Цифровая многоканальная система передачи с ИКМ по металлическому кабелю

    Министерство  РФ по связи и информатизации

    Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

___________________________________________________________________________________

Факультет многоканальной электросвязи 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

ПЕРЕДАЧИ

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ

Цифровая  многоканальная система  передачи с ИКМ  по металлическому кабелю. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

г. Новосибирск

2000

Вариант № 01. 

Задание на курсовой проект: 

   Разработать  эскизный проект цифровой системы  передачи с ИКМ. 

Вопросы, подлежащие проработке: 

1. Выбор частоты  дискретизации телефонных сигналов, расчет количества разрядов в кодовом  слове и защищенности от искажений  квантования на выходе каналов ЦСП.
2. Разработка укрупненной структурной схемы оконечного оборудования ЦСП.
3. Разработка структуры временных циклов первичного цифрового сигнала и расчет тактовой частоты агрегатного цифрового сигнала.
4. Построение сигнала на выходе регенератора (в коде КВП-3) для заданной кодовой последовательности символов. Расчет и построение временной диаграммы сигнала на выходе корректирующего усилителя регенератора (в ТРР).
5. Оценка надежности линейного тракта ЦСП.

Исходные  данные к курсовому  проекту: 

1. протяженность линейного тракта км;
2. количество переприемов по ТЧ ;
3. количество каналов передачи ;
4. защищенность от искажений квантования на выходе канала дБ;
5. среднее время восстановления циклового синхронизма мс;
6. допустимая вероятность ошибки на один километр линейного тракта 1/км;
7. коэффициент шума корректирующего усилителя ;
8. амплитуда импульса на выходе регенератора В;
9. кодовая последовательность символов .

I. Выбор частоты дискретизации телефонных сигналов, расчет количества разрядов в кодовом слове и защищенности от искажений квантования на выходах каналов ЦСП. 

Задание: 

   Выбрать  частоту дискретизации телефонных  сигналов  , обосновать выбор. Выбрать и обосновать выбор характеристики компрессии. Определить количество разрядов в кодовом слове , необходимое для обеспечения требуемой защищенности гармонического сигнала от искажений квантования в каналах разрабатываемой ЦСП в пункте приема. Для найденного количества разрядов рассчитать и построить зависимость защищенности гармонического сигнала от искажений квантования в пункте приема как функцию уровня этого сигнала. При расчете принять, что уровень перегрузки кодера составляет дБ. Определить диапазон изменения уровня входного сигнала ( в дБ), в котором защищенность от искажений квантования на приеме остается не ниже заданной. 
 
 

   Осуществляем  выбор частоты дискретизации на основе теоремы Котельникова, согласно которой непрерывный сигнал, ограниченный частотой , полностью определяется отсчетами его мгновенных значений, отстоящими друг от друга на интервалы , т.е. частота дискретизации должна быть . Данная теорема верна только в случае дискретных отсчетов бесконечно малой длительности и при использовании идеальных фильтров ФНЧ (с бесконечно большой крутизной среза) для демодуляции. В связи с этим на практике частоту дискретизации выбирают из условия , что позволяет обеспечить практически безыскаженную демодуляцию с помощью сравнительно простых фильтров за счет создания защитного интервала шириной больше полосы среза ФНЧ. Для телефонного сигнала, ограниченного частотой Гц, выбираем частоту дискретизации Гц, что составляет . Спектральная диаграмма АИМ-сигнала, поясняющая выбор частоты дискретизации, представлена на рисунке 1.1. 
 
 
 

   В цифровых  системах связи определяющим  является шум квантования. Шум  квантования обусловлен конечностью  числа уровней отсчетов и, как  следствие, неточностью представления  мгновенного уровня сигнала. Разность между исходным и квантованным сигналом называется шумом квантования. Амплитудная характеристика квантующего устройства может быть представлена как сумма идеальной линейной характеристики и ступенчатой функции, определяющей искажения сигнала. Конечность числа уровней квантования определяет максимальную амплитуду входного сигнала. Превышение максимальной амплитуды входного сигнала приводит к ограничению уровня квантованного сигнала (перегрузка кодера). При равномерном шаге квантования шум квантования не зависит от уровня сигнала, поэтому для получения приемлемого соотношения сигнал/шум при малом уровне сигнала необходимо уменьшать шаг, что ведет либо к увеличению числа уровней, либо к ограничению максимальной амплитуды сигнала. Выбор характеристики квантования основан на особенностях восприятия человеческого слуха, чувствительного не к абсолютному уровню шума, а к соотношению сигнал/шум. Это дает возможность увеличивать шаг квантования при увеличении уровня сигнала и за счет этого добиться большего соотношения сигнал/шум при том же числе уровней и динамическом диапазоне. Возможны разные пути неравномерного квантования:

1. сжатие динамического диапазона сигнала перед квантованием и расширение после обратного преобразования – компандер (это решение применяется в аппаратуре ИКМ-12М);
2. применение нелинейной шкалы квантования (это решение применяется в современных системах с ИКМ).

   В связи  с трудностью обеспечения стабильности  аналогового сжатия и расширения  сигнала, второй способ является  предпочтительным.

   Поскольку  разница между уровнями сигнала  и шума (защищенность от шума  квантования) величина логарифмическая,  все реализации компрессии имеют  характеристику, близкую к логарифмической.  Наибольшее распространение получила 16-сегментная шкала квантования с характеристикой компрессии, соответствующей А-закону. В этом случае весь динамический диапазон делят на 16 сегментов, по восемь для каждой полярности. В пределах каждого сегмента шаг квантования неизменен. Для сигналов, абсолютная величина которых не превышает , шаг квантования равномерный, в дальнейшем шаг удваивается в каждом следующем сегменте.  

Характеристика  квантования.

Таблица 1.1.

   Определяем  количество разрядов в кодовом  слове по формуле 4 [1]:

где – количество переприемов по ТЧ;

       дБ – защищенность от шума квантования.

   Определяем  по формуле 3 [1] минимальную величину  защищённости сигнала в пункте приёма в диапазоне уровней с учётом заданного числа переприёмов по ТЧ и аппаратурных погрешностей.

дБ

   Максимальная  величина защищённости в том  же диапазоне будет примерно  на 3дБ больше минимальной. 

дБ

   Наносим  на график горизонтальные прямые, соответствующие найденным  и (рисунок 1.2). Значения защищённости от искажений квантования в диапазоне лежат между этими прямыми.

   Защищённость  при  примерно на дБ выше .

дБ

   В диапазоне  квантование является равномерным, т.е. убывает равномерно на дБ при уменьшении уровня сигнала на такую же величину. Диапазон изменения уровня сигнала, в котором защищённость остаётся не ниже заданной, находим непосредственно из рисунка. При дБ, он составляет дБ.

II. Разработка укрупнённой структурной схемы оконечного

оборудования  ЦСП. 
 

Задание: 

   Разработать  и начертить структурную схему  оконечного оборудования ЦСП,  соответствующую заданному количеству каналов. Указать назначение блоков структурной схемы и дать краткое описание их взаимодействия. 

   В качестве  каналообразующего оборудования  используем стандартное 30-тиканальное  АЦО. Структурная схема аналого-цифрового  оборудования приведена на рисунке 2.1. АЦО содержит индивидуальное оборудование ИО, одинаковое для всех каналов (на схеме показан один канал), и групповое оборудование ГО. 

   ИО тракта  передачи содержит:

1. усилитель низких частот 1, который осуществляет предварительное усиление сигналов и согласование дифсистемы ДС с дальнейшей схемой;
2. фильтр низких частот 2, ограничивающий спектр сигнала частотой 3400 Гц;
3. электронный ключ 3, формирующий АИМ-сигнал. Работой ключей различных каналов управляют импульсные последовательности с частотой кГц, соответствующие по фазе временному положению канала.

   ГО тракта  передачи содержит:

1. устройство объединения АИМ-сигналов 4, которое осуществляет сложение всех канальных сигналов и стробирование их импульсной последовательностью кГц, где – количество канальных интервалов (30 каналов ТЧ и 2 интервала для передачи служебных сигналов);
2. кодер 5, который осуществляет квантование и кодирование сигналов АИМ. Формирование разрядов кода происходит под управлением импульсов тактовой частоты кГц;
3. устройство объединения УО, которое вводит в групповой сигнал служебные сигналы (нулевой и 16-й канальный интервалы);
4. согласующее устройство СУ, которое осуществляет стробирование сигналов управления и взаимодействия СУВ;
5. передатчик синхросигналов Пер с/с формирует сигналы цикловой и сверхцикловой синхронизации для ввода в групповой поток;
6. преобразователь кода 6 преобразует двоичный групповой поток в сигнал с чередованием полярности импульсов ЧПИ, который отвечает рекомендациям МККТТ для точки сетевого стыка ТСС1 на выходе АЦО;
7. генераторное оборудование ГОпер вырабатывает все необходимые импульсные последовательности, синхронизированные относительно единого задающего генератора. Задающий генератор может работать в ведущем режиме или синхронизироваться от входящего потока на приеме или от внешнего генератора;
8. импульсный трансформатор ИТ служит для гальванической развязки и согласования выхода АЦО в ТСС1 с последующими устройствами (блок окончания линейного тракта или блок вторичного временного группообразования).

   ГО тракта  приема содержит:

1. импульсный трансформатор ИТ;
2. регенератор 7, который восстанавливает форму сигнала, искаженного в соединительных кабелях;
3. преобразователь кода 8, который служит для восстановления двоичного группового сигнала из импульсной последовательности с ЧПИ. Конструктивно преобразователь кода объединен с регенератором. Здесь же происходит выделение тактовой частоты из принимаемого сигнала для синхронизации генераторного оборудования;
4. приемник синхросигналов Пр с/с, который служит для выделения из группового сигнала нулевого и 16-го канальных интервалов и фазирования генераторного оборудования приема;
5. согласующее устройство СУ, которое выделяет сигналы управления и взаимодействия СУВ;
6. генераторное оборудование приема Гопр;
7. декодер 9, который преобразует цифровые кодовые группы в аналоговые импульсы.

   Индивидуальное  оборудование тракта приема содержит:

1. электронный ключ 10, который выделяет из группового АИМ-сигнала импульсы соответствующего канала;
2. фильтр низких частот 11, который выполняет роль демодулятора АИМ-сигнала;
3. усилитель низкой частоты 12, который служит для усиления сигнала ТЧ и согласования выхода ФНЧ с дифсистемой ДС.

   При разработке ступени группообразования учитываем, что линейный тракт разрабатываемой ЦСП строится либо на основе коаксиального кабеля, имеющего 4 коаксиальные пары (при однокабельной схеме), либо на основе симметричного одночетверочного кабеля (при двухкабельной схеме). С целью полного использования всех пар кабеля проектируем две идентичных ЦСП с числом каналов . Таким образом, ступень вторичного временного группообразования должна объединять два стандартных 30-тиканальных потока в единый агрегатный цифровой сигнал.

Возможны три  способа объединения потоков  – посимвольный, поканальный и  посистемный. Наиболее широко применяется  посимвольный метод. Входящие первичные  потоки могут быть как асинхронными, так и синхронными относительно одного общего генератора. Структурная схема устройства вторичного временного группообразования ВВГ приведена на рисунке 2.2.

   Основные  узлы ВВГ и их назначение: 

   Тракт  передачи:

1. импульсный трансформатор ИТ, который служит для гальванической развязки и согласования входа ВВГ в ТСС1 с предыдущими устройствами;
2. регенератор и преобразователь кода 1, который восстанавливает форму сигнала, искаженного в соединительных кабелях и преобразует биполярный сигнал с ЧПИ в однополярный;

3. блок цифрового сопряжения БЦСпер. Входные цифровые потоки записываются в запоминающее устройство БЦСпер и считываются импульсными последовательностями, вырабатываемыми генераторным оборудованием ВВГ. В случае изменения временного интервала между записью и считыванием БЦСпер осуществляет выравнивание скоростей путем ввода или изъятия информационных символов;
4. коллектор цифровых потоков 2, который служит для объединения последовательностей, считанных из блоков БЦСпер, а также для ввода в групповой поток сигналов цикловой и сверхцикловой синхронизации и служебных сигналов;
5. преобразователь кода 3 преобразует двоичный групповой поток в биполярный сигнал с высокой плотностью единиц КВП-3 (HDB-3), который отвечает рекомендациям МККТТ для точки сетевого стыка ТСС2 на выходе ВВГ;
6. генераторное оборудование ГО;
7. передатчик синхросигналов ПЕРсинх, который формирует сигналы цикловой и сверхцикловой синхронизации для ввода в групповой поток
8. импульсный трансформатор ИТ, который служит для гальванической развязки и согласования выхода ВВГ в ТСС2 с последующими устройствами (блок окончания линейного тракта или блок третичного временного группообразования).

   Тракт  приема:

1. импульсный трансформатор ИТ;
2. регенератор и преобразователь кода 4, который восстанавливает форму сигнала, искаженного в соединительных кабелях и преобразует биполярный сигнал КВП-3 в однополярный групповой поток. Здесь же происходит выделение тактовой частоты для синхронизации ГО ВВГ;
3. приемник синхронизации Прсинх, который выделяет из группового потока синхросигналы для фазирования генераторного оборудования;
4. генераторное оборудование ГО;
5. распределитель цифровых потоков 5, который обеспечивает распределение цифрового сигнала между БЦСпр;
6. блоки цифрового сопряжения БЦСпр. В БЦСпр восстанавливается исходная скорость первичных потоков путем записи в запоминающее устройство и считывания с соответствующей тактовой частотой. При этом лишние информационные символы вырезаются, а изъятые на передаче вводятся;
7. преобразователь кода 6 преобразует однополярный первичный поток в сигнал с чередованием полярности импульсов ЧПИ, который отвечает рекомендациям МККТТ для точки сетевого стыка ТСС1;
8. импульсный трансформатор ИТ.

III. Разработка структуры временных циклов первичного цифрового сигнала и расчёт тактовой частоты агрегатного

цифрового сигнала. 

Задание: 

   Разработать  структуру временных циклов первичного  цифрового сигнала. Выбрать значения  коэффициентов накопления, обосновать  выбор. Рассчитать тактовую частоту  агрегатного цифрового сигнала. 

   3.1) При  разработке структуры временных циклов принимаем за основу стандартный цикл. Структура временных циклов 30-тиканальной группы представлена на рисунке 3.1.

   Цикл  состоит из 32-х 7-миразрядных канальных  интервалов, два из которых используются  для передачи синхросигналов, сигналов  СУВ, передачи данных и служебных  сигналов. В стандартном цикле  это нулевой и 16-й канальные  интервалы. Длительность цикла  соответствует частоте дискретизации и составляет мкс. Нулевой канальный интервал КИ₀ используется для передачи в каждом четном цикле синхросигнала, состоящего из 6 разрядов ( ). Цикловой синхросигнал вида 001101 передается на позициях 2…7 КИ₀, первый разряд Р₁ КИ₀ всех циклов используется для канала передачи дискретной информации. В нечетных циклах разряд Р₃ КИ₀ используется для передачи аварийного сигнала потери цикловой синхронизации А, разряд Р₆ – для передачи сигнала о снижении остаточного затухания каналов З, остальные разряды свободны и заполняются единицами для улучшения работы выделителей тактовой частоты. Период следования циклового синхросигнала составляет мкс. Каждые 16 циклов (Ц₀…Ц₁₅) составляют сверхцикл СЦ. Сверхцикл передачи СЦ соответствует минимальному интервалу времени, за который передается по одному отсчету каждого из 60-сигнальных каналов, используемых для передачи сигналов управления и взаимодействия СУВ, и каналов передачи аварийной сигнализации (потери сверхцикловой или цикловой синхронизации). Длительность сверхцикла мс. Сверхцикловый синхросигнал вида 0000 передается в разрядах Р₁… Р₄ КИ₁₆ нулевого цикла Ц₀. Разряд Р₆ КИ₁₆ нулевого цикла Ц₀ используется для передачи аварийного сигнала о потере сверхцикловой синхронизации У, разряды Р₅, Р₇ свободны и заполняются балластным сигналом вида 10. В КИ₁₆ всех остальных циклов разряды Р₁, Р₂, Р₅, Р₆ используются для передачи сигналов управления и взаимодействия СУВ1 и СУВ2, разряды Р₃, Р₄, Р₇ свободны и заполняются балластным сигналом вида 010.  

   3.2) В разрабатываемом  АЦО  , а количество канальных интервалов равно 32. В нулевом канальном интервале каждого чётного цикла передаётся синхросигнал, состоящий из шести разрядов . В каждом чётном цикле размещается информационных позиций, а в каждом нечётном . Общее число информационных позиций между двумя соседними синхрословами , период следования синхросигналов мкс. Находим среднее время поиска синхросигнала по формуле (6) [1]:

мкс мс

    Время  восстановления синхронизма определяется  временем поиска и временем  накопления по выходу и входу  в синхронизм. Из принципа действия приёмника синхросигнала следует, что , а , где и – соответственно коэффициенты накопления по выходу из синхронизма и входу в синхронизм.

        Для обеспечения защиты от  сбоя синхронизации при кратковременных  ошибках выбираем  , т. е. накопитель по выходу из синхронизма будет заряжаться только после четырёх ложных синхрогрупп. Для защиты от ложного приема синхрогруппы выбираем , т. е. накопитель по входу в синхронизм заряжается только после трех последовательно принятых синхрогрупп. Рассчитываем время восстановления синхронизма при выбранных коэффициентах:

мс

  По заданию время восстановления циклового синхронизма , найденное значение удовлетворяет заданному. 

   3.3) Тактовая  частота первичного (компонентного)  потока рассчитывается по формуле:

   Тактовую  частоту агрегатного цифрового сигнала определяем по формуле:

где – количество объединяемых компонентных сигналов;

       – отношение количества дополнительных символов в цикле

       агрегатного цифрового сигнала к общему количеству символов в цикле.

IV. Построение сигнала на выходе регенератора для заданной кодовой последовательности символов, расчёт и построение временной диаграммы сигнала на выходе корректирующего усилителя регенератора. 

Задание:

   Обосновать  целесообразность применения в  ЦСП квазитроичных кодов. Изобразить  заданную двоичную последовательность  символов в кодах с ЧПИ и  КВП-3. Указать основной недостаток  кода с ЧПИ. Рассчитать и  построить временную диаграмму сигнала на выходе корректирующего усилителя регенератора (в ТРР), соответствующую заданной последовательности символов в коде КВП-3. На этой диаграмме указать пороги решения и моменты времени, в которые они выносятся. Доказать, что при отсутствии помех регенерация происходит без ошибок. 

   Цифровой  сигнал в кабельной линии связи  должен удовлетворять следующим  основным требованиям: