Цифровые системы многоканальной передачи


 


СОДЕРЖАНИЕ

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

3

ВВЕДЕНИЕ

6

1 ПЕРЕДАЧА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

7

1.1 Расчет  fд

7

1.2 Расчет m для широкополосных каналов

8

1.3 Расчет Δ1 по допустимой защищенности сигналов от шумов на выходе канала.

9

1.4 Расчет Uогр

10

1.5 Расчет m.

12

1.6 Расчет зависимости  aш(р)

14

2 ПЕРЕДАЧА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ

22

2.1 Расчет параметров подсистемы преобразования дискретных сигналов

22

2.1.1 Способ кодирования амплитуды сигнала

22

2.1.2 Способ скользящего индекса

23

2.1.3 Способ фиксированного индекса

25

2.2 Выбор способа передачи

26

3 ЦИКЛ ПЕРЕДАЧИ

29

3.1 Требования к циклу и сверхциклу

29

3.2 Рекомендуемый алгоритм проектирования цикла

31

4 ЛИНЕЙНЫЙ ТРАКТ

36

4.1 Эффективное напряжение помех на входе регенератора

37

4.2 Требования к защитному интервалу

38

4.3 Амплитуда на входе регенератора

39

4.4 Затухание импульсного сигнала на регенерационном участке наибольшей длины

39

4.5 Предельно допустимая длина регенерационного участка

40

4.6 Допустимая вероятность ошибок в передаче символов на регенерационном участке предельно допустимой длины

40

4.7 Требования к защитному интервалу на этапе итерации i+1

41

5 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АППАРАТУРЫ ОКОНЕЧНОЙ СТАНЦИИ

44

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

47

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

48

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Структурная схема аппаратуры оконечной станции проектируемой ЦСП

49


ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

 

Исходные данные для проектирования               

 

Таблица 1 - Каналы цифровой системы передачи

Наименование

Параметры

Номер варианта

3

Канал широкополосный

Число каналов

5

Частота следования код.гр., кГц

Расчет

Число битов в код. слове, бит

Расчет

Канал видеотелефонной связи

Число каналов

4

Частота следования код.гр., МГц

8 - 10

Число битов в код. слове, бит

1

Канал ПДС-19,2 кбит/с

Число каналов

4

Частота следования код.гр., кГц

Расчет

Число битов в код. слове, бит

Расчет

Канал ПДС-2048 кбит/с

Число каналов

12

Частота следования код.гр., кГц, осн.

2048

Частота следования код.гр., кГц, доп.

0,4 - 1,2

Число битов в код. слове, бит, доп.

4

Групповой канал СУВ

Число каналов

1

Частота следования код.гр., кГц

4 - 6

Число битов в код. слове, бит

1

Тип кабеля

  

Коакс.

Малого

диам.


 

Входное и выходное сопротивления широкополосного канала - 150 Ом.

 

 

Таблица 2 - Требования к каналам.

Каналы

Параметры

Номер варианта

2

широкополосные каналы

fн, кГц

60,6

fв, кГц

107,7

Δfф, кГц

1

P1, дБм0

-5

P2, дБм0

+5

ан, дБ

45

Pш.и, пВт

1000

Номер шкалы

3

каналы ПДС

δн , %

20


 

Таблица 3 - Шкалы квантования.

Номер шкалы

Сегмент № 2

Сегмент № 3

Сегмент № 4

3

8

-

-

-

-


 

Таблица 4 - Параметры линейного тракта.

 

Параметры

Номер варианта

5

L, км

500

Δa3, дБ

16

Uвых, В

6,0


 

 

Таблица 5 - Параметры кабелей связи.

Кабель

a (¦), дБ/км

zв, Ом

С коаксиальными парами малого диаметра 1,2/4,6

75


 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Цифровые системы многоканальной передачи занимают господствующее положение на сетях местной связи и находятся в стадии внедрения на сетях зоновой и магистральной связи. Ряд, связанных с этим технических и организационных проблем до сих пор не решен. Продолжается поиск оптимальных решений. Разработка норм и рекомендаций по цифровым системам передачи, выполняемая международными специализированными организациями, продолжается.

 В этих условиях базирование курсового проектирования только на уже принятых рекомендациях представляется нецелесообразным. Оно привело бы к сужению задач курсового проектирования и повторной разработке систем ИКМ-30, ИКМ-120 и других цифровых систем передачи действующей иерархической структуры. Поэтому объектами курсового проектирования названы локальные цифровые системы, лишь частично связанные с разработанными рекомендациями. С их помощью предполагается организовывать каналы связи различных типов. Структура курсового проектирования отражает направленность на приобретение навыков разработки нетиповых цифровых систем передачи.

1 ПЕРЕДАЧА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Результатом проектирования подсистемы являются следующие ее параметры:

fд

- частота дискретизации преобразуемых сигналов или час-         тота повторения кодовых слов (кодовых групп);

m

- число битов в кодовом слове на выходе АЦП;

Uогр

- напряжение, соответствующее порогу ограничения квантующей характеристики;

аш(р)

- зависимость помехозащищенности передаваемых сигналов от их уровня в диапазоне от    дБ до    дБ;

Рш.н

- уровень шумов на выходе незанятого телефонного канала (или канала вещания) ТНОУ.


 

  

Расчет .

 

Частота дискретизации должна быть выбрана так, чтобы исходный сигнал мог быть выделен в неискаженном виде из спектра дискретизированного сигнала.

Для численного нахождения fд рекомендуется использовать выражение:

fд = 2fв(1+ξ),                                                      (1)

где ξ - коэффициент запаса. Его значения лежат в пределах от 0,1 до 0,13.

 

Спектр АИМ сигнала S(f) представлен на рисунке 1

 

Рисунок 1- Спектр сигнала АИМ.

 

Демодуляция АИМ сигнала, т.е. выделение модулирующего сигнала, осуществляется фильтром нижних частот (ФНЧ). Это обуслов_анна наличием в спектре АИМ сигнала исходного сигнала с полосой частот fв  -  fн . Для реализации ФНЧ необходима полоса расфильтровки, которая равна:

 

Δ fф =   fд  -  fв - fв= fд  -  2fв;                                              (2)

                                  Δ fф =236,94-2·107,7=21,54 кГц

 

1.2 Расчет m для широкополосных каналов

 

Особенности  расчета широкополосных каналов:

    • наличие единственного ограничения в отношении качества передачи, а именно, при передаче сигналов в заданном динамическом диапазоне ожидаемая помехозащищенность должна быть больше номинальной или допустимой;
    • более узкий динамический диапазон, для которого нормируется помехозащищенность;
    • более высокие требования к значению номинальной помехозащищенности передаваемых сигналов.

1.3 Расчет Δ1 по допустимой защищенности сигналов от шумов на выходе канала.

 

Пиковые значения сигналов наиболее низкого уровня сравнимы обычно с U1. Можно считать, что передача таких сигналов осуществляется при их линейном квантовании и мощность шумов на выходе канала в ТНОУ равна:

                                   (3)

Защищенность сигнала от этих шумов:

,                       (4)

не должна превышать значение номинальной защищенности (таблица 2). Это может иметь место только при:

 

.                            (5)

 

 

 

 

1.4 Расчет Uогр

 

Известно, что составляющими шума на выходе канала являются:

    • шумы, вызванные ошибками квантования при передаче отсчетов сигнала, попадающих в зоны сегментов 1, 2, … квантующей характеристики;
    • шумы, возникающие из-за наличия зон ограничения квантующей характеристики;
    • шумы, вызванные погрешностями изготовления цифровых узлов.

Минимальному значению числа битов в кодовом слове соответствует такое значение напряжения ограничения, при котором шумы второй группы примерно равны шумам первой, когда уровень сигнала наибольший, т.е. при   Pc = P2 должно обеспечиваться:

,                                               (6)

где - мощность шумов из-за зон ограничения;

Pш2 = 100,1 . (р2 -ан) . 10-3 (Вт) - предельно допустимая мощность шумов на выходе канала в ТНОУ.

Ошибка ограничения в данном случае равна

.                                  (7)

Подставляя это значение в вышеприведенную формулу, после некоторых преобразований получим:

.     (8)

Формула пригодна для нахождения отношения напряжения ограничения и эффективного напряжения, соответствующего верхней границе динамического диапазона сигнала, методом итераций или методом последовательных приближений. В качестве начального значения рекомендуется принять:

.                                                  (9)

Расчет проводился в приложении EXСEL. Результаты представлены в таблице 6.

Таблица 6

(i)

р2

ан

Рш.и.

Uогр  / Uэфф2

Uогр / Uэфф2

1

5

45

10-9

4,27

4,342

2

5

45

10-9

4,28

4,341

3

5

45

10-9

4,29

4,341

4

5

45

10-9

4,30

4,340

5

5

45

10-9

4,31

4,340

6

5

45

10-9

4,32

4,339

7

5

45

10-9

4,33

4,339


 

Из полученных результатов выберем величину, отличающуюся во      второй цифре после запятой.

Найденное отношение позволяет определить величину напряжения ограничения

   ,                            (10)

 

 

1.5 Расчет m.

 

Согласно данным 3 шкалы квантования характеристика трехсегментная (в положительной ветви - двухсегментные) с параметрами:

Входные напряжения, соответствующие верхним границам сегментов, обозначены соответственно через U1, U2.

Напряжение ограничения, соответствующее началу зоны ограничения квантующей характеристики, в данном случае равно Uогр = U2. 

В общем случае для сегментных шкал справедливо:

,                                          (11)

.

,                                      (12)

.

,                                                  (13)

где N - число сегментов в положительной ветви квантующей характеристики 2 ≤ l ≤ N :

 

.

Из пояснений к таблице 3 следует:

,

Uогр = λ . 2m-1 . Δ1     тогда количество битов в кодовом слове может быть рассчитано по формуле

,                                          (14)

 

Значение количества битов в кодовом слове .

Рассчитаем новое значение шага квантования в первом сегменте, значения шагов квантования в других сегментах и значения напряжений, соответствующих верхним границам сегментов.

 

Uогр = 2,96 В,  a  m = 8, то  λ =3,625;

 

 

1.6 Расчет зависимости  aш(р)

 

Необходимо выполнить расчет зависимости защищенности от уровня передаваемого сигнала. Рекомендуется выбрать следующие значения уровней сигнала:

,

здесь р1 и р2 - данные о динамическом диапазоне из таблицы 2. Этим значениям уровней необходимо найти соответствующие значения эффективного напряжения:

Известно, что в системах с линейными шкалами квантования при идеально точном выполнении всех ее узлов шумы в каналах имеют две основные составляющие:

    • шумы, возникающие при попадании мгновенных значений преобразуемого сигнала в зону квантования;
    • шумы, возникающие при превышении мгновенными значениями порога ограничения.

Средняя мощность шумов в таких системах равна:

 

.                                      (15)

При использовании реальных кодеков с сегментными шкалами квантования, например, с двухсегментными, основными составляющими шумов являются:

    • шумы, вызванные попаданием преобразуемого сигнала в зону сегмента 1. Вероятность этого события обозначим  W1, так как в пределах сегмента шаг постоянен и равен  Δ1, средняя мощность этой части шумов равна:

;

    • шумы, вызванные попаданием преобразуемого сигнала в зону сегмента 2  значение средней мощности шумов равно:

;

    • шумы, вызванные попаданием преобразуемого сигнала в зону ограничения квантующей характеристики; средняя мощность этих шумов равна:

;

    • шумы, вызванные погрешностями изготовления цифровых узлов; средняя мощность этой части шумов равна:

.

Таким образом, полная мощность шумов на выходе канала в ТНОУ при передаче сигнала в случае использования двухсегментной шкалы квантования равна:

.                          (16)

Входящие в формулу значения полностью определяются W1,W2,Δ2огр  полностью определяются  w(U), U1, U2, Uогр, т.е. значением плотности распределения вероятностей мгновенных значений входного сигнала и параметрами шкалы квантования:

,                                             (17)

,                                             (18)

.                                (19)

Нетрудно убедиться, что при нормальном распределении вероятностей мгновенных значений сигнала, среднеквадратическое значение которых            UC = Uэфф.с , вероятность попадания преобразуемых мгновенных значений сигнала в один  сегмент может быть рассчитана по формуле:

,                          (20)

где - интеграл вероятностей, значения которого приведены в таблице приложения.

Расчет защищенности сигналов от шумов выполняется в следующем порядке:

Расчет W1,W2, Δ2огр   для конкретного значения UC  при известных величинах  w(U), U1, U2, Uогр .

Ошибка ограничения может быть приблизительно рассчитана по формуле:

,                                (21)

Расчет W1,W2:

 

 

Расчет Рш:

 

,                        (26)

 

 

Расчет помехозащищенности по формуле:  

Рассчитанные значения помехозащищенности следует сравнить с минимально допустимым или номинальным значением помехозащищенности, приведенным в таблице 2. Результат проектирования удовлетворяет предъявляемым требованиям, если в заданном динамическом диапазоне обеспечивается аш ≥ ан.

Так как в заданном динамическом диапазоне не обеспечивается помехозащищенность следует повысить разрядность кода и произвести повторный расчет.

Произведем расчет при  m = 9, λ =3,625;

Расчет Рш.

 

Расчет помехозащищенности по формуле : 

Рассчитанные значения помехозащищенности следует сравнить с минимально допустимым или номинальным значением помехозащищенности, приведенным в таблице 2.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 - График зависимости помехозащищенности от уровней                                   передаваемого сигнала.

2 ПЕРЕДАЧА ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ 

2.1 Расчет параметров подсистемы преобразования дискретных сигналов.

2.1.1 Способ кодирования амплитуды сигнала

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 fк.

Максимальная абсолютная величина фазовых дрожаний равна длительности тактового интервала канального сигнала:

.                                                (22)

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

,                                                   (23)

где fс - частота следования символов дискретных сигналов, для двоичных сигналов численно равна скорости.

Коэффициент использования пропускной способности цифрового канала равен:

.                                                    (24)

 

2.1.2 Способ скользящего индекса

 

Способ 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:

fк  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 подинтервала, в котором наблюдается фронт импульса 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 Tк - период следования тактовых импульсов канального цифрового сигнала.

Способ СИ может быть реализован в кодере при условии, что   Tс ≥ m . Tк.

Относительная величина фазовых дрожаний будет равна:

.                                                  (25)

Примем Tс = m . Tк , 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 4 . m . Tк равен (m + 3).

 

 

 

 

2.1.3 Способ фиксированного индекса

 

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:

fк ,

и
.

Допустим, число битов в кодовой группе в кодере 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 подинтервала, в котором наблюдался фронт дискретного сигнала, таких подинтервалов 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). Последующие два символа кодовой группы равны при этом “единицам”.