Цифровая система передачи на основе импульсно-кодовой модуляции

Министерство  образования Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

им. А.Н.Туполева 

Институт  радиоэлектроники и  телекоммуникаций

кафедра Радиоэлектронных и  телекоммуникационных систем 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовой  проект по курсу

«Многоканальные телекоммуникационные системы» 
 

Тема проекта: «Цифровая система передачи на основе импульсно-кодовой модуляции» 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:     студент группы 5409

  Фатхуллин.И.Г. 

Руководитель:Горохов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Казань-2005

Введение

  В большинстве развитых стран  мира принят курс на цифровизацию сетей связи, предусматривающий построение сети на базе цифровых методов передачи и коммутации. Это объясняется следующими существенными преимуществами цифровых методов передачи перед аналоговыми.

-Высокая помехоустойчивость.  Представление информации в цифровой форме, т.е. представление в виде последовательностей символов с малым числом разрешенных уровней (обычно не более трех) и детерминированной частотой следования, позволяет осуществлять регенерацию этих символов по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество информации. При этом, в частности, обеспечивается возможность использования цифровых систем передачи на линиях связи,  на которых аналоговые системы применятся не могут.

     Цифровые методы весьма эффективны при работе по световодным линиям, отличающихся  высоким уровнем дисперсионных искажений и нелинейностью электронно-оптического и оптоэлектроныых преобразований.

-Слабая  зависимость качества  передачи от длины  линии связи. В пределах каждого регенерационного участка искажения  передаваемых сигналов оказываются ничтожными. Длина регенерационного участка и оборудование регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остаются практически такими же, как и в случае передачи на малые расстояния. Так, при увеличении длины в 100 раз для сохранения неизменным качества передачи информации достаточно уменьшить длину участка регенерации лишь на несколько процентов.

-Стабильность  параметров каналов  ЦСП. Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной характеристик и др.) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства, как будет показано ниже, составляют незначительную часть оборудования ЦСП,  стабильность параметров каналов в таких системах значительно выше, чем в аналоговых. Этому также способствует отсутствие в ЦСП с ВРК влияния загрузки системы на параметры отдельных каналов.

-Эффективность  использования пропускной  способности каналов для передачи дискретных сигналов. При вводе дискретных сигналов (например, передачи данных) непосредственно в групповой тракт ЦСП скорость их передачи может приближаться  к скорости передачи группового сигнала. Если при этом, например, будут использоваться временные позиции, соответствующие только одному каналу ТЧ, то скорость передачи дискретных сигналов будет близка к 64 кбит/c, в то время как в аналоговых системах она обычно не превышает 9,6 кбит/с.

-Возможность  построения цифровой  сети связи. Цифровые системы передачи в сочетании с цифровыми коммутационными станциями являются основой цифровой сети связи, в которой передача, транзит и коммутация сигналов осуществляется в цифровой форме. При этом параметры каналов практически не зависят от структуры сети, что обеспечивает возможность построения гибкой разветвленной сети связи, обладающей высокими надежными и качественными показателями.

-Высокие  технико-экономические  показатели. Передача  и передача сигналов в цифровой форме  позволяют реализовывать весь аппаратурный комплекс цифровой сети на чисто электронной основе с широким применением цифровых интегральных схем. Это позволяет резко уменьшать трудоемкость изготовления оборудования, добиваться высокой степени унификации узлов оборудования, значительно снижать его стоимость потребляемую энергию и габаритные размеры. Кроме того, существенно упрощается эксплуатация систем и повышается надежность оборудования.

     Отмеченные  достоинства ЦСП в наибольшей степени проявляются в условиях цифровой сети связи. Такая сеть содержит только цифровые тракты, которые соединятся на сетевых узлах и заканчиваются цифровыми стыками с цифровыми системами коммутации и цифровыми  абонентскими абонентскими установками. Однако построение цифровой сети в масштабах нашей страны является весьма сложной задачей, решение которой требует длительного времени и больших капиталовложений.  В настоящее время внедрение ЦСП в существующую аналоговую сеть подготавливает базу для преобразования ее  в будущем в цифровую.

     Таким образом, предстоит длительный период сосуществования на сети аналоговой и цифровой техники связи, когда большое число соединений будет устанавливаться с использованием обоих видов техники. Для того. Чтобы в этих условиях обеспечить заданные характеристики каналов и трактов, гарантирующие высокое качество передачи информации, принципы проектирования цифровых и аналоговых систем передачи должно быть совместимы.

  Аппаратура ЦСП состоит из аппаратуры формирования и приема цифровых сигналов, а также аппаратуры линейного тракта. Цифровой сигнал формируется в оборудовании аналогово-цифрового преобразования (каналообразования) первичных ЦСП или в оборудовании временного группообразования ЦСП более высокого уровня. В первом на вход ЦСП поступают аналоговые сигналы, а во втором- цифровые. Формирование группового цифрового сигнала предусматривает последовательное выполнение следующих основных операций рис.1:  

     дискретизация индивидуальных телефонных  сигналов по времени, в результате  чего формируется импульсный  сигнал, промодулированный по амплитуде, т.е. АИМ сигнал;

     объединения N индивидуальных АИМ  сигналов в групповой АИМ сигнал  с использованием принципов временного  разделенияч каналов;

     квантование группового  АИМ сигнала  по уровню;

     последвательное кодирование отсчетов группового АИМ сигнала, в результате чего формируется групповой ИКМ сигнал, т.е цифровой сигнал.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Расчет энтропии  сигналов звукового  вещания и внутресетевого  трафика.

     Источником  звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные инструменты или голос человека.

     Динамический  диапазон сигналов вещательной передачи следующий: речь диктора 25…35 дБ, художественное чтение 40…50 дБ, вокальные инструментальные ансамбли 45…55 дБ, симфонический оркестр  до 65 дБ. При определении динамического диапазона максимальным считается уровень, вероятность превышения которого равна 2%, а минимальная 98%.

     Средняя мощность сигнала вещания существенно  зависит от интервала усреднения. В точке с нулевым измерительным  уровнем средняя мощность составляет 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт – за минуту и 4500 мкВт- за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания в точке с нулевым измерительным уровнем составляет 8000 мкВт.

     Частотный спектр сигнала вещания расположен в полосе частот 15…20000Гц. При передаче как телефонного сигнала так и при передаче полоса частот ограничивается. Для канала вещания второго класса эффективная полоса частот должна составлять 0,1…6 кГц .

     Количество  информации сигналов вещания определим  по формуле:

I_p=ΔFlog₂(1+P_р.ср/P_ш),

где ΔF=5,9 кГц- эффективная ширина спектра речи, P_р.ср =923 мкВт- средняя мощность речевого сигнала на активных интервалах, P_р.ш=4000 пВт   - допустимая невзвешанная мощность шума . Получим I_p=108000 бит/с.  Энтропию определим как:

H=log₂I_p=log₂108*10³=16,72. Таким образом сетевой трафик для 3 каналов звукового вещания второго класса составит 3*108 кбит/с=324 кбит/с.

2. Определение требуемого  числа каналов,  уровня цифровой  иерархии и транспортной  технологии.

     Для определения числа каналов воспользуемся условием нормированной нагрузки y=0,8 эрл и количеством абонентов m_а=750 чел. Для расчета телефонных каналов используем приближенную формулу:                                         

n_Т=α к_Т у[m_A ]+β

                                  n_Т=1,3*0.05*0.8*750+5.6= 44,6,  т.е 50  каналов, 

n_пр  = 0,8*732=586                        где a и b - постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям; обычно потери задаются равными 5 %, тогда a = 1.3 и b = 5.6. 

Общее число каналов между оконечными АМТС будет равно:

n=n_Т+ n_ТГ+ n_В + n_ПД + n_ТР

n_ТГ - число каналов ТЧ телеграфной связи

n_В – число каналов ТЧ для передачи сигналов вещания

n_ПД – число каналов ТЧ для передачи данных

n_Г – число каналов ТЧ для передачи газет

n_ТР – число транзитных каналов, 

Можно принять n_ТГ + n_В + n_ПД + n_Г + n_ТР ≈ n_Т, тогда 

n = 2n_Т+n_зв =2*50+9 =109 каналов.

     Таким образом, если на данной  станции  первичной сети необходимо установить ЦСП с ИКМ с относительно большим  числом каналов, на ней устанавливают аппаратуру соответствующего числа первичных, вторичных и т.д. цифровых систем передачи. Системы, построенные таким образом, называют ЦСП  с временным группообразованием. Эти системы помимо обеспечения потребностей сети позволяют использовать на первой ступени

групповые кодеки с приемлемыми скоростями работы. Этот принцип показан на рис.2.

Рис.2 Принцип  построения плезиохронной иерархии 

     АЦО- аналогово-цифровое оборудование, формирующее  из аналоговых сигналов ТЧ и сигналов СУВ  типичный цифровой поток со скоростью передачи 2048 кбит/с и преобразующее этот поток на приеме в соответствующие сигналы ТЧ и СУВ.    

     В качестве каналообразующей аппаратуры возьмем вторичную систему передачи ИКМ-120У, отвечающую рекомендациям МККТТ для европейской иерархии ЦСП. Основным узлом ИКМ-120У является устройство образования типового вторичного цифрового потока со скоростью передачи 8448 кбит/с из четырех первичных потоков со скоростью передачи 2048 кбит/с рис.3. При  использовании четырех комплектов АЦО-30 первичной ЦСП получают 120 каналов ТЧ. Линейный тракт организуется по двухкабельной схеме, но и на местных участках сети допускается и однокабельная. Номинальная длина кабельного участка l_уч=5 км,  максимальная длина секции дистанционного питания l_д.п=200 км,  максимальная длина переприемного участка ТЧ L=600 км,  что соответствует

максимальной  протяженности зонового участка  первичной сети.

     Разработана методика замены на существующих линиях связи аппаратуры аналоговых систем К-60П и КАМА аппаратурой ИКМ-120У. При этом предусматривается возможность совместного использования указанных АСП и ЦСП по одному кабелю, что позволяет постепенно заменять аппаратуру без длительного закрытия связи по модернизируемой линии передачи.  

Рис.3 Структурная  схема ЦСП ИКМ-120

     ВВГ- устройство образования вторичной  временной группы со скоростью  передачи 8448 кбит/с.

     ОЛТ- оборудование временного  тракта.

     НРП- нерегулируемый регенерационный  пункт.

     ОРП- обслуживаемый регенерационный пункт.

     Цифровой поток в точке стыка  ТС₂ между ВВГ и ОЛТ системы имеет параметры, соответствующие рекомендациям МККТТ, и потому может использоваться для организации связи посредством типовой аппаратуры по радиорелейным и волоконно-оптическим линиям.

     Временной спектр вторичного  потока разделен на циклы длительностью  Т_ц=125 мкс. Структура цикла типична для ЦСП с временным группообразованием при двустороннем согласовании скоростей объединяемых потоков.

3. Расчет линейного  тракта ЦСП

3.1 выбор типа линейного  кода

     Примем  код с чередующейся полярностью  импульсов (ЧПИ). Алгоритм перехода от двоичного сигнала к коду ЧПИ  рис. 4 состоит в том, что  символу 0 в обоих случаях соответствует  пауза, а символу 1 в коде ЧПИ соответствуют импульсы положительной или отрицательной полярности.

Строгое чередование полярности импульсов  позволяет уменьшить линейные искажения  второго рода и частично ослабить линейные искажения первого рода.

Рис.4 Код  ЧПИ 

     Важным  достоинством кода ЧПИ является чрезвычайная простота обратного перехода к двоичному сигналу, что происходит в ПК_пр. Для этого достаточно осуществить двухполупериодное выпрямление сигналов  кода ЧПИ. Сейчас все чаще используют модифицированный код ЧПИ. Суть модификации заключается в том, что в паузу длина которой превышает n нулей, помещают балластные сигналы. Они препятствуют ухудшению работы усилителя выделения тактовой частоты , но в то же время могут легко обнаружены и сняты на приеме, например код высокой плотности  следования единиц (КВП-3), у которого n=3. В качестве балластных используются два типа сигналов рис.5, имеющих условное обозначение 000V и B00V. При выборе конкретного вида балластного сигнала исходят из следующих условий: полярность импульса В всегда противоположна полярности предшествующего импульса, полярность импульса V всегда совпадает с полярностью предшествующего импульса; если между двумя соседними паузами в двоичном сигнала с числом нулей n₁≥4 и n₂≥4 четное число единиц, то заполнение второй паузы начинается с балластного сигнала B00V, если число единиц между двумя выше упомянутыми паузами нечетное, то заполнение второй паузы начинается с балластного сигнала 000V.     

Рис5. Балластные сигналы в коде МЧПИ 

     Пример  использования алгоритма формирования кода КВП-3 приведен на рис6. В первую паузу произвольно помещен балластный сигнал 000V, во вторую- также 000V, потому что между этими паузами в двоичном сигнале расположено нечетное число импульсов. В третью паузу помещен балластный B00V, так как между второй и третьей паузами в двоичном сигнале расположено четное число импульсов. В процессе заполнения пауз балластными сигналами производится чередование полярности импульсов двоичного сигнала таким образом, чтобы нарушение чередования полярности всегда указывало на наличие балластного сигнала. 

Рис.6 Пример преобразования двоичного сигнала  в код МЧПИ 

3.2 регенератор МЧПИ

ФУ-формирующее  устройство- преобразует гармонические  сигналы в импульсные.

УФ- узкополосный фильтр выделяет одну из гармоник f_т.

  Как видно из схемы рис.7, входной сигнал усиливается с помощью КУС, снабженного системой автоматической регулировки уровня (АРУ). Это обеспечивает стабильность уровня сигнала на выходе КУС вне зависимости от изменения затухания линии. 

Рис.7  Структурная схема регенератора МЧПИ 

На рис.8 изображены идеальный код МЧПИ, входной  сигнал регенератора и сигнал на выходе КУС. Можно полагать, что благодаря  работе АРУ на выходе КУС U_max=const. Усиройство разделения (УР) разделяет положительный и отрицательные компоненты сигнала, действующего на выходе КУС, с последующим изменением знака отрицательной компоненты так, что на выходах а и б УР действуют два положительных сигнала (рис.8, г и д). Эти сигналы поступают в схему сравнения (СС), где происходит их сравнение с порогом U_с, ограничение по минимуму на уровне этого порога и сложение. Соответствующая временная диаграмма изображена на рис.8 е в виде заштрихованных искаженных импульсов. В ряде ЦСП с помощью 

Рис.8 Анализ работы регенератора кода МЧПИ 
 

усиления  и ограничения они доводятся  до импульсов стандартной формы, как показано на том же рисунке  штриховой линией.

     Искаженный двоичный сигнал на выходе СС содержит в своем спектре гармоническое колебание  частотой f_т. В моменты стробирования t_i (рис.8 ж) в решающих устройствах РУ₁ и РУ₂ отсчеты входных сигналов сравниваются с пороговыми напряжениями U_п1 и U_п2, и в зависимости от результатов сравнения РУ вырабатывают сигналы управления ключами Кл₁ и Кл₂. При   замыкании ключей  соответствующие импульсы  тактовой последовательности проходят на их выходы  (рис.8, з,и). С помощью вычитающего устройства формируется код МЧПИ (рис.8 к), после чего импульсы усиливаются с помощь формирователя выходных импульсов (ФАИ) и поступают в линию.

3.3 расчет длины регенерационного  участка

      Номинальную длину участка регенерации при  использовании кабеля ЗКП 1*4*1,2 на расчетной  рабочей частоте 4,224 МГц определим по формуле:

l_ном=α_ном/α_max,

где α_ном= 70 дБ  –номинальное затухание регенерационного участка;

α_max=α₂₀[1-α_α(20⁰-t_max)]=10,96 дБ/км- коэффициент затухания на расчетной частоте ЦСП при максимальной температуре грунта, дБ/км. α₂₀=10,964 дБ/км- коэффициент затухания кабеля на расчетной частоте при температуре 20⁰ С, α_α=1,8*10^-3-температурный коэффициент затухания кабеля на расчетной частоте 1/град, t_max=10⁰ С- максимальная температура грунта. Тогда l_ном=70/10,96=6,38 км.

      Количество  регенерационных пунктов L_c=240 км (максимальный участок дистанционного питания определим по формуле:

n_ру=L_c/l_ном-1=240/10,96=21,

но так  как по задания максимальная протяженность  линейного участка 120 км хватит 21/2=10 пунктов регенерации.

4. Оборудование 

4.1 основные характеристики ИКМ-120

-количество  каналов тональной частоты-120,

-скорость передачи  информации-8448 мбит/с,

-тактовая частота  линейного сигнала-8448 МГц,

-рабочая (расчетная)  частота-4224 МГц,

-линейный код  МЧПИ,

-тип используемого  кабеля 4*4*1,2

-максимальная длина переприемного участка, км

                   на внутризоновой сети

                   на магистральной частоте 60

-максимальное  расстояние между ПРП (ПОРП), км 2,2

-длина регенерационного  участка, км

      минимальная      2,2

      номинальная       5,0

      максимальная     5,2

-минимальная  длина РУ, прилегающего к ОП, (ОРП), ПОРП-2,2 км,

-максимальное  затухание РУ на рабочей частоте-70 дБ,

-номиналы искусственных  линий, 3,5км (дБ),

-сопротивление  с линейной стороны-150 Ом,

-амплитуды импульсов на выходе регенератора 2В,

-длительность  импульсов- 244 нс,

-коэффициент  шума корректирующего усилителя-3,8,

-количество  НРП в полусекции ДП-24

-дистанционное  питание аппаратуры ЛТ ток  ДП, А-0,065,

-падение напряжения  на одном НРП, В

        линейное оборудование 10,

-коэффициент  ошибок линейного тракта 2*10^-8,

-коэффициент  ошибок одного регенератора 1*10^-10,

-количество  выделяемых каналов 30

-количество  или тип пунктов выделения  ОРП.

      Аппаратура  вторичной ЦСП ИКМ-120 предназначена для получения пучка каналов местной и внутризоновой связи на высокочастотных симметричных кабелях ЗКП 1*4*1,2.

4.2 состав аппаратуры  и ее назначение    

Система телеконтроля

      Охватывет учаток между двумя регенерационными пунктами или между оконечным и обслуживаемым регенерационными пунктами и обеспечивает (без перерыва связи): определение номера неисправного регенератора путем непрерывного измерения верности передачи каждого регенератора; определение номера необслуживаемого регенерационного пункта с пониженным избыточным давлением воздуха в контейнере. С перерывом связи определяется место повреждения кабеля.

Система служебной связи

      Предусмотрены два вида служебной связи: в групповом  цифровом потоке (позволяет установить связь между двумя соседними  ОП, а также между оборудованием, входящим в систему передачи ИКМ-120, в прелелах одного ОП) и в низкочастотной части спектра в диапазоне 0-12 кГц совместно с сигналами телеконтроля (обеспечивает связь между ОП [ОРП] и любым НРП с помощью аппарата обходчика).

ТИПЫ  СТАНЦИЙ

      В системе передачи ИКМ-120 различаются  следующие станции: оконечный пункт  ОП, обслуживаемый регенрационный пункт  ОРП и необслуживаемый регенрационный пункт НРП. Различаются два типа оконечных станций, оборудованных  разными типами аппаратуры: станцию на 120 телефонных каналов, в которую входят стойка САЦО-30 в полной комплектации, стойка СВВГ с одним комплектом вторичного временного группообразования ВВГ, стойка СЛО с одним комплектом дистанционого питания ДП и линейного тракта КЛТ; станцию на 90 каналов, в нее входят стойка САЦО-ЧД, на которой расположено по одному комплекту АЦО-ЧД, ВВГ и АЦО-30 аппаратуры ИКМ-30, а также стойка СЛО с комплектом ДП и КЛТ.

НАЗНАЧЕНИЕ  ОБОРУДОВАНИЯ

      Комплекс  аппаратуры ИКМ-120 состоит из стойки оконечного оборудования линейного тракта СЛО, стойки вторичного временного группообразования СВВГ, стойки аналого-цифрового преобразования сигналов стандартной вторичной группы систем передачи С ЧРК САЦО-ЧД,

необслуживаемого  регенерационного пункта для установки  в грунт НРП-Г8б для установки в смотровых колодцах кабельной телефонной сети и цистернах НРП-К4, для установки на опорах НРП-02. В качестве каналообразующего оборудования используются стойки САЦО из аппаратуры ИКМ-30. В состав аппаратуры входят измерительные эксплуатационные приборы и устройства: контроля верности ПКД, измеритель фазового дрожжания сигнала ИД, пульт для настройки и проверки регенераторов ПНПР, пульт для испытания линейного тракта и настроенных регенераторов ПИЛТ, измеритель затухания кабельных линий ИЗКЛ и аппарат обходчика АО-30.

      СЛО. Стойка линейного оборудования предназначена для включения в линию четырех вторичных цифровых потоков со скоростью передачи 8448 кбит/с, дистанционного питания НРП, обеспечения телеконтроля и сигнализации о состоянии линейных трактов, организации четырех каналов служебной связи. На стойке размещаются устройства ввода, блоки дистанционного питания ДП, комплекты линейного тракта КЛТ и панель обслуживания ПО-Л.

      Для включения стойки в линию не требуется  дополнительное вводно-кабельное оборудование. Линейные кабели распаиваются на боксы, расположенные непосредственно на стойке. Устройства ввода служат для объединения и разъединения цифровых сигналов и сигналов служебной связи и телеконтроля, передаваемых по одним и тем же цепям, а также для введения в средние точки линейных трансформаторов дистанционного питания. Блоки ДП предназначены для дистанционного питания линейных регенераторов. Панель обслуживания предназначена для дистанционного контроля линейных трактов, включения индикации и сигнализации при авариях, посылки и приема сигналов тонального вызова по четырем НЧ каналам служебной связи, ведения переговоров по этим каналам. Комплекты линейного тракта предназначены для приема цифровых сигналов из линий и восстановления их параметров, а также передачи сигналов от стойки СВВГ в линию. Затухание соединительного кабеля мжду СВВГ и СЛО-от 0 до 6дБ.