Сначала рассчитываются параметры подсистемы при использовании способов наложения, скользящего индекса и фиксированного индекса при условии организации цифрового канала для передачи дискретных сигналов с заданной величиной фазовых дрожаний. Фактически предлагается рассчитать параметры трех кодеков. Затем производится анализ параметров с учетом числа организуемых каналов и других характеристик проектируемой ЦСП. По результатам анализа делается выбор способа передачи.

 

3.1 Расчет параметров подсистемы преобразования дискретных сигналов

Число битов в кодовых группах канального цифрового сигнала ЦСП при использовании в кодере способа кодирования амплитуды равно единице. На кодер поступает только одна управляющая последовательность, частота следования импульсов которой равна .

Максимальная абсолютная величина фазовых дрожаний равна длительности тактового интервала канального сигнала

.

Минимальное значение частоты следования кодовых групп зависит от заданной величины фазовых дрожаний

,

где - частота следования символов дискретных сигналов, для двоичных сигналов численно равна скорости (табл. 1).

Коэффициент использования пропускной способности цифрового канала равен

.

Способ скользящего индекса основан на передаче информации о временных положениях фронта дискретного сигнала в двоичном коде. Эта информация передается с помощью кодовых групп, состоящих не менее чем из трех символов.

На кодер, в котором реализуется способ СИ, поступают две управляющие последовательности импульсов, частоты следования которых равны

и .

Первый символ в кодовой группе равен “единице” при появлении любого фронта импульса дискретного сигнала, один символ используется для передачи характера фронта сигнала, остальные символы - для передачи расположения фронта дискретного сигнала по отношению к тактовым импульсам канального цифрового сигнала. Номер подынтервала, в котором наблюдается фронт имульса дискретного сигнала, кодируется натуральным арифметическим кодом. Если для передачи расположения фронта используется один символ, то точность передачи и максимальная величина фазовых дрожаний равны половине тактового интервала, если два, то максимальная величина фазовых дрожаний равна четвертой части тактового интервала и т.д. Начало кодовой группы – это всегда “единица”. Положения этих стартовых символов не синхронизированы с последовательностью тактовых импульсов канального сигнала. Это вызывает скольжение стартового символа по временной оси, отсюда название способа.

При использовании в кодере способа СИ максимальная абсолютная величина фазовых дрожаний при передаче дискретного сигнала равна

,

где - период следования тактовых импульсов канального цифрового сигнала.

Способ СИ может быть реализован в кодере при условии, что .

Относительная величина фазовых дрожаний будет равна

.

Примем , тогда .

Минимальное значение количества битов в кодовом слове равно трем. Следует подставить это значение в вышеприведенную формулу и рассчитать величину фазовых дрожаний. Если рассчитанное значение фазовых дрожаний меньше допустимого, то для реализации способа СИ достаточно иметь кодовые группы с числом битов, равным трем. Если полученное значение больше допустимого, то необходимо более точно передавать положение фронта дискретного сигнала и использовать в кодере число битов, равное четырем и т.д.

Минимальное значение частоты следования кодовых групп следует принять равным .

Коэффициент использования пропускной способности цифрового канала может быть рассчитан по формуле

.

Способ СИ характеризуется размножением ошибок, т.е. одиночные ошибки (сбои символов) в групповом цифровом тракте системы передачи вызывают более чем одну ошибку в дискретном сигнале на приеме. Коэффициент размножения ошибок при средней длительности импульса дискретного сигнала равен .

Способ ФИ также основан на передаче информации о временных положениях фронта дискретного сигнала с помощью кодовых групп, состоящих не менее чем из трех символов. Но кодовые группы формируются в фиксированные моменты времени, определяемые управляющими сигналами ЦСП. При этом на кодер, в котором реализуется способ ФИ, должны поступать от генераторной аппаратуры ЦСП три управляющие последовательности, частоты следования импульсов которых равны

, и .

Допустим, число битов в кодовой группе кодера равно трем. При передаче информации о положении фронта дискретного сигнала первый символ в кодовой группе имеет значение “1”, если наблюдался передний фронт сигнала, и “0”, если наблюдался задний фронт сигнала. Следующие два символа передают в простом двоичном коде информацию о номере подынтервала, в котором наблюдался фронт дискретного сигнала, таких подынтервалов только три. При отсутствии фронта импульса дискретного сигнала формируется кодовая группа, первый символ которой совпадает по своему значению со значением дискретного сигнала (“0”, если в дискретном сигнале пробел, и “1”, если передавался импульс дискретного сигнала). Следующие два символа кодовой группы равны при этом “единицам”.

Относительная величина фазовых дрожаний при использовании способа ФИ равна

.

Для определения величины числа битов в кодовой группе следует рассчитать значение фазовых дрожаний при минимальном числе битов. Сравнить рассчитанное значение с допустимым и, если качество передачи не соответствует требованиям, увеличить число битов до четырех и опять рассчитать значение фазовых дрожаний и т.д.

Минимальное значение частоты следования кодовых групп следует принять равным .

Коэффициент использования пропускной способности цифрового канала может быть рассчитан по формуле

.

Для способа ФИ коэффициент размножения ошибок равен значению .

 

Выбор способа передачи

Подсистемы преобразования дискретных сигналов, или кодеки, которые могут быть названы устройствами преобразования типа “цифра-цифра”, при использовании различных способов передачи дискретных сигналов отличаются, как видно из материалов разд. 2.1, значениями частот следования кодовых групп и числом битов в кодовых группах, степенью аппаратурной сложности соответствующих узлов в ЦСП и значениями коэффициента размножения ошибок. При этом все кодеки обеспечивают заданное качество передачи в отношении фазовых дрожаний.

Наиболее сильное влияние на параметры проектируемой ЦСП оказывают численные значения частот следования кодовых групп и числа битов в кодовых группах. С их увеличением увеличивается тактовая частота группового цифрового сигнала ЦСП и уменьшается длина регенерационного участка. При незначительном уменьшении длины регенерационного участка можно считать допустимым использование способа кодирования амплитуды как наиболее простого в реализации. В противном случае предпочтение должно быть отдано способам СИ или ФИ, требующим узлов примерно одинаковой сложности. Но эти способы различаются коэффициентами ошибок, поэтому выбор способа СИ или ФИ рекомендуется выполнять на втором этапе сравнения.

С учетом сказанного анализ результатов расчета по материалам подразд. 2.1 и выбор способа передачи рекомендуется производить в следующем порядке:

Рассчитать ориентировочные значения тактовых частот группового

цифрового сигнала проектируемой ЦСП для случаев использования способов кодирования амплитуды, СИ и ФИ , , .

Известно, что для двоичных сигналов численные значения скоростей сигналов и тактовых частот одинаковы (например, (кбит/с) = (кГц)), поэтому для расчета значений тактовых частот можно использовать следующие формулы:

;

;

;

где - индекс типа канала по табл. 1, кроме каналов ПДС, для которых был выполнен расчет параметров кодеков в разд. 2.1 и произведение параметров которых составляет отдельное слагаемое;

, , - соответственно число каналов данного типа, число битов в кодовых группах и частота повторения кодовых групп.

Сравнить между собой рассчитанные значения тактовых частот при

использовании в кодеках способов наложения и СИ. Если

,

то рекомендуется выбрать для реализации подсистемы преобразования дискретных сигналов способ наложения. В противном случае анализ результатов расчета должен быть продолжен.

Границей между использованием способа наложения, с одной стороны, и способами СИ и ФИ, с другой стороны, в вышеприведенной формуле рекомендовано принять расхождение частот не более чем на 1%. Известно, что длина регенерационного участка примерно обратно пропорциональна корню квадратному из значения тактовой частоты. Установленная граница примерно соответствует изменению длины регенерационного участка на 0,5%.

Допустимо в курсовом проекте принять граничное значение, отличающееся от рекомендуемого, при обязательном пояснении принятого решения.

Сравнить значения тактовых частот ЦСП при использовании в кодеках

способов СИ и ФИ. Если эти значения одинаковы, то лучше выбрать способ ФИ, как отличающийся меньшим размножением ошибок. Если ,

то предпочтение лучше отдать способу СИ, как обеспечивающему большую длину регенерационного участка.

В пояснительной записке к проекту необходимо привести временные диаграммы работы кодера для выбранного способа передачи дискретных сигналов.

Приведем пример расчета и выбора способа передачи.

Пусть задано, что в ЦСП должно быть организовано 20 телефонных каналов при использовании канальных цифровых сигналов с , и 10 каналов передачи дискретных сигналов со скоростью до 2,4 кбит/с при .

При использовании способа кодирования амплитуды или наложения необходим цифровой сигнал , ; при использовании способа СИ , ; при использовании способа ФИ , .

Тогда , , . А так как

,

выбор ограничивается способами СИ и ФИ, из которых согласно методике, предпочтение в данной ситуации отдается способу СИ. Для него .

 

 

 

Цикл передачи

 

В разделе приведены методические указания по разработке структуры цикла и сверхцикла и расчету тактовой частоты группового цифрового сигнала проектируемой системы передачи. Отметим, что разработка цикла передачи - это вариационная задача.

Массив исходных данных для проектирования цикла и сверхцикла образуется данными, приведенными в табл. 1 и результатами проектирования подсистем аналого-цифрового преобразования (разд. 1) и передачи дискретных сигналов (разд. 2). Рекомендуется полагать, что все преобразователи являются одноканальными. Цифровые потоки на выходах преобразователей следует полагать состоящими из кодовых групп, биты в которых следуют друг за другом через интервалы, определяемые структурой проектируемого цикла. Следовательно, цифровые потоки удобно характеризовать частотой повторения кодовых групп и числом битов в кодовых группах.

 

Требования к циклу и сверхциклу

 

От того, каким образом построен цикл передачи, зависят такие важные параметры ЦСП, как скорость передачи, время поиска и вхождения в синхронизм при сбое синхронизации, коэффициент использования пропускной способности цифрового группового тракта и т.д.

На основании этого в курсовом проекте к циклу и сверхциклу предъявляются следующие требования.

1. Длительность сверхцикла не должна превышать (2 - 3) мс из-за ограничения максимального времени восстановления синхронизма в ЦСП.

2. Число битов в цикле и число циклов в сверхцикле ограничены:

, ,

где - число битов в цикле;

- число циклов в сверхцикле.

Желательно, чтобы эти числа разлагались на целочисленные сомножители возможно меньшей величины, при этом упрощается генераторная аппаратура ЦСП.

3. В цикле и сверхцикле должны быть предусмотрены тактовые интервалы для передачи сигналов синхронизации. Число битов в слове циклового синхросигнала рекомендуется принимать равным (7 - 12), а в слове сверхциклового синхросигнала - (4 - 8).

4. Групповой цифровой сигнал ЦСП должен быть получен в результате объединения цифровых сигналов по кодовым группам. Кодовые слова каждого канального сигнала должны располагаться в цикле (сверхцикле) по возможности регулярней, ритмичней. Чем регулярнее поток кодовых групп, тем проще аппаратура объединения и разделения цифровых потоков, так как можно использовать устройства буферной памяти с меньшим объемом и более простой алгоритм формирования управляющих импульсных последовательностей в генераторной аппаратуре. Для регулярного размещения битов цифровых сигналов можно цикл разделить на группы, частота повторения которых выше и кратна цикловой.

5. Допустимо в цикле и сверхцикле иметь тактовые интервалы, не занятые передачей информации. Наличие таких интервалов может быть использовано для повышения регулярности цифровых потоков, а в дальнейшем - как резерв передачи сигналов данных, служебных переговоров и др.

6. Тактовые интервалы в цикле и циклы в сверхцикле рекомендуется нумеровать, начиная с единицы. Первые тактовые интервалы в цикле рекомендуется использовать для передачи сигналов цикловой синхронизации.

7. Для оценки качества проектирования цикла и сверхцикла рекомендуется рассчитать коэффициент использования пропускной способности группового цифрового тракта системы передачи по формуле

,

где - число битов в сверхцикле;

- число битов сигнала цикловой синхронизации в сверхцикле;

- число битов сигнала сверхцикловой синхронизации в сверхцикле;

- число свободных тактовых интервалов в сверхцикле.

Коэффициент использования пропускной способности проектируемой ЦСП должен удовлетворять условию .

Если в ЦСП групповой цифровой сигнал имеет только цикловую структуру, то формулу для расчета коэффициента использования пропускной способности необходимо изменить.

 

4.2 Рекомендуемый алгоритм проектирования цикла

 

1. Подготовить таблицу исходных данных для проектирования цикла в форме табл. 6. Заполнить столбцы 2 - 7 по данным табл. 1, по данным проектирования подсистем аналого-цифрового преобразования (разд. 1) и передачи дискретных сигналов (разд. 2):

столбец 2 - типы каналов ЦСП;

столбец 3 - количество каналов данного типа;

столбцы 4 и 5 - наименьшие и наибольшие значения частот следования кодовых групп, если они установлены; для широкополосного канала необходимо указывать два интервала возможных значений частот следования кодовых групп;

столбец 6 - значение частоты следования кодовых групп, если по данным табл. 1 для данного канала предусмотрено только одно значение;

 

 

Таблица 6 – Параметры ЦСП

№	Тип канала	Число каналов	Min кГц	Max кГц	Оконч. кГц	бит			Номера тактовых интервалов в цикле	Номера циклов
	Телеф.								9-16, 17-72, 81-128, 145-200, 209-256	1-16
	Веща-ния								9-16, 73-80, 137-144, 201-208	1-16
	ПДС-1,2									1-16
	СУВ				0.5				129, 130, 133,	2-16 2-16 2-16 1-16
	Цикл. синхр.								2-8	1-16
	Сверх- цикл. синхр.				0.5				129-132
	Своб. такт. инт.								131, 132, 133, 135,	2-16 2-16 1-16 1-16

 

Основные параметры ЦСП по данным, приведенным в табл. 6:

, , , , , , .

столбец 7 - число битов в кодовых группах для каждого типа канального сигнала ЦСП.

2. Принять в качестве ориентировочного значения тактовой частоты группового цифрового сигнала значение этой частоты, рассчитанное в разд. 2.2 при выборе способа передачи дискретных сигналов. Например, если в качестве способа передачи был выбран способ СИ, то и т.п.

3. Принять в качестве частоты повторения циклов наименьшее значение частоты следования кодовых групп из четвертого столбца. Рассчитать ориентировочное значение числа тактовых интервалов в цикле как ближайшее большее целое отношения

4. Оценить результат расчета числа битов в цикле. Если , то групповой сигнал может быть построен на основе цикла без сверхцикла.

Если , то наличие сверхциклов обязательно.

Более сложная ситуация складывается, когда .

Единственным выходом, удовлетворяющим требованиям подразд. 4.1, является создание в проектируемой ЦСП отдельной цифрово й подсистемы передачи низкоскоростных цифровых сигналов. Для создания подсистемы необходимо выбрать из табл. 6 только низкоскоростные сигналы и использовать их для расчета цикла подсистемы ЦСП. Параметры низкоскоростных сигналов следует свести в другую таблицу. Принципы проектирования цикла подсистемы аналогичны принципам построения цикла ЦСП. В курсовом проекте следует разработать цикл (при необходимости и сверхцикл) подсистемы и рассчитать значение тактовой частоты выходного сигнала подсистемы, присвоив ей обозначение , при этом число битов в кодовом слове для подсистемы равно единице.

Сведения о сформированном групповом сигнале как о самостоятельном сигнале занести в отдельную таблицу, исключив из дальнейшего рассмотрения сигналы, передаваемые в подсистеме. В эту же таблицу внести параметры высокоскоростных сигналов из табл. 6, передача которых не предусмотрена в подсистеме. Повторить расчет по п. 3 и оценку результатов по начальной части данного пункта. Таким образом, структура цикла подсистемы и цикла ЦСП должна быть приведена в отдельных таблицах. В табл.6 останутся заполненными только столбцы 1-7.

5. Определить области предполагаемых значений частот повторения циклов и сверхциклов. Области разрешенных значений этих частот определяются требованиями подразд. 4.1:

,

.

6. Выбрать окончательные значения частот следования кодовых групп, частот повторения циклов и сверхциклов. Принятые значения должны удовлетворять требованиям:

, для ,

, для ,

,

где - целые числа.

Частоты повторения циклов и сверхциклов, а также частоты следования кодовых групп не обязательно должны быть равны целому числу в килогерцах или герцах. Их значения должны быть записаны шестью цифрами, поскольку относительная погрешность установки частоты задающего генератора в ЦСП не больше .

Заполнить шестой столбец табл. 6.

7. Определить число битов в кодовых словах цикловой и сверхцикловой синхронизации (см. п. 3 подразд. 4.1). При этом следует ориентироваться на результаты работ в области цикловой синхронизации, а также на параметры ЦСП европейской, североамериканской и японской плезиохронных иерархий.

В частности, увеличение числа битов в сигнале синхронизации сокращает время восстановления синхронизма, повышает его устойчивость, но уменьшает коэффициент использования пропускной способности группового тракта ЦСП.

Для организации передачи сигналов телеуправления (сигналов аварии о потере цикловой синхронизации, контроля ошибок в цифровом тракте и др.) в проектируемой ЦСП предполагается использование каналов СУВ. В ЦСП излишне предусматривать организацию каких-либо каналов для передачи сигналов телеуправления и др.

Ввести в табл. 6 дополнительные строки: “Канал цикловой синхронизации” и “Канал сверхцикловой синхронизации” и заполнить для этих каналов столбцы 6 и 7.

8. Рассчитать число тактовых интервалов в цикле и сверхцикле, необходимых для организации каналов каждого типа:

, для ;

для .

По данным расчета следует заполнить восьмой и девятый столбцы таблицы.

9. Рассчитать минимально необходимое число тактовых интервалов в цикле:

,

где числитель определяется по данным столбца 9.

Количество тактовых интервалов в цикле должно превышать минимальное значение. В целях упрощения аппаратуры формирования управляющих сигналов ЦСП или генераторной аппаратуры желательно, чтобы число тактовых интервалов в цикле разлагалось на простые множители.

10. Разместить кодовые слова и биты сигналов по тактовым интервалам цикла и сверхцикла, заполнив столбцы 10 и 11 табл. 6. Структура цикла и сверхцикла должна удовлетворять требованиям подразд. 3.1. Размещение в цикле рекомендуется начинать с сигнала цикловой синхронизации. После размещения всех кодовых слов, передаваемых в цикле, переходят к размещению слов, передаваемых в сверхцикле. В первом цикле рекомендуется разместить сверхцикловой сигнал синхронизации.

При выполнении этого пункта рассматривается, как правило, несколько конкурирующих вариантов и выбирается лучший.

11. Ввести в таблицу дополнительную строку “свободные тактовые интервалы” и заполнить для нее столбцы 8 - 11.

12. Рассчитать коэффициент использования пропускной способности группового тракта ЦСП. Коэффициент использования должен удовлетворять требованиям, приведенным в п. 7 подразд. 3.1.

13. Рассчитать точное значение тактовой частоты цифрового группового сигнала проектируемой частоты по формуле

или .

Далее необходимо привести основные параметры ЦСП. Структуру цикла следует отобразить на отдельном рисунке.

 

Библиографический список

 

1. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов/ В.И.Иванов, В.В.Гордиенко, Г.Н.Попов и др.; Под ред. В.И.Иванова. – 2-е изд. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 232с.:ил.

2. Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н., Моченов А.Д. Цифровые системы передачи: Учебное пособие для вузов / Под ред. А.Д.Моченова. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 352 с: ил.

3. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи: Учебник для вузов/ В.В.Крухналев, В.В.Гордиенко, В.И.Иванов и др.; Под ред. В.В.Гордиенко и В.В.Крухналева. – М.: Радио и связь, 1996. – 344 с.:ил.

4. Кириллов В.И. Многоканальные системы передачи: Учебник/ В.И.Кириллов. – М.: Новое знание, 2002. – 751 с.:ил.

5. Многоканальные системы передачи: Учебник для вузов/ Н.Н.Баева, В.Н.Гордиенко, С.А.Курицын, и др.; Под ред. Н.Н.Баевой и В.Н.Гордиенко. - М.: Радио и связь, 1997. –560 с.

 

Приложение

Интеграл вероятностей

 

 

X
0.0	0,00000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0