2

1. ЦИФРОВАЯ ПЕРЕДАЧА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Аналоговым сигналом в системах передачи называется непрерывный электрический или оптический сигналы, параметры которого (амплитуда, частота или фаза) изменяются по закону непрерывной функции времени источника информации, например: речевого сообщения, подвижного или: неподвижного изображения и т.д. Непрерывные сигналы могут принимать любые значения (бесконечное множество) в некоторых пределах. Дискретные сигналы - состоят из отдельных элементов, принимающих конечное число различных значений. Аналоговые дискретные сигналы FД(t) можно получить из непрерывных FH(t), используя дискретизацию по времени FД(t)B (через интервал Тд), квантование по амплитуде FД(t)a (через интервал ∆) или их одновременно (рис. 1.1, а, б, в). Цифровой сигнал с ИКМ F(t)ИКМ формируется в виде группы импульсов в двоичной системе счисления, соответствующих амплитуде квантованного по уровню и дискретного по времени аналогового сигнала (рис. 1.1, г), при этом наличие электрического импульса соответствует «1» в двоичной системе счисления, а отсутствие - «0» . Основным преимуществом цифровых сигналов является высокая помехозащищенность, так как при наличии шумов и искажений при их передаче достаточно зарегистрировать на приеме наличие или отсутствие импульсов. Преобразование непрерывного сигнала в цифровой может быть реализовано в виде обобщенной структурной схемы канала ЦСП приведенной на рис. 1.2. Формирование цифрового сигнала может осуществляться при помощи ИКМ, ДМ, ДИКМ и их модификаций. Таким образом, для получения цифрового сигнала принципиально необходимо произвести три основные операции над непрерывным сигналом: дискретизацию по времени, квантование по амплитуде (по уровню), кодирование.

Рисунок 1.1 - Дискретные сигналы: а - дискретный по времени; б - дискретный по уровню; в - дискретный по времени и по уровню; г - цифровой сигнал с ИКМ

Рисунок 1.2. - Обобщенная структурная схема канала ЦСП; ИИ - Источник информации в виде непрерывного сигнала; ДВ - Дискретизатор по времени; КУ - Квантователь по уровню; АЦП - Аналого-цифровой преобразователь; ЛП - Линия передачи; ЦАП - Цифро-аналоговый преобразователь; УВ - Устройство восстановления дискретного аналогового сигнала в непрерывный; ПИ - Приемник информации

2. ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ КАНАЛЬНОГО ЦИФРОВОГО СИГНАЛА С ИКМ

2.1 Дискретизация во времени

Преобразование непрерывного аналогового сигнала в дискретный может быть осуществлено в соответствии с теоремой отсчетов, доказанной В.А. Котельниковым в 1933 г.: любой непрерывный сигнал с ограниченным ,частотой Fmakc, спектром, может быть полностью представлен в виде своих дискретных во времени отсчетов, взятых через интервал времени Тд ≤1/2Fмакс, называемый периодом дискретизации. Технически операция дискретизации по времени осуществляется при помощи ключевых схем путем получения сигналов с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ). При АИМ амплитуда периодической последовательности импульсов изменяется в соответствии с изменением амплитуды модулирующего непрерывного сигнала FH(t) (например, телефонного сигнала). Различают амплитудно-импульсную модуляцию первого (АИМ-1) и второго (АИМ-2) рода. При АИМ-1 амплитуда отсчетов, следующих с частотой дискретизации FД = 1/ТД ≥ 2Fмакс , изменяется в соответствии с изменением модулирующего сигнала FН(t) на интервале времени передачи отсчета τи, а при АИМ-2 амплитуда каждого отсчета постоянна и равна значению модулирующего сигнала в начальный момент отсчета, На рисунок 2.1 представлен исходный модулирующий сигнал FH(t), а также сигналы АИМ-1 и АИМ-2 в случае дискретизации однополярного сигнала.

Рисунок 2.1 - Формирование АИМ сигнала

2.2. Квантование по уровню

АИМ-сигнал является дискретным во времени, но непрерывным по уровню, так как амплитуда отсчетов может принимать бесконечное множество значений. Однако любая аппаратура обработки сообщений и систем передачи имеет конечную разрешающую способность. Это связано как с ошибками, возникающими при обработке сигналов, так и с наличием шумов и искажений в аппаратуре и каналах передачи.

В связи с этим нет необходимости передавать все бесконечное множество амплитудных значений непрерывных сигналов, его можно ограничить конечным множеством, содержащим определенное, заранее установленное, для того или иного вида сигналов, число «разрешенных» амплитудных значений. Эти «разрешенные» для передачи амплитудные значения сигнала называются уровнями квантования; выбор их количества определяет качество передачи сигналов .

При квантовании по уровню весь возможный динамический диапазон сигнала от Uмакс до Uмин разбивается на разрешенные уровни (если электрический сигнал передается в виде АИМ напряжения непрерывного сигнала: F(t) = U(t)). Разность между двумя соседними разрешенными для передачи уровнями называется шагом квантования ∆. Если амплитуда отсчета сигнала Uаим (t) в пределах двух соседних разрешенных значений превышает половину шага квантования ∆/2, ее значение увеличивается в большую сторону, если меньше половины шага квантования - в меньшую сторону. Таким образом получается сигнал квантованный по уровню - UKB(t).

Разность между истинным значением отсчета и его квантованным значением называется ошибкой, или шумом квантования, который определяется как ξш кв(t) = Uаим(t) – Uкв(t), при этом |ξш кв(t) ≤ ∆/2|.

Произведя «нумерацию» уровней квантования можно передавать не сами уровни, а их значения по шкале уровней в двоичном коде. В этом случае на приеме восстановить квантованный по уровню сигнал достаточно просто:

Uкв(t)пр = li∆

где li = (0, lмакс) - номер разрешенного уровня в десятичной системе счисления; ∆ - шаг квантования макс - максимально возможный уровень квантования, который определяется из условия:

Указанные выше преобразования иллюстрируются на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Принципы квантования по уровню и формирования канального сигнала с ИКМ

Выбор шага квантования ∆ и количество уровней квантования lмакс определяются, во-первых параметрами преобразуемого сигнала, в частности величиной Uмакс, а во-вторых допустимой величиной помех, возникающих в канале, поскольку ошибки квантования при передаче, например, телефонного сигнала воспринимаются как специфический шум квантования, имеющий некоторую мощность Рш кВ

Выводы

Операция квантования по уровню позволяет преобразовать бесконечное множество отсчетных значений аналогового сигнала в конечное множество разрешенных уровней, перенумеровать эти уровни и передавать информацию об амплитуде отсчета в виде двоичной кодовой комбинации с ИКМ.

2.3. Кодирование

Операция кодирования заключается в преобразовании номера «разрешенного» уровня в кодовую комбинацию двоичной системы счисления, состоящую из m символов вида «О» и «1», где величина т называется разрядностью кода. Существует большое число двоичных систем кодирования, однако в ЦСП с ИКМ нашли применение натуральный двоичный код и его модификация - симметричный двоичный код.

При использовании натурального кода любое положительное десятичное число li, может быть представлено в виде комбинации из m двоичных символов по следующему алгоритму:

,где a j=0 или 1

т - разрядность кода.

Очевидно, что lмакс определяется суммой весовых составляющих вида 2m-j при значении всех коэффициентов аj = 1:

l макс = 2 т – 1,

а суммарное число «разрешенных» уровней квантования l∑ =lмакс + 1 = 2т (учитывая, что кодируется и ноль).

Поскольку при передаче телефонных сигналов в каналах ЦСП с ИКМ используется двухполярное кодирование (для устранения постоянной составляющей и гармонических частот), в указанных ЦСП используется симметричный двоичный код, в котором 1 или 0 в старшем разряде определяют полярность кодируемого сигнала с АИМ.

Проиллюстрируем процесс кодирования при помощи простейшего примера.

Пусть разрядность натурального двоичного кода т = 4. Тогда образующий полином примет вид:

l1 = а123+а222+a321+a420 ,

при этом lмакс = 24 - 1 = 15 , l∑ = 16, т.е. при помощи 4-х разрядной кодовой комбинации можно закодировать не более 16 «разрешенных» уровней с номерами от 0 до 15. Предположим, что номер «разрешенного» уровня li = И, тогда двоичная комбинация в натуральном коде будет иметь вид:

li = 11 = а1 8 + а2 4 + а3 2 + а4 20 => 1011,

1 0 1 1

При помощи симметричного двоичного кода первым символом кодовой комбинации кодируется знак отсчета. При одинаковой разрядности кода т натуральный и симметричный коды обеспечивают кодирование одинакового числа уровней квантования. Например, при т - 4, при помощи симметричного кода можно закодировать также как и при помощи натурального кода 16 «разрешенных» уровней, но с номерами от +0 до +7 и от -0 до -7.

В современных ЦСП с ИКМ операции квантования по уровню и кодирования на передаче реализуются в одном устройстве, называемом кодером: на его вход подается сигнал с АИМ-2, на выходе формируется цифровой двоичный сигнал с ИКМ. На приеме осуществляется обратное преобразование при помощи декодера. В общем случае двоичные коды по времени их появления разделяются на параллельные, если сигналы кодовой группы появляются одновременно, и последовательные, если сигналы кодовой группы появляются последовательно во времени, разряд за разрядом

3 Структура потока Е1

3.1 Фреймовая Структура потока Е1

Поток Е1 является основой большинства телекоммуникационных иерархий и представляет собой цифровой поток с информационной скоростью 2,048Мбит/с. Поток разбит на фреймы, каждый из которых включает 256бит, длительность фрейма – 125мкс, частота повторения – 8кГц. Фрейм, в свою очередь, разбит на 32 канальных интервала (КИ) по 8бит каждый, таким образом, - пропускная способность одного канального интервала составляет 64кбит/c (вес одного бита в фрейме – 8кбит/с).

Рисунок 3.1 - Структура фрейма потока Е1 (режим РСМ-30)

Канальный интервал КИ0 фрейма отведен для фреймовой синхронизации, поэтому в общем случае для передачи информации в потоке используется 31 КИ, или 31 канал ОЦК (основной цифровой канал) производительностью 64кбит/с каждый (режим РСМ-30). Общая производительность потока при этом составляет 1,984Мбит/с. Нумерация каналов ОЦК в режиме РСМ-30 приведена на рисунке 3.1.

3.2. Двухфреймовая структура потока

Канальный интервал КИ0 предназначен для фреймовой синхронизации потока. Его структура различна для четных и нечетных фреймов (двухфреймовая структура потока).

Таблица 3.1 - двухфреймовая структура потока Е1

Номер бита

1

2

3

4

5

6

7

8

КИ0 четного фрейма | Si | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 1
1) | Фреймовый синхросигнал
КИ0 нечетного фрейма | Si | 1 | А | Sa4 | Sa5 | Sa6 | Sa7 | Sa8
1) | 2) | 3) | 4)

1) – Si биты. В режиме CRC4 используются для мультифреймовой синхронизации по CRC4 и для передачи на дальний конец результатов проверки информационного потока по алгоритму CRC4.

Если режим CRC4 не используется, Si биты устанавливаются в “1”.

2) – Второй бит КИ0 нечетного фрейма устанавливается в “1” для исключения имитации фреймового синхросигнала в нечетных фреймах.

3) – A бит. Бит аварийной индикации дальнего конца – отсутствие фреймовой синхронизации при приеме сигнала на дальнем конце.

А=”1” – авария на дальнем конце,

А=”0” – отсутствие аварии на дальнем конце.

4) – Биты Sa4-Sa8. Дополнительные свободные биты.

3.3. Мультифреймовая структура по CAS-битам (режим РСМ-30)

В режиме РСМ-30 для передачи информации используется 30 ОЦК, а канальный интервал КИ16 отводится для передачи бит сигнализации, или, так называемых, CAS-бит, жестко связанных с соответствующими каналами. Нумерация каналов ОЦК в режиме РСМ-30 приведена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Структура фрейма в режиме РСМ-30

Каждому каналу в КИ16 для сигнализации отводятся четыре бита (тетрада “abcd”). Для обеспечения этого CAS-биты в КИ16 передаются последовательно в пределах 16-ти фреймов, то-есть, организуется мультифрейм по CAS-битам, структура которого приведена в таблице 3.2.

Таблица 3.2 – структура мультифрейма

Номер фрейма В мультифрейме | Биты канального интервала КИ16
0-ой фрейм | 0 0 0 0 | x y x x
1-ый фрейм | a b c d Канал 1 | a b c d Канал 16
2-ой фрейм | a b c d Канал 2 | a b c d Канал 17
3-ий фрейм | a b c d Канал 3 | a b c d Канал 18
4-ый фрейм | a b c d Канал 4 | a b c d Канал 19
5-ый фрейм | a b c d Канал 5 | a b c d Канал 20
6-ой фрейм | a b c d Канал 6 | a b c d Канал 21
7-ой фрейм | a b c d Канал 7 | a b c d Канал 22
8-ой фрейм | a b c d Канал 8 | a b c d Канал 23
9-ый фрейм | a b c d Канал 9 | a b c d Канал 24
10-ый фрейм | a b c d Канал 10 | a b c d Канал 25
11-ый фрейм | a b c d Канал 11 | a b c d Канал 26
12-ый фрейм | a b c d Канал 12 | a b c d Канал 27
13-ый фрейм | a b c d Канал 13 | a b c d Канал 28
14-ый фрейм | a b c d Канал 14 | a b c d Канал 29
15-ый фрейм | a b c d Канал 15 | a b c d Канал 30

Период повторения мультифрейма 2мс. Производительность каждого CAS-бита составляет 0,5кбит/с.

В первой тетраде КИ16 фрейма 0 передается синхропосылка “0000” для синхронизации мультифрейма. Во второй тетраде КИ16 фрейма 0 передается последовательность бит “XYXX”, в которой:

- биты “X” – резервные биты.

- Бит “Y” – используется для передачи на дальний конец сигнала об аварии при приеме сигнала.

Y=”1” – на приеме отсутствует мультифреймовая синхронизация по CAS-битам,

Y=”0” – нормальная работа.

В КИ16 фрейма 1 первая тетрада CAS-бит “abcd” используется первым каналом ОЦК (Кан.1), вторая тетрада – 16-ым каналом ОЦК (Кан.16). В КИ16 фрейма 2 тетрады CAS-бит предоставляются соответственно каналам Кан.2 и Кан.17 и так далее (см. таблица 3.2).

Как правило, для канальной сигнализации используется или один CAS-бит “a” (1ВСК), или два CAS-бита “ab” (2ВСК). В этом случае для того, чтобы не нарушалась мультифреймовая синхронизация, неиспользуемые биты устанавливаются в состояние “b”, “c”, “d” = “1”, “0”, “1”.

При использовании всей тетрады CAS-бит для сигнализации – применяются специальные методы скремблирования, которые исключают появление в канальной тетраде CAS-бит состояния “0000” более, чем в 3-х последовательных мультифреймах.

Начало мультифрейма по CAS-битам не связано однозначно с началом мультифрейма по CRC4, а также с четным или нечетным фреймом двухфреймовой структуры.