Многоканальные телекоммуникационные системы

Тема 3: Системы синхронизации в ЦСП | назад | оглавление | вперед |

3 Системы синхронизации в ЦСП.
...3.1 Тактовая синхронизация.
Выделение тактовой частоты.Устройства тактовой синхронизации УТС обеспечивают синхронную работу ГО приемной и передающей частей ЦСП. Только в этом случае ГО приемной части будет вырабатывать управляющие сигналы, совпадающие по частоте и времени с импульсными последовательностями, поступающими в приемное оборудование ЦСП из линейного тракта, обеспечивая тем самым правильную цифровую обработку сигналов. Следовательно, основная задача УТС - исключить расхождение частот ГО передачи и приема или, в крайнем случае, обеспечить небольшую величину этого расхождения. Как известно, в аналоговых системах передачи для этих целей применяют, в основном, технические решения, обеспечивающие стабилизацию частоты задающих генераторов приемного и передающего оборудования (например, кварцевую стабилизацию). Рассмотрим, достаточно ли применения принципа стабилизации частоты ЗГ для цифровых систем передачи.
Предположим, что частота ЗГ первичной ЦСП fЗГfт=2,048 МГц. Определим максимально допустимую относительную нестабильность частоты ЗГ: k=ΔfЗГmaxfЗГн, где fЗГн - номинальное значение fЗГ, а ΔfЗГmax - максимальное отклонение частоты ЗГ от поминального значения.
Очевидно, что в предельном случае управляющий распределительный импульс может не совпадать по временному положению с регистрируемым на величину, равную длительности одного символа, т. е. половину тактового интервала Т/2 (в этом случае говорят о не синхронности передающего и приемного оборудования по символам). В наихудшем случае при отклонении частот ЗГ в разные стороны от fЗГн на величину Δmax взаимное положение регистрируемого и управляющего импульсов должно отличаться на ΔT/2=1 (2fт н). При этом период fт не должен изменяться больше чем на Т/4 [4]. Предположим, что в момент включения системы частоты ЗГ передающей и приемных частей первичной ЦСП одинаковы и в дальнейшем расходятся. Определим, за какой промежуток времени tПС при относительной нестабильности k частот ЗГ будет достигнуто положение не синхронности по символам. Так как tПС=Т/(4k)=1/(4fтk), то, следовательно, k=1/(4fтtПС)≈1/(8·106tПС). Если принять, что система будет выходить из состояния синхронизма каждый час (а это будет очень плохая система, так как выход из состояния синхронизма по символам приводит к прекращению связи), то требуемая в этом случае относительная нестабильность частоты ЗГ составит k =1/(8·106·3,6·103)≈3,7·10-11, что недостижимо по техническим и экономическим соображениям. Вывод, следующий из вышеприведенных расчетов: реализация современных ЦСП без устройств тактовой синхронизации (фазирования по посылкам) невозможна. В ЦСП к устройствам тактовой синхронизации предъявляются следующие требования:

1) высокая точность подстройки частоты и фазы управляющего сигнала ЗГ приемной части;
2) малое время вхождения в синхронизм;
3) сохранение состояния синхронизма при кратковременных перерывах связи.

Различают две группы УТС, отличающиеся методом использования синхросигналов. К первой группе относятся устройства с синхронизацией по специальному синхросигналу. Этот метод усложняет построение линейного тракта ЦСП и генераторного оборудования, к тому же точность установки фазы управляющих сигналов в большой степени связана с нелинейными искажениями и неравномерностью частотных характеристик линейного тракта. Ко второй группе относятся методы подстройки фазы управляющих импульсов под основной принимаемый сигнал. Такую подстройку можно осуществить либо по специальным синхроимпульсам, либо по рабочим импульсам (элементам кодовых комбинаций цикла). Применение специальных синхроимпульсов снижает пропускную способность системы, поэтому на практике нашел применение метод тактовой синхронизации по рабочим импульсам. Эту группу УТС можно разделить на две подгруппы, отличающиеся способом выделения тактовой частоты. Основное применение в ЦСП с невысокой скоростью передачи нашли УТС c резонансной системой для выделения тактовой частоты. Достоинства таких систем — простота реализации и, как следствие, улучшение экономических показателей системы, являются определяющими при реализации ЦСП местных и зоновых сетей. Недостатки УТС такого типа: быстрое пропадание тактовой частотны при перерывах связи или при появлении в принимаемом сигнале длинных серий пробелов (нулей); зависимость стабильности выделенной тактовой частоты (а следовательно, и точности фазирования) от длины серии нулей (характера кодовых комбинаций) и стабильности параметров фильтра, выделителя тактовой частоты, а также от скорости передачи. Более сложным является метод синхронизации с применением устройств автоподстройки частоты генераторов тактовой частоты приемного оборудования, лишенный недостатков первого метода. Иногда эти два метода называют соответственно методами пассивной и активной фильтрации частоты. Устройства тактовой синхронизации с активной фильтрацией получают все большее распространение в ЦСП в связи с их достоинствами и упрощением вопросов реализации на основе более совершенной элементной базы, обеспечиваемой развитием микроэлектроники. Сущность метода пассивной фильтрации тактовой частоты состоит в том, что из входного цифрового сигнала с помощью полосовых фильтров, резонансных контуров или избирательных усилителей выделяется тактовая частота. Часть УТС, обеспечивающая выполнение этих функций, называется выделителем тактовой частоты (ВТЧ). Структурная схема этого устройства приведена на рисунке 1.34: ВС - входной сигнал, СИ – синхроимпульс, ФСИ – формирователь синхроимпульса.

Рисунок 1.34 Структурная схема выделителя тактовой частоты.

Рассмотрим сущность резонансного метода. Известно, что энергетический спектр случайной последовательности импульсов со скважностью q>1 содержит как непрерывную Gн(f), так и дискретную Gд(f) составляющую (рисунок 1.35, а). Дискретная часть энергетического спектра представляет собой сумму гармоник, кратных тактовой частоте (частоте следования импульсов). Этот вывод можно сделать, не применяя сложных математических выкладок, если представить, случайный двоичный сигнал и в виде суммы регулярной однополярной последовательности импульсов и случайной двухполярной последовательности импульсов [1].

Рисунок 1.35 Принцип выделения тактовой частоты из спектра случайного сигнала.

Как известно, регулярная последовательность импульсов с тактовой чистотой fт имеет дискретный (линейчатый) спектр Gд(f), в составе которого в качестве первой гармоники выступает составляющая с частотой, равной тактовой. Попутно отметим, что случайная двухполярная последовательность импульсов, как видно из рисунка 1.35, б, не может быть в свою очередь получена как сумма случайной и регулярной составляющих и, следовательно, спектр такой последовательности не содержит дискретных составляющих. Очевидно, что превращение двухполярной последовательности в однополярную (например, применением выпрямительных устройств) позволяет восстановить дискретную часть спектра. Следует обратить внимание на то, что если линейный сигнал представляет собой случайную последовательность импульсов с частотой fт и q=1, то энергетический спектр такого сигнала вообще не содержит дискретной части спектра. Сказанное можно проследить по рисунку 1.36, а на котором показано, что, если q→1, то регулярная последовательность импульсов «сливается» в постоянную составляющую.

Для получения тактовой частоты в этом случае приходится применять более сложный метод нелинейного преобразования, чем выпрямление. В таких случаях можно применить метод выделения фронтов, позволяющий увеличить, скважность двоичной последовательности импульсов и тем самым ввести в спектр преобразованного сигнала дискретную составляющую. На рисунке 1.36, б приведен пример реализации принципа выделения фронтов сигнала со скважностью q=1. С этой целью кроме входной импульсной последовательности формируется последовательность импульсов, полученная из входной сдвигом на половину тактового интервала.Вычитание из первой последовательности второй приводит к формированию случайной двухполярной последовательности со скважностью q=2 и тактовой частотой, равной, как видно из рисунка, тактовой частоте входной последовательности. Выпрямление двухполярной последовательности формирует однополярный сигнал с тактовой частой, равной тактовой частоте входной случайной последовательности импульсов, и скважность q=2>1, содержащей в спектре дискретную составляющую с частотой, равной тактовой. Аналогичных результатов можно достигнуть, используя для выделения фронтов дифференцирующие цепочки.В практических случаях на вход ВТЧ двоичный сигнал приходит искаженным, с «заваленными фронтами», а в некоторых случаях устройствами линейного тракта специально формируют сигнал в виде колоколообразных импульсов. Формирование импульсной последовательности со скважностью q>1 в этом случае возможно путем одностороннего или двухстороннего ограничения, что и показано на рисунке 1.36, в

Рисунок 1.36 Получение тактовой частоты из последовательности импульсов, «затянутых на тактовый интервал».

В оконечной приемной аппаратуре при резонансном методе тактовой синхронизации, как правило, в качестве ЗГ используется ВТЧ, благодаря чему обеспечивается жесткое фазирование управляющих импульсных последовательностей приемной части относительно управляющих импульсных последовательностей передающей части системы. Выделенный гармонический сигнал тактовой частоты обычно преобразуется в основную управляющую импульсную последовательность с частотой следования, равной fт, из которой в ГО формируют другие управляющие сигналы. Для формирования тактовых импульсов использую специальные устройства формирования синхроимпульсов ФСИ. Устройства активной фильтрации тактовой частоты могут быть подразделены на две группы: с непосредственным воздействием на местный ЗГ тактовой частоты; с воздействием на промежуточный преобразователь ПП тактовой последовательности.

Структурные схемы УТС с активной фильтрацией представлены на рисунке 1.37.

В схеме с непосредственным воздействием на ЗГ (рисунок 1.37, а) подстройка тактовой частоты под частоту принимаемых импульсов осуществляется по управляющему напряжению UР Ф, снимаемому с фазового дискриминатора (ФД), значение и знак которого зависят от значений и знака разности фаз входных сигналов ФД. Так как напряжение UР Ф на выходе ФД имеет дискретный характep, непрерывное регулирование частоты ЗГ можно осуществить, пропуская напряжение UР Ф через интегратор (сглаживающую цепочку) (I).

Во втором случае (рисунок 1.37, б) изменение тактовой частоты осуществляется изменением числа импульсов, поступающих на вход делителя частоты (ДЧ) через схему управления (СУ). Управление осуществляется от сигнала с выхода ФД, пропущенного через цифровой интегратор на основе реверсивного счетчика PC.

Рисунок 1.37 Структурная схема устройства активной фильтрации тактовой частоты.

...3.2 Цикловая синхронизация.
Синхронизация приемной и передающей станции по циклам обеспечивает правильное декодирование кодовых групп и распределение группового АИМ сигнала по соответствующим приемникам каналов. Для обеспечения этой синхронизации в начале каждого цикла в состав группового цифрового сигнала вводится специальный синхросигнал, который представляет собой отдельный импульс или группу импульсов определенной комбинации.

К системам цикловой синхронизации предъявляются следующие основные требования:

1) время вхождения в синхронизм при первоначальном включении аппаратуры в работу и время восстановления синхронизма при его нарушении должно быть минимально возможным;

2) число разрядов синхросигнала в цикле передачи при заданном времени восстановления синхронизма должно быть минимальным;

3) приемник синхросигнала должен быть помехоустойчивым, что обеспечивает большее среднее время между сбоями синхронизма.

При реализации этих требований приходится решать противоречивые задачи. Ввод синхросигнала в групповой сигнал дополнительно к кодовым группам информации требует увеличения скорости передачи группового сигнала, а это увеличивает полосу частот, передаваемых по линии. Если скорость передачи оставить прежней, то синхросигнал надо вводить взамен части информационных символов, а это уменьшает пропускную способность системы передачи. Аналогичные противоречия встречаются и при выборе числа разрядов в синхросигнале. Уменьшение разрядов в синхросигнале повышает пропускную способность ЦСП, но увеличивает время восстановления синхронизма, так как возрастает вероятность появления аналогичных комбинаций в информационных символах. Увеличение разрядов в синхросигнале улучшает работу цикловой синхронизации, но уменьшает пропускную способность ЦСП. Отметим основные отличительные признаки синхросигнала и способы ввода его в групповой сигнал. Основными отличительными особенностями синхросигнала являются его периодичность, или повторяемость, на одних и тех же позициях в каждом цикле и постоянство кодовой комбинации. Эти свойства используются при выделении синхросигнала на приемной станции. Групповой цифровой сигнал каналов в силу случайного характера абонентских сигналов свойствами периодичности не обладает. По числу разрядов различают одноразрядные и многоразрядные синхросигналы. Многоразрядные синхросигналы различаются по распределению разрядов в цикле передачи: сосредоточенные, рассредоточенные. На рисунке 1.38 показаны циклы, содержащие одноразрядный (рисунок 1.38, а) и многоразрядные (с комбинацией 101) сосредоточенный (рисунок 1.38, б) и рассредоточенный (рисунок 1.38, в) синхросигналы. Наибольшее распространение в ЦСП получил способ передачи многоразрядного сосредоточенного синхросигнала. Построению систем цикловой синхронизации с использованием передачи сосредоточенного синхросигнала и будет уделено основное внимание.
Рисунок 1.38 Способы передачи циклового синхросигнала.
Система цикловой синхронизации предоставляет, собой совокупность устройств, обеспечивающих синхронную работу соответствующих узлов (разрядных и канальных распределителей) ГО приемной и передающей станций. На передающей станции находится устройство формирования и ввода синхрогруппы в групповой цифровой сигнал. Это устройство достаточно просто реализуется и рассматривается при разборе конкретных систем передачи. На приемной станции находится приемник синхросигнала, обеспечивающий установку синхронизма после включения, аппаратуры в работу, контроль за состоянием синхронизма в рабочем режиме, обнаружение сбоя синхронизма и его восстановление. Рассматривая принцип построения приемника синхросигнала, схема которого показана на рисунке 1.39, можно выделить следующие основные узлы: опознаватель, анализатор, решающее устройство.

Рисунок 1.39 Схема приемника синхросигнала.

Опознаватель синхросигнала предназначен для выделения из группового ИКМ сигнала кодовых комбинаций, совпадающих по структуре с синхросигналом. Анализатор определяет соответствие момента времени прихода истинной синхрогруппы и контрольного сигнала с генераторного оборудования. Решающее устройство определяет состояние синхронизма, момент выхода из синхронизма, управляет работой соответствующих узлов ГО в режиме поиска синхронизма.

Рисунок 1.40 График алгоритма поиска синхросигнала.

Алгоритм поиска синхросигнала при нарушении синхронизма показан на рисунке 1.40. Опознаватель, сдвигая каждый раз момент регистрации на один такт, будет пробовать поступающие комбинации группового сигнала на их соответствие синхрогруппе. Таким образом, если за период цикла будет отсутствовать комбинация, похожая на синхрогруппу, а это маловероятно, синхросигнал будет найден в течение одного цикла или быстрее. Для подтверждения правильности выделения синхросигнала следующая проверка наличия синхросигнала будет ровно через цикл. Приемник синхронизации с таким принципом работы называется приемником со скользящим поиском и одноразрядным сдвигом. Развернутая структурная схема такого приемника синхросигнала показана на рисунке 1.41. На схеме штриховой линией выделены опознаватель, анализатор, решающее устройство, генераторное оборудование приема.

Рисунок 1.41 Схема приемника синхросигнала.

Опознаватель синхросигнала может быть построен как регистр сдвига и дешифратор — многовходовая схема совпадения И1. Анализатор содержит элементы НЕТ и И2. Появление импульса на выходе И2 означает совпадение по времени синхросигнала и контрольного импульса от ГОпр. Появление импульса на выходе схемы НЕТ означает отсутствие синхросигнала в момент появления контрольного импульса от ГОпр. Решающее устройство содержит накопитель по выходу из синхронизма, накопитель по входу в синхронизм, схему И3. Накопители по входу и выходу из синхронизма выполнены по схеме счетчика со сбросом. Накопитель по выходу из синхронизма необходим для исключения ложного нарушения синхронизма, когда в линейном тракте произошло изменение структуры синхросигнала. Обычно накопитель по выходу из синхросигнала содержит четыре - шесть разрядов (на рисунке 1.41накопитель содержит четыре разряда). Это обеспечивает помехозащищенность приемника синхросигнала от искажений синхрогруппы в линейном тракте пли по другим причинам. Накопитель по входу в синхронизм обеспечивает защиту приемника синхросигнала от ложного синхронизма в режиме поиска синхрогруппы, когда на вход опознавателя поступают случайные комбинации группового сигнала, совпадающие с синхросигналом. Обычно накопитель по входу в синхронизм содержит два - три разряда (на рисунке 1.41 накопитель содержит три разряда). Управление работой ГО производится схемой И3, которая в режиме поиска синхронизации при поступлении синхросигнала установит в начальное положение разрядный и канальный распределители ГО, определяя тем самым начало их работы. На выходе схемы И4 формируется контрольный импульс синхронизма от ГОпр. Появление этого импульса по времени должно произойти в определенный канальный интервал, определенный разрядный интервал этого канального интервала, в соответствии с тактовой частотой. Для этого используется схема И с тремя входами. Рассмотрим работу схемы приемника синхросигнала. В режиме синхронизма накопитель по входу в синхронизм заполнен, а накопитель по выходу из синхронизма пустой. Синхросигнал и контрольный сигнал от ГОпр одновременно поступающие на схему И2 держат накопитель по входу в синхронизм заполненным. Случайные кодовые комбинации группового сигнала, аналогичные по структуре с синхрогруппой, не совпадают по времени с контрольным сигналом от ГОпр, и не будут влиять на работу приемника синхросигнала в режиме синхронизма. При отсутствии синхросигнала из-за воздействия помех или других причин контрольный сигнал от ГОпр пройдет через схему НЕТ на вход накопителя по выходу из синхронизма. Если эти нарушения кратковременные (один - три цикла подряд для данной схемы), то следующий синхросигнал, совпадающий с сигналом от ГОпр, запишет 1 в накопитесь по входу в синхронизм. Так как накопитель по входу в синхронизм заполнен, это приведет к установке в нулевое состояние первых трех разрядов накопителя по выходу из синхронизма. Таким образом, кратковременные искажения синхросигнала не нарушат работуГО. При длительном нарушении синхронизма (синхросигнал отсутствует четыре цикла подряд) накопитель по выходу из синхронизмa будет заполнен, при этом на его выходе появится 1, что позволит начать поиск синхронизма. Теперь первый же импульс от опознавателя при появлении синхросигнала пройдет через схему И3 и установит 0 в последнем разряде накопителя по выходу из синхронизма, во всех разрядах накопителя по входу в синхронизм, а также установит в начальное положение разрядный и канальный распределители ГОпр. Следующее опознавание синхросигнала будет произведено ровно через цикл. Если синхросигнал выделен верно, то через цикл произойдет совпадение очередного синхросигнала и контрольного сигнала от ГОпр. В данном случае в накопитель по входу в синхронизм поступает 1. Когда это произойдет 3 раза подряд, накопитель по входу в синхронизм заполнится и установит 0 в первых трех разрядах накопителя по выходу из синхронизма (в четвертом разряде 0 уже установлен сигналом со схемы И3). Трехкратное совпадение синхросигнала и контрольного сигнала от ГОпр подтверждает установление синхронного режима работы. Возможно, но маловероятно, что в режиме поиска будет выделена опознавателем случайная кодовая комбинация, совпадающая с синхросигналом. В этом случае сигнал от опознавателя пройдет схему И3 и также установит в начальное положение разрядный и канальный делители. Следующее опознавание синхросигнала произойдет через цикл. Так как кодовые комбинации группового сигнала носят случайный характер, то через цикл синхросигнал выделен не будет. В накопитель по выходу из синхронизма поступит 1, а он уже заполнен, и опять начнется поиск синхросигнала. Процесс будет повторяться, пока не будет выделен настоящий синхросигнал. Разберем причины вызывающие сбой цикловой синхронизации. Основными из них являются выход из синхронизма по тактовой частоте, что приводит к изменению длительности цикла, так как в цикле появятся или пропадут один или несколько тактовых интервалов, и искажение символов синхросигнала в результате воздействия помех. Главным источником этих сбоев является линейный тракт. На временных диаграммах рисунок 1.42 показано возникновение сбоев синхронизации, вызванных различными причинами. На временной диаграмме 1 условно показан групповой сигнал, содержащий несколько циклов. Каждый цикл содержит 256 информационных символов. Синхросигнал имеет кодовую группу 111. На временных диаграммах 2 и 3 показаны импульсы от опознавателя и контрольные импульсы от ГОпр. Сбой синхронизма при искажении символа синхрогруппы показан на рисунке 1.42, а. Из временных диаграмм 2 и 3 видно, что цикловая синхронизация не нарушена и подстройку ГОпр производить не требуется. Сбой синхронизма при изменении длительности цикла показан на рисунке 1.42, б. В данном случае восстановление синхронизма возможно только при подстройке ГОпр.
Рисунок 1.42 Временные диаграммы возникновения сбоев синхронизации.

Из приведенных выше примеров можно сделать вывод, что в первом случае защиту приемника синхронизации от сбоя обеспечивает накопитель по выходу из синхронизма, тогда как во втором случае желательно начинать поиск синхросигнала по первому его пропаданию. В этом случае накопитель по выходу из синхронизма будет увеличивать время восстановления синхронизма. Время восстановления синхронизма является одним из основных параметров ЦСП. Допустимое время восстановления синхронизма определяется свойствами передаваемой информации.

При использовании цифровых систем для организации соединительных линий между АТС время восстановления синхронизма ограничивается несколькими миллисекундами. При передаче телефонных сообщении абонент практически не заметит перерыва связи в несколько десятков миллисекунд, однако при сбое синхронизации нарушается работа каналов передачи СУВ, что может привести к разъединению абонентов. Допустимое время пропадания каналов передачи СУВ, которое не отражается на работе приборов АТС и определяет допустимое время восстановления синхронизма, обычно составляет около 2 мс. Для ЦСП более высокого порядка это время очень ограничено. Графически время восстановления синхронизма tв показано на рисунке 1.43. Оно состоит из времени накопления по выходу из синхронизма tн.вых, времени поиска синхросигнала tп, времени накопления по входу в синхронизм tн.вх.

Рисунок 1.43 График времени восстановления синхронизма.

Недостатки рассмотренного способа построения приемника циклового синхросигнала определяются тем, что значение емкости накопителей по выходу из синхронизма и по входу в синхронизм фиксированы, а поиск синхронизации начинается только после времени накопления по выходу из синхронизма. Уменьшение времени восстановления синхронизма за счет сокращения времени накопления ведет к резкому уменьшению помехоустойчивости систем цикловой синхронизации. Это можно компенсировать увеличением разрядов в синхросигнале, но увеличение разрядов в синхросигнале ограничивается возможностями построения цикла передачи и применением специальных адаптивных приемников синхросигнала.

назад | оглавление | вперед