Многоканальная цифровая система передачи информации

 

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с изменениями условий жизни, развитием культуры и техники средства общения между людьми (средства связи) непрерывно совершенствуются. В настоящий момент средства связи стали неотъемлемой частью производственного процесса и нашего быта. Современные системы связи должны не только гарантировать быструю обработку и высокую надежность передачи информации, но и обеспечивать выполнение этих функций наиболее экономическим способом.

Любая информация передается по каналам связи, в состав которых входят: передатчик, линия связи и приемник. Линией связи называется среда распространения электромагнитных волн, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Такой средой могут быть воздушная, кабельная, радиорелейная линии связи, волноводы, световоды и т. д. Совокупность источника сообщений, передатчика, линии связи, приемника и получателя сообщений образует систему связи. Из всех элементов системы наибольший процент стоимости приходится на линии связи. Поэтому встает проблема разработки таких систем и методов, которые позволяют одновременно передавать по одной физической цепи (например, паре кабеля) большое число независимых сообщений, т.е. использовать линию многократно. Такие системы передачи называются многоканальными телекоммуникационными. Связь, осуществляемую с помощью этим систем, принято называть многоканальной.

Основными задачами, которые решаются при создании многоканальной связи, являются увеличение дальности связи и числа каналов и обеспечение высокого качества передачи информации.

Современная система передачи информации - сложное устройство, и его создание связано с огромными затратами средств. Поэтому при проектировании нужно учитывать перспективы развития техники связи и предусматривать возможность использования таких систем в составе сложных информационных комплексов, систем связи и т.д.

Наиболее перспективными признаются волоконно-оптические системы передачи (ВОСП). По сравнению с системами, работающими по электрическому кабелю, ВОСП обладают рядом преимуществ, основными из которых являются: широкая полоса пропускания, позволяющая организовывать требуемое число каналов по одному волоконно-оптическому тракту; возможность предоставления абоненту наряду с телефонной связью других видов услуг (телевидение, телефакс, широкополосное радиовещание, различные телематические и справочные службы, реклама, местная связь и др.); высокая защищенность от электромагнитных помех; малое километрическое затухание и, следовательно, возможность увеличения длины регенерационного участка; значительная экономия цветных металлов и потенциально низкая стоимость оптического кабеля.

Усложнение и совершенствование систем передачи информации и расширение областей их применения заставляет уделять большое внимание вопросам стандартизации и унификации параметров систем в международном масштабе. Разработкой рекомендаций и приложений в области передачи информации занимается ряд организаций: международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии, международная организация по стандартизации (МОС) и др.

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1Основные требования технического задания

Согласно техническому заданию необходимо спроектировать многоканальную цифровую систему передачи информации отвечающую следующим основным требованиям:

а) количество каналов - 480;

б) ширина эффективно - передаваемой полосы частот - 300-3400 Гц;

в) вид модуляции - ИКМ;

г) вид линии связи - ВОЛС;

д) длина волны - 1,3 мкм;

е) максимальная дальность - 600 км;

Учет всех требований в совокупности и каждого в отдельности показывает, что создание такой системы является сложной задачей.

1.2Вид передаваемого сообщения

Задачей техники многоканальной связи является одно- или двусторонняя передача на большие расстояния различного рода информации. Все виды информации, передаваемые с помощью средств электрической связи, можно разделить на две группы: сообщения и данные.

К сообщениям относится информация, воспринимаемая органами чувств одного или нескольких человек. Сообщениям свойственна так называемая избыточность, т. е. Наличие в данной информации элементов, несущественных для правильного понимания ее содержания. Такие элементы могут быть отброшены без потери смысла передаваемой информации.

К данным относится информация, передаваемая в виде целесообразно выбранных символов, пригодных для машинной обработки, и бедная или не обладающая избыточностью.

Сообщения, передаваемые по каналам связи, преобразуются передатчиком в непрерывные (аналоговые) или дискретные (прерывистые) электрические сигналы или сигналы электросвязи (первичные сигналы). К последним относятся: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных.

Телефонный (речевой) сигнал. Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости pтa и носа. Частота импульсов основного тона лежит в пределах от 50... 80 Гц (бас) до 200... 250 Гц (женский и детский голоса). Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40), причем их амплитуды убывают с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву. При разговоре частота основного тона меняется в значительных пределах. Высокое качество передачи телефонного сигнала характеризуется уровнем громкости, разборчивостью, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Эти факторы определяют требования к телефонным каналам.

Основными характеристиками телефонного сигнала являются: мощность телефонного сигнала Ртлф. Согласно данным МККТТ (Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии) средняя мощность телефонного сигнала в точке с нулевым измерительным уровнем на интервале активности составляет 88 мкВт. С учетом коэффициента активности (0,25) средняя мощность телефонного сигнала равна 22 мкВт. Кроме речевых сигналов в канал поступают сигналы управления, набора номера, вызова и т. д. С учетом этих сигналов среднюю мощность телефонного сигнала принимают равной 32 мкВт, что соответствует уровню Рср= -15 дБмО. Коэффициент активности телефонного сообщения, т. е. отношение времени, в течение которого мощность сигнала на выходе канала превышает заданное пороговое значение, к общему времени занятия канала для разговора. При разговоре каждый из собеседников говорит приблизительно 50% времени. Кроме того, отдельные слова, фразы отделяются паузами. Поэтому коэффициент активности составляет 0,25 … 0,35; динамический диапазон телефонного сигнала - десять десятичных логарифмов отношения максимальной мощности к минимальной (разность между максимальным и минимальным уровнями сигнала). Для телефонного сигнала составляет 35…40 дБ пик фактор составляет 14 дБ. При этом максимальная мощность, вероятность превышения которой исчезающе мала, равна 2220 мкВт (+3,5 дБм). Энергетический спектр речевого сигнала - область частот, в которой сосредоточена основная энергия сигнала. Речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50… 100 до 8000…10 000 Гц. Установлено, однако, что качество речи получается вполне удовлетворительным при ограничении спектра частотами 300… 3400 Гц. Эти частоты приняты МККТТ в качестве границ эффективного спектра речи. При указанной полосе частот разборчивость составляет около 90%, разборчивость фраз-более 99% и сохраняется удовлетворительная натуральность звучания.

1.3 Принципы построения и основные особенности волоконно-оптических систем передачи

В наиболее общем виде принцип передачи информации в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) можно пояснить с помощью рис.1.1. На передающей стороне на излучатель света, в качестве которого в ВОСП используется светодиод или полупроводниковый лазер, поступает электрический сигнал, предназначенный для передачи по линии связи. Этот сигнал модулирует оптическое излучение источника света, в результате чего электрический сигнал преобразуется в оптический. На приемной стороне оптический сигнал из О.В. вводится в фотодетектор (ФД). В современных ВОСП в качестве ФД используют p-i-n или лавинный фото диод (ЛФД).

Фотодетектор преобразует падающее на него оптическое излучение в исходный электрический сигнал. Затем электрический сигнал поступает на усилитель (регенератор) и отправляется получателю сообщения.

Принцип передачи информации в волоконно-оптических системах связи

Выбор элементной базы при реализации ВОСП и параметры её линейного тракта зависят от скорости передачи символов цифрового сигнала. МККТТ установлены правила объединения цифровых сигналов и определена иерархия аппаратуры временного объединения цифровых сигналов электросвязи.

Сущность иерархии состоит в ступенчатом расположении указанной аппаратуры, при котором на каждой ступени объединяется определённое число цифровых сигналов, имеющих одинаковую скорость передачи символов, соответствующую предыдущей ступени рис. 1.2. Цифровые сигналы во вторичной, третичной, и т.д. системах получаются объединением сигналов предыдущих иерархических систем. Для европейских стран установлены следующие стандартные скорости передачи для различных ступеней иерархии (соответственно ёмкости в телефонных каналах): первая ступень-2.048 Мбит/с (30 каналов), вторая-8.448 Мбит/с (120 каналов), третья-34.368 Мбит/с (480 каналов), четвертая-139.264 Мбит/с (1920 каналов). В соответствии с приведенными скоростями можно говорить о первичной, вторичной, третичной и четвертичной группах цифровых сигналов электрической связи (в этом же порядке присвоены названия системам ИКМ) /9/.

Аппаратура, в которой выполняется объединение этих сигналов, называется аппаратурой временного объединения цифровых сигналов. На выходе этой аппаратуры цифровой сигнал скремблируется скремблером, то есть преобразуется по структуре без изменения скорости передачи символов для того, чтобы приблизить его свойства к свойствам случайного сигнала (рис.1.3). Это позволяет достигнуть устойчивой работы линии связи вне зависимости от статистических свойств источника информации.

Скремблированный сигнал может подаваться на вход любой цифровой системы передачи, что осуществляется при помощи аппаратуры электрического стыка.

Рис.1.2 Типы иерархий цифровых систем передачи.

.4 Линейные коды ВОСП

Оптическое волокно, как среда передачи, а также оптоэлектронные компоненты фотоприёмника и оптического передатчика накладывают ограничивающие требования на свойства цифрового сигнала, поступающего в линейный тракт. По этому между оборудованием стыка и линейным трактом ВОСП помещают преобразователь кода. Выбор кода оптической системы передачи сложная и важная задача. На выбор кода влияет, во первых, нелинейность модуляционной характеристики и температурная зависимость излучаемой оптической мощности лазера, которые приводят к необходимости использования двухуровневых кодов.

Рис. 1.3 Структурная схема волоконно-оптической системы передачи

Во вторых, вид энергетического спектра, который должен иметь минимальное содержание низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) компонент. Энергетический спектр содержит непрерывную и дискретную части. Непрерывная часть энергетического спектра цифрового сигнала зависит от информационного сигнала и типа кода. Для того, чтобы цифровой сигнал не искажался в усилителе переменного тока фотоприёмника желательно иметь низкочастотную составляющую непрерывной части энергетического спектра подавленной, в противном случае для реализации оптимального приёма перед решающим устройством регенератора требуется введение дополнительного устройства, предназначенного для восстановления НЧ составляющей, что усложняет оборудование линейного тракта. Существует ещё одна причина для уменьшения низкочастотной составляющей сигнала. Дело в том, что оптическая мощность, излучаемая полупроводниковым лазером, зависит от окружающей температуры и может быть легко стабилизирована посредством отрицательной обратной связи (ООС) по среднему значению излучаемой мощности только в том случае, когда отсутствует НЧ часть спектра, изменяющаяся во времени. Иначе в цепь ООС придется вводить специальные устройства, компенсирующие эти изменения.

В третьих, для выбора кода существенно высокое содержание информации о тактовом синхросигнале в линейном сигнале. В приёмнике эта информация используется для восстановления фазы и частоты хронирующего колебания, необходимого для управления принятием решения в пороговом устройстве. Осуществить синхронизацию тем проще, чем больше число переходов уровня в цифровом сигнале, то есть чем больше переходов вида 0-1 или 1-0. Лучшим с точки зрения восстановления тактовой частоты и простоты реализации схемы выделения хронирующей информации, является сигнал, имеющий в энергетическом спектре дискретную составляющую на тактовой частоте.

В четвертых, код не должен иметь каких-либо ограничений на передаваемое сообщение и обеспечивать однозначную передачу любой последовательности нулей и единиц.

В пятых, код должен обеспечивать возможность обнаружения и исправления ошибок. Основной величиной, характеризующей качество связи, является частость появления ошибок или коэффициент ошибок, определяемый отношением среднего количества неправильно принятых посылок к их общему числу. Контроль качества связи необходимо производить, не прерывая работу линии. Это требование предполагает использование кода, обладающего избыточностью, тогда достаточно фиксировать нарушение правил формирования кода, чтобы контролировать качество связи.

Кроме вышеперечисленных требований на выбор кода оказывает влияние простота реализации, низкое потребление энергии и малая стоимость оборудования линейного тракта.

В современных оптоволоконных системах связи для передачи в качестве линейного кода используется код CMI, отвечающий большинству вышеперечисленных требований. Особенностью данного кода является сочетание простоты кодирования и возможности выделения тактовой частоты заданной фазы с помощью узкополосного фильтра. Код строится на основе кода HDB-3 (принцип построения представлен на рис.1.4). Здесь символ +1 преобразуется в кодовое слово 11, символ -1 -в кодовое слово 00, символ 0 -в 01. Из рисунка видно, что для CMI характерно значительное число переходов, что свидетельствует о возможности выделения последовательности тактовых импульсов. Текущие цифровые суммы кодов имеют ограниченное значение. Это позволяет контролировать величину ошибки достаточно простыми средствами. Число одноименных следующих друг за другом символов не превышает двух - трех. Избыточность кода CMI можно использовать для передачи служебных сигналов. Применяя для этой цели запрещенный в обычном режиме блок 10, а также нарушение чередований 11 и 00 /2/.

Рис.1.4 Принцип построения кода CMI из HDB-3

.5 Источники света ВОСП

Источники света волоконно-оптических систем передачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных типов модуляции света, иметь малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с максимальной эффективностью. Для ВОСП потенциально пригодны твердотельные лазеры, в которых активным материалом служит иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой (например СИД), у которого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом режиме с низким уровнем шума являются плюсами данного типа источников. Однако большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

.6 Детекторы ВОСП

Функция детектора волоконно-оптических систем передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем, как правило, подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектор должен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, Ф.Д. должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для применения в волоконно-оптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры. Тем не менее, лавинные фотодиоды успешно применяются в ряде современных ВОСП.

.7 Оптические кабели ВОСП

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0,8 до 1,6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно расширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами волн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько световодов. Световод - это направляющая система для электромагнитных волн оптического диапазона. Практическое значение имеют только волоконные световоды, изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика: стекла или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси световода используется явление преломления и полного отражения в волокне с показателем преломления, уменьшающимся от оси к периферии плавно либо скачками. Световод состоит из оптического волокна и покрытия. Оптическое волокно (ОВ) из стекла изготавливается обычно с внешним диаметром 100 - 150 мкм. Конструкция ОВ показана на рис.1.5. Оптическое волокно состоит из сердечника с показателем преломления n1 и оболочки с показателем преломления n2, причем n1>n2. Спецификой ОВ является их высокая чувствительность к внешним механическим воздействиям. Кварцевое оптическое имеет малый температурный коэффициент расширения, высокий модуль упругости и низкий предел упругого растяжения; при относительном удлинении 0,5 - 1,5% оно ломается. Обрыв волокна происходит в сечении, наиболее ослабленном микротрещинами, возникающими на его поверхности. Микротрещины развиваются при попадании на поверхность влаги, поэтому прочность непокрытого волокна быстро уменьшается, особенно во влажной атмосфере. Механические характеристики оптического волокна, поступающего на кабельное производство, столь же важны и подлежат такой же тщательной проверке, как и оптические его параметры.

Передача света по любому световоду может осуществляться в двух режимах: одномодовом и многомодовом. Одномодовым называется такой режим, при котором распространяется только одна основная мода.

Если неравенство (1.1) не удовлетворено, то в световоде устанавливается многомодовый режим. Очевидно, что тип модового режима зависит от характеристик световода (а именно радиуса сердцевины и величины показателей преломления) и длины волны передаваемого света. Оптические волокна, предназначенные для работы в одномодовом режиме, называют одномодовыми оптическими волокнами. Соответственно ОВ для многомодового режима называют многомодовыми.

Рис. 1.5 Конструкция оптического волокна

(1.1)

где a - длина волны передаваемого излучения, n1 и n2 - показатели преломления материалов световода.

Различают световоды со ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины n1 одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные - с плавным профилем, у которых n1 уменьшается от центра к периферии (рис.1.6).

Фазовая и групповая скорости каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовый световод можно ввести большую мощность.

Рис. 1.6 Показатели преломления ступенчатого и градиентного типа волокон

Оптические волокна имеют очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1,55 мкм имеет затухание 0,154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фтороцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2,5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

Конструкция ОК-8 приведена на рис.1.7. Оптические волокна 1 (многомодовые, ступенчатые) свободно располагаются в полимерных трубках 2. Скрутка оптических волокон - повивная, концентрическая. В центре - силовой элемент 3 из высокопрочных полимерных нитей в пластмассовой трубке 4. Снаружи - полиэтиленовая лента 5 и оболочка 6. Кабель ОК-4 имеет принципиально те же конструкцию и размеры, но четыре ОВ в нем заменены пластмассовыми стержнями.

Рис.1.7 Конструкция оптического кабеля ОК

.8 Цифровые виды модуляции

Различают три метода цифрового представления непрерывных сигналов (цифровой модуляции) - импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ), разностную ИКМ, или ИКМ с предсказанием и дельта-модуляцию. Частный случай ИКМ с предсказанием - дифференциальная ИКМ (ДИКМ). Во всех случаях процедура цифровой модуляции состоит из трёх операций: дискретизации, квантования и кодирования. Дискретизация и квантование осуществляются на основе дискретизации с соблюдением условий теоремы Котельникова, а квантование - исходя из допустимого уровня шумов квантования. В то же время каждый метод модуляции обладает определёнными особенностями.

ИКМ - это наиболее распространённый метод цифровой модуляции. Непрерывный сигнал после дискретизации и квантования превращается в последовательность импульсов с квантованной амплитудой. Квантованный АИМ сигнал является дискретным, и хотя в принципе возможна его непосредственная передача по каналам связи, из-за относительно большой вероятности ошибки при регенерации многоуровневого сигнала в случае высокого уровня помех, такая передача нецелесообразна. Поэтому в системах ИКМ многоуровневый сигнал в процессе кодирования преобразуется в двоичный. Кодирование состоит в замене по определённому правилу каждого из импульсов с квантованной амплитудой кодовой группой двоичных символов. Поскольку выбор числа уровней квантования определяется допустимым шумом квантования, обычно приходится решать обратную задачу: определять минимально необходимое число разрядов кода, который может быть использован для кодирования при заданном числе квантованных уровней. В пункте приёма ИКМ сигнал подвергается обратному преобразованию в АИМ колебание (декодированию). Для этого непрерывный поток символов должен быть разделён на кодовые группы, каждая из которых соответствует одному отсчёту исходного сигнала. Декодированный сигнал аналогичен отсчётам исходного сигнала и выделяется с помощью ФНЧ. На рис 1.8 представлен амплитудный спектр АИМ при полосовом моделирующем сигнале с нижней и верхней частотами F1, F2 соответственно.

Из описанного принципа ИКМ следует, что при этом методе цифрового преобразования каждый отсчёт сигнала кодируется отдельно и соответственно каждая кодовая группа несёт информацию об одном отсчёте сигнала. Корреляционные связи, которые имеются в сигнале, никак не влияют на процесс кодирования и поэтому необходимое число уровней квантования при выбранном шаге квантования определяется только диапазоном изменения уровней входного сигнала. В то же время ясно, что при наличии корреляции между значениями сигнала в моменты дискретизации можно уменьшить требуемое число уровней квантования и снизить необходимую пропускную способность канала связи, не увеличивая при этом мощность шума квантования

либо, сохраняя неизменным (по сравнению с ИКМ) число уровней квантования, уменьшить шум квантования. В данном случае квантуются и кодируются не мгновенные значения кодируемого сигнала в моменты дискретизации, а разность между действительным и предсказанным значениями сигнала в тактовый момент. Предполагается, что при наличии корреляционных связей между отсчётами разность, которую необходимо квантовать и кодировать, оказывается меньшей, чем абсолютные значения сигнала в моменты дискретизации.

Если предсказанное значение сигнала в i - тактовый момент принимается равным значению сигнала в предыдущий тактовый момент, то такой метод цифровой модуляции называется дифференциальной ИКМ (ДИКМ). Ширина спектра разностного сигнала совпадает с шириной спектра исходного сигнала. Поэтому при ДИКМ частота дискретизации выбирается, как и при ИКМ, исходя из теоремы Котельникова, а отсчёты разностного сигнала кодируются комбинациями из нескольких символов.

Рис. 1.8. Амплитудный спектр АИМ при полосовом модулирующем сигнале ИКМ

В случае ДИКМ, как и при ИКМ, основным источником шумов является квантование. Но, в отличие от ИКМ, при этом методе отсутствуют шумы ограничения, поскольку результат процесса кодирования не зависит от абсолютного значения входного сигнала, но зато возможно появление другого вида искажений, так называемой перегрузки по крутизне, когда приращение сигнала за тактовый интервал чрезмерно велико.

Дельта-модуляция (ДМ) представляет собой разновидность систем с предсказанием, когда кодируется и передаётся в линию информация только о знаке приращения разности за тактовый интервал. Идея, положенная в основу ДМ, состоит в следующем. Величина разностного сигнала зависит от корреляции между значениями сигнала, сдвинутыми на тактовый интервал. По мере уменьшения тактового интервала корреляция между отсчётами сигнала возрастает и приращение разности уменьшается. Если выбрать такт настолько малым, что это разностное приращение не будет превышать одного шага квантования, то передачу разностного сигнала можно осуществить, используя одноразрядный код. Получающаяся при этом последовательность называется дельта-кодом. Из принципа кодирования следует, что ДМ представляет собой разновидность разностных систем с предсказанием, когда разностный сигнал является двухуровневым. Чтобы разность за один тактовый интервал не превышала шага квантования, частота дискретизации при ДМ должна выбираться значительно большей, чем при ИКМ и ДИКМ. Для ДМ, как и для других разностных схем, характерно возникновение перегрузки по крутизне, если величина разностного сигнала окажется больше шага квантования.

Приведённые описания цифровых методов модуляции показывают их глубокое единство. Наиболее общий метод - кодирование с предсказанием, частными случаями которого являются ДИКМ и ДМ. Метод ИКМ также можно рассматривать как кодирование с предсказанием, при котором предсказанное значение на каждом такте принимается равным нулю.

волоконный оптический связь цифровой

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ЦИФРОВОЙ ВОСП

В настоящее время существует большое количество цифровых многоканальных систем передачи информации обладающих большой помехоустойчивостью, возможностью регенерации сигналов, что существенно уменьшает накопление помех и искажений и позволяет применять в аппаратуре элементы современной микроэлектроники.

Исходя из данных в техническом задании, в качестве каналообразующей аппаратуры можно выбрать типовое цифровое оборудование третичного временного группообразования системы ИКМ-480. Эта система предназначена для организации на внутризоновых и магистральных сетях связи пучков каналов по кабелю МКТ-4 с парами 1,2/4,6мм, то есть линейный тракт организуется по однополосной четырехпроводной однокабельной схеме. Таким образом, заданную волоконно-оптическую систему передачи можно построить на базе стандартной системы ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.

.1 Структурная схема организации связи

Современные многоканальные цифровые системы связи строятся, главным образом на основе метода временного разделения сигналов.

Структурная схема организации региональной системы цифровой связи приведена на рис 2.1, где можно выделить оборудование формирования третичного цифрового потока со скоростью 34 368 Кбит/с и оборудование цифрового оптического линейного тракта. Оборудование формирования третичного потока содержит:

• аналого-цифровое оборудование (на рис.2.1 АЦО), которое обеспечивает преобразование информации передаваемой по каналам тональной частоты (ТЧ) в цифровой поток, передаваемый со скоростью 2,048 Мбит/с;
• оборудование вторичного временного группообразования, ВВГ (на рис.2.1 ВВГ), которое обеспечивает формирование цифровых потоков, соответствующих 120 каналам ТЧ, со скоростью передачи 8,448 Мбит/с;
• оборудование третичного временного группообразования, ТВГ (на рис.2.1 ТВГ), которое обеспечивает формирование цифровых потоков, соответствующих 480 каналам ТЧ со скоростью передачи 34,368 Мбит/с;

Оборудование линейного световодного тракта (ОЛСТ) - предназначено для преобразования сигналов на стыке между аппаратурой третичного временного группообразования и линейным световодным трактом, компенсации затухания участка кабельной линии, организации телеконтроля и служебной связи.

Оборудование цифрового оптического линейного тракта в своём составе имеет:

• оборудование линейного тракта оконечное (ОЛТ-О) с выхода которого через станционный оптический кабель (ОК) и устройство стыка станционного и линейного ОК сигнал поступает на вход линейного ОК;
• ОТМСС-О оборудование телемеханики (ТМ) и служебной связи (СС) оконечное;
• необслуживаемые (НРП) и обслуживаемые (ОР) регенерационные пункты;
• кассета преобразователя кода (КПК), выполняющая функции преобразования линейных кодов HDB-3 в коды CMI и обратно;

Групповой цифровой сигнал в стыковочном коде HDB-3 поступает на ОЛТ-O, которое обеспечивает:

формирование, передачу и прием линейного сигнала, поэтапное преобразование цифрового электрического сигнала из кодаHDB-3 в линейный код 5В6В, электрического сигнала в оптический линейный сигнал, информационного оптического сигнала в электрический;

• контроль линейного оборудования, линейного тракта;

- организацию служебной связи.

Аналого-цифровое оборудование (АЦО) предназначено для формирования 30 - канального цифрового сигнала с временным разделением каналов (первичного цифрового потока ПЦП) со скоростью 2048 кбит/с и формирования 30 сигналов ТЧ на приёме из первичного цифрового потока. Кроме указанных функций АЦО обеспечивает согласование низкочастотных окончаний каналов ТЧ с линейным оборудованием коммутационных систем, организацию сигнальных каналов и передачу сигналов дискретной информации в групповом цифровом потоке.

Рис. 2.1 Структурная схема организации связи

3.РАЗРАБОТКА ОКОНЕЧНОЙ СТАНЦИИ ПРОЕКТИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

.1 Структурная схема оконечной станции

Структурная схема оконечной станции первичных СП с ИКМ для одного направления передачи показана на рис. 3.1.

Исходные сигналы U1(t), U2(t),…,U30(t) от 1,2,...,30 абонентов через ФНЧ поступают на канальные амплитудно-импульсные модуляторы (М), функцию которых выполняют электронные ключи. С помощью модуляторов осуществляется дискретизация передаваемых сигналов во времени. Сигналы с выходов модуляторов объединяются в групповой АИМ сигнал (Гр. АИМ). Управляют работой модуляторов канальные импульсные последовательности, поступающие от ГО передачи. При этом импульсы подаются на модуляторы каналов поочередно (со сдвигом по времени), что и обеспечивает правильное формирование группового АИМ сигнала. Длительность каждого импульса в этих последовательностях составляет примерно 125/2N мкс, определяет длительность одного отсчета АИМ импульса канала, а период следования составляет 125 мкс, где N число каналов что, что соответствует частоте дискретизации fД=8 кГц. Групповой АИМ сигнал поступает на кодирующее устройство - кодер, который одновременно осуществляет операции квантования по уровню и кодированию.

Сигналы управления и взаимодействия (СУВ), передаваемые по телефонным каналам для управления приборами АТС, поступают в передатчик Пер. СУВ, где они дискретизируются с помощью импульсных последовательностей, формируемых в ГОпер, и объединяются. В результате формируется групповой сигнал Гр. СУВ.

В устройстве объединения (УО) кодовые группы каналов с выхода кодера, т. е. групповой ИКМ сигнал, кодированные сигналы СУВ и кодовая группа синхросигнала от передатчика синхросигнала (Пер. СС) объединяются, образуя циклы и сверхциклы. Соответствующими управляющими импульсами от ГОпер в УО

обеспечивается правильный порядок следования циклов в сверхцикле и кодовых групп в цикле передачи. Принципы построения временной диаграммы цикла и сверхцикла показаны на рис. 3.2.

Циклы Ц1, Ц2,...,ЦS каждый длительностью 125 мкс, объединяются в сверхциклы, следующие друг за другом. Каждый цикл состоит из информационных канальных интервалов КИ1 КИ2,..., КИN и дополнительных канальных интервалов, необходимых для передачи синхросигнала (СС) цикловой синхронизации, СУВ и других вспомогательных сигналов. На рис. 3.2 дополнительные КИ выделены соответствующими обозначениями.

Каждый КИ представляет собой m - разрядную кодовую группу, в разрядах Р1, Р2,..., Рм которой передается закодированная информация соответствующего

канала, а в дополнительных КИД - кодовые группы СС цикловой синхронизации и СУВ. Обычно за один цикл передаются СУВ одного или двух каналов. Таким образом, для передачи СУВ всех N каналов потребуется соответственно N или N/2 циклов, объединенных в сверхцикл. Такое объединение циклов в сверхцикл необходимо для организации нужного числа каналов передачи СУВ и правильного распределения этих сигналов на приеме. В первом цикле сверхцикла обычно передается СС сверхцикловой синхронизации, а СУВ не передаются. Таким образом, общее число циклов в сверхцикле S на один больше, чем требуется для передачи СУВ всех каналов.

Скорость передачи группового ИКМ сигнала определяется тактовой частотой системы: fт= mN0fД где N0 - общее число канальных интервалов в цикле, включая канальные интервалы для передачи СУВ, СС и других служебных сигналов. Необходимая скорость и последовательность работы передающих устройств СП обеспечиваются устройствами ГО.

Сформированный ИКМ сигнал представляет собой набор однополярных двоичных символов, импульсы которых всегда имеют только одну, например положительную, полярность. При передаче по линии такой сигнал подвержен значительным искажениям и затуханию. Поэтому перед передачей в линию однополярный ИКМ сигнал преобразуется в биполярный, удобный для передачи по линейному тракту. Это происходит в преобразователе кода передачи (ПКпер).

В процессе передачи по линии ИКМ сигнал периодически восстанавливается (регенерируется) с помощью линейных регенераторов.

На приемной станции ИКМ сигнал восстанавливается стационарным регенератором (РС) и поступает в преобразователь кода приема (ПКпр), где биполярный сигнал вновь преобразуется в однополярный. Устройство выделения тактовой частоты (ВТЧ) выделяет из этого сигнала тактовую частоту, которая используется для работы ГО. Этим обеспечивается синхронная и синфазная работа ГОпер и ГОпр, причем правильное декодирование и распределение сигналов по соответствующим телефонным каналам и каналам передачи СУВ обеспечиваются приемником синхросигналов (Пр. СС). Устройство разделения (УР) разделяет кодовые группы телефонных каналов и каналов СУВ. Приемник групповых сигналов управления и взаимодействия (Пр. СУВ), управляемый импульсными последовательностями, поступающими от Г0пр, распределяет СУВ по своим каналам, а декодер преобразует групповой ИКМ сигнал в групповой АИМ сигнал. Канальные импульсные последовательности, поступающие от ГОпр, поочередно открывают временные селекторы (ВС) каналов, обеспечивая выделение отсчётов каждого из каналов из группового АИМ сигнала. Восстановление исходного (непрерывного) сигнала из последовательности его АИМ отсчётов производится с помощью ФНЧ.

Передача сигналов в обратном направлении осуществляется аналогично.

Рис. 3.1 Структурная схема оконечной станции

Рис. 3.2. Временные диаграммы цикла и сверхцикла

3.2 Структура цикла передачи

Для нашей системы цикловой сигнал первичного группообразования со скоростью 2048 кБит/с имеет во времени цикловую структуру. Структура первичного цифрового канала построена на следующих элементах: циклах (Ц), канальных интервалах (КИ), разрядах (Р).

Совокупность 32 КИ образуют цикл передачи.

Между циклами, канальными интервалами и разрядами выдерживаются следующие соотношения:

информационная ёмкость разряда-1 Бит;

частота повторения разрядов-256 кГц;

номинальная длительность разряда-488 нс;

количество разрядов в КИ -8;

нумерация разрядов-Р1 - Р8;

номинальная длительность КИ-3,9 мкс;

количество КИ в цикле-32;

нумерация КИ-КИ0 - КИ31;

частота повторения цикла-4 кГц;

номинальная длительность цикла-125 мкс.

Циклы первичного цифрового сигнала чередуются по типам Ц1 и Ц2, которые отличаются использованием нулевого канального интервала КИ0. Цикловой синхросигнал предаётся в КИ0 в нечётных циклах на позициях Р2 - Р8 и имеют вид 0011011, а в чётных циклах на позиции Р2 предаётся 1.

Разряд Р3 КИ0 Ц2 предназначен для передачи сигнала аварии на противоположную станцию, причём 0 соответствует нормальному состоянию, а 1 - аварийному.

Разряд Р7 КИ0 Ц2 используется для передачи сигналов служебной связи на противоположную станцию. В канальных интервалах КИ1 - КИ15 и КИ17 - КИ31 передаётся информация соответствующая 30 каналам ТЧ.

Канальный интервал КИ16 может быть использован для передачи дискретной информации со скоростью 64 кБит/с.

.3 Структурная схема каналообразующей аппаратуры

Структурная схема каналообразующей аппаратуры с групповым кодированием представлена на рис. 3.3.

Каналообразующая аппаратура состоит из индивидуального оборудования, включающего в себя 30 приёмо - передатчиков тональной частоты (ПП) и один приёмо - передатчик основного цифрового канала (ОЦК) с пропускной способностью 64 кБит/с на месте анального интервала КИ16.

Сопряжение ОЦК с групповым цифровым потоком 2048 кБит/с осуществляется с помощью мультиплексора дискретной информации (МДИ).

Рассмотрим прохождение информационного сигнала.

Низкочастотные аналоговые сигналы отдельных каналов объединяются на выходах приёмо - передатчиков в групповой АИМ -сигнал первого рода (АИМ-1) с временным уплотнением каналов. Затем сигналы АИМ - 1 поступают на вход кодера, в котором осуществляется нелинейное аналого-цифровое преобразование.

Для обеспечения требуемой защищённости против внятных переходных помех между каналами и снижения влияния шумов, поступающих на вход аналого-цифрового преобразователя здесь все 30 каналов ТЧ разделяются на две группы четных и нечетных каналов. В соответствии с этим используются два отдельных кодера на каждую группу каналов. На рис 3.4 приведены временные диаграммы, в пределах цикла передачи 125 мкс, группового АИМ-сигнала (АИМ-I) на входе кодера для двух групп каналов (рис.3.4б,е) и группового сигнала АИМ-2, формируемого в аналоговой части кодера (рис. 3.4 в,ж). На этом рисунке показаны номера канальных интервалов КИ (а) и каналов ТЧ (к).

После аналого - цифрового преобразователя сигналы двух групп каналов в цифровой форме поступают на вход устройства объединения (рис. 3.4 г,з). Кроме того, в УО объединяются в один цифровой поток также следующие каналы:

• сигнал дискретной информации, поступающий от МДИ;
• цикловой синхросигнал передачи;
• сигналы от устройства контроля и сигнализации;
• сигналы служебной связи.

Временные диаграммы кодовых групп после их считывания в устройстве объединения для их расстановки в соответствии со структурой цикла передачи показаны на рис. 3.4 д, и.

С выхода устройства объединения сигнал поступает на преобразователь кода ПК Пер, в котором происходит преобразование однополярного первичного сигнала в биполярный сигнал.

На приёме первичный цифровой сигнал через преобразователь кода приёма (ПК Пр) поступает на выделитель тактовой частоты (ВТЧ); приёмник циклового синхросигнала (ПС) и декодер.

В устройстве ВТЧ выделяется тактовый сигнал 2048 кГц, необходимый для запуска распределителя импульсов приёма РИ Пр.

В устройстве ПС анализируется первичный цифровой сигнал с целью выработки, синхронизирующего распределитель импульсов приёма.

В декодере осуществляется декодирование сигналов, передаваемых по каналам ТЧ и осуществляется запрет сигнала, передаваемого в КИ16, так как он используется для передачи дискретной информации.

• 3.4 Приёмо - передатчик

Приёмо - передатчик предназначен для преобразования непрерывного аналогового сигнала канала ТЧ в АИМ - сигнал на передаче и обратного преобразования сигнала на приёме. Предаваемый сигнал через согласующий трансформатор Т1 поступает на Ф Пер, имеющий полосу пропускания 300 - 3400 Гц и обеспечивающий подавление частоты 50 Гц на 24 дБ. Кроме того, Ф Пер преобразует непрерывный аналоговый сигнал в сигнал АИМ - 2 со скважностью единица. Модулятор представляет собой два электронных ключа, которые замыкаются синхронно с частотой 8 кГц на время 3,9 мкс импульсной последовательностью, поступающей с генераторного оборудования передачи ГО Пер. модулятор преобразует прямой и инвертированный сигналы с помощью усилителя (УС) сигналы ТЧ соответственно в прямой и инвертированный сигналы АИМ передачи с временным делением каналов, которые по симметричной шине объединяющей группы каналов (чётные или не чётные каналы), поступают на вход кодера.

Рис. 3.4 Временные диаграммы группового АИМ - сигнала

Принимаемый сигнал ТЧ выделяется из группового АИМ - сигнала временным селектором (ВС). Схема выборки и хранения (СВХ) увеличивает скважность сигнала АИМ - 2 до единицы. Приёмный фильтр низких частот (ФНЧ Пр) восстанавливает форму исходного сигнала. Затем телефонный сигнал с симметричного выхода ФНЧ Пр через согласующий трансформатор поступает на выход канала ТЧ.

.5 Устройство объединения

Устройство объединения предназначено для:

формирования сигналов цикловой синхронизации;

объединения в групповой ИКМ - сигнал сигналов двух кодеров, сигналов цикловой синхронизации и сигнала передачи дискретной информации;

формирования сигнала строб компаратора.

Рис. 3.5.

4. РАЗРАБОТКА АИМ - МОДУЛЯТОРА

Амплитудно-импульсные модуляторы ЦСП осуществляют дискретизацию аналоговых сигналов в тракте передачи. В качестве таких устройств применяются быстродействующие электронные ключи, управляемые импульсным напряжением. Параметры АИМ - модуляторов во многом определяют параметры СП в целом и оказывают большое влияние на уровень шумов /9/.

Проникновение импульсного управляющего напряжения или остатка на выход модулятора приводит к смещению произвольным образом амплитуды импульса АИМ сигнала на входе кодера и увеличению погрешности при выполнении операций квантования и кодирования, что вызывает возрастание шумов в канале. Увеличению шумов в канале способствует также проникновение с ВС на вход ФНЧ тракта приема остатков управляющих импульсов.

Рис. 4.1 Последовательно-балансная схема модулятора

Мощность остатков управляющих импульсов не должна превышать 0,001 пикового значения мощности сигнала. Это достигается применением балансовых схем модуляторов и ВС. Требования к балансировке ВС могут быть несколько снижены, тай как затухание ФНЧ-3,4 в тракте приема на частоте 8 кГц достаточно велико.

К амплитудно-импульсным модуляторам предъявляют весьма высокие требования по быстродействию и линейности амплитудной характеристики в широком диапазоне частот и входных сигналов. От их быстродействия зависит уровень переходной помехи между каналами, а от линейности амплитудной характеристики - нелинейных искажений.

В качестве электронного ключа можно использовать диодный мост. Такой диодный мост изображен на рис 4.1. Управление работой диодов осуществляется с помощью напряжения импульсной несущей. Эта схема является одной из разновидностей балансных схем модуляторов. Она наиболее, удобна для применения, так как не требует дифференциальных, трансформаторов. Для обеспечения баланса моста, что исключает проникновение на выход схемы ключа остатков управляющего напряжения, необходим подбор диодов по параметрам. На практике используются интегральные сборки, в которых диоды выполнены на одном кристалле и обладают практически одинаковыми параметрами.

Для выполнения последующих операции квантования и кодирования необходимо преобразовать сигнал АИМ-I в АИМ-II, при этом длительность последнего должна быть достаточной для проведения этих операции. В цифровых СП наибольшее распространение получила схема, в которой сигналы АИМ-I всех каналов объединяются в групповой сигнал АИМ-I и преобразование сигналов АИМ-I в АИМ-II происходит в групповом тракте. Структурная схема преобразования сигналов АИМ-I в АИМ-II в групповом тракте приведена на рис 4.2, а, а на рис. 4.2, б приведены временные диаграммы, поясняющие работу схемы.

Схема содержит электронные ключи, накопительный конденсатор и операционные усилители Ключи Кл1 на входе являются амплитудно- импульсными модуляторами каналов и включаются поочередно (их число равно числу каналов). Ключ Кл2 работает одновременно с Кл1 и подключает на короткое время заряда фз накопительный конденсатор С, который заряжается до уровня амплитуды АИМ сигнала Ключ Кл2 работает под управлением напряжения Uу. Для уменьшения времени заряда конденсатора усилитель Ус, имеет достаточно малое выходное сопротивление. Далее ключи Кл1 и Кл2 размыкаются. Благодаря высокому вход ному сопротивлению усилителя Ус обеспечивается практически постоянное напряжение заряда конденсатора на весь период квантования и кодирования сигнала Для полготовки накопительного конденсатора к следующему отсчету сигнала АИМ-I он разряжается на землю. Это производится подачей напряжения Uр на Кл3. Длительность импульса АИМ-II будет определяться как tАИМ-II=1/(Nfд), гдеfд- частота дискретизации, N- число каналов.

а)

б)

Рис. 4.2, Структурная схема группового АИМ тракта (а) и временные диаграммы, поясняющие ее работу (б)

Реальное время кодирования tкод,£ tАИМ-II-tз-tр.

Функциональная схема группового тракта АИМ сигнала показана на рис.4.3. Распределитель канальный (РК), входящий в состав ГОпер, формирует импульсы управления работой ключей. В схеме имеется дополнительный ключ Кл4, выполненный на транзисторной сборке, для разряда на землю элементов группового тракта сигналов АИМ-I Он работает одновременно с ключом Кл3 разряда накопительного конденсатора. На выходе схемы два инвертирующих усилителя Ус2 и Ус3 включены последовательно для получения симметричного сигнала относительно земли. Это позволяет значительно уменьшить влияние помех, наводимых на вход кодера, и в 2 раза увеличить амплитуду сигнала. Исходя из выше сказанного будем использовать данную схему в системе первичного группообразования.

Рис 4.3 Функциональная схема группового АИМ тракта

. РАЗРАБОТКА КОДИРУЮЩЕГО И ДЕКОДИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВ

.1 Принципы построения кодирующих и декодирующих устройств

По принципам действия кодирующие и декодирующие устройства (кодеки) делятся на три основные группы счетного типа, взвешивающего типа и матричные.

Кодер с линейной шкалой квантования называется линейным, а с нелинейной - нелинейным. Аналогичное определение относится и к декодерам. В цифровых СП с ИКМ применяются кодеры и декодеры (кодеки) с нелинейной шкалой, однако они строятся на базе кодека с линейной шкалой квантования. Поэтому вкратце рассмотрим вначале принцип построения и работу последних.

.2 Кодеки с линейной шкалой квантования

Наиболее просто двоичное кодирование осуществляется в кодерах взвешивающего типа. Принцип работы таких кодеров заключается в уравновешивании кодируемых отсчетов эталонными токами или просто эталонами с определенными весами (значениями). Кодирование в этом случае можно представить как процесс поэтапного взвешивания на чашечных весах, снабженных указателями "больше - меньше". На одну чашу весов помещается кодируемый отсчет, а на другую последовательно устанавливают эталоны (гири), начиная с эталона наибольшего веса. На каждом из этапов (тактов) взвешивания по указателю "больше - меньше" принимают соответствующее решение: если отсчет тяжелее эталона, то последний оставляют на чаше весов и добавляют эталон следующего меньшего веса. В противном случае первый эталон снимают и устанавливают эталон меньшего веса. Очевидно, что по окончании взвешивания отсчет будет уравновешен эталонами, сумма которых с точностью до эталона наименьшего веса будет равна "весу" отсчета. Значение эталона наименьшего веса и будет максимально возможной ошибкой квантования. Если результат каждого из этапов взвешивания записать, отмечая единицей оставления эталона на чаше весов, а нулем его снятие, то после взвешивания получим запись "веса" отсчета в двоичном виде.

.3 Кодеки с нелинейной шкалой квантования

Необходимое качество передачи сигналов, достигается при выполнении квантования с неравномерной шкалой. Построение такой квантующей характеристики может осуществляться различными методами. Один из них - это применение аналогового компандера в сочетании с линейным кодером и декодером. В современных СП с ИКМ вместо плавной амплитудной характеристики, которую имеют аналоговые компандеры, применяются сегментные характеристики. Они представляют собой кусочно - ломаную аппроксимацию плавных характеристик, при которой изменнение крутизны происходит дискретными ступенями. Наибольшее распространение получила сегментная характеристика типа А - 8 7,6/13, где аппроксимация логарифмической характеристики компрессирования производится по так называемому А-закону, соответствующему выражениям

(5.1)

Здесь A = 87,6 - коэффициент компрессии, а сама характеристика строится из 13 сегментов. Такая характеристика показана на рис 5.1. Она содержит в положительной области сегменты С1 - С8, находящиеся между точками (узлами) 0 - 1, 1 - 2, …, 7 - 8.

Аналогичным образом строится характеристика для отрицательной области значений входного сигнала. Четыре центральных сегмента (два в положительной и два в отрицательной областях) объединяются в один центральный сегмент, поэтому общее число сегментов на двухполярной характеристике равно 13. Каждый из 16 сегментов характеристики содержит по 16 шагов (уровней) квантования, а общее число уровней равно 256, из них 128 положительных и 128 отрицательных.

Каждый сегмент начинается с определенного эталона, называемого основным. Эти эталоны на рис. 5.6 указаны в начале каждого сегмента. Шаг квантования внутри каждого сегмент равномерный, а при переходе от одного к другому сегменту изменяется в 2 раза, начиная с центрального сегмента, куда входят C1 и C2. Значения основных и дополнительных эталонов шагов квантования даны в табл. 5.1.

Рис. 5.1 Характеристика компрессии типа А-87,6/13

Все эталонные значения в табл. 5.1 приведены в условных единицах по отношению к минимальному шагу квантования. Сочетание дополнительных эталонов позволяет получить любой из 16 уровней квантования в данном сегменте. При изменении шага квантования изменяется крутизна характеристики. Изменение крутизны происходит в точках (узлах) характеристики. Четыре и центральных сегмента (два в положительной и два в отрицательной областях характеристики) имеют одинаковую крутизну и равные шаги квантования. При таком построении характеристики минимальный шаг квантования dmin будет в сегментах С1 и C2, а максимальный dmax - в сегменте C8. Причем отношение dmax/dmin составляет 26 или 64. Это значение примерно характеризует параметр сжатия для сегментной характеристики компандирования или параметр A. Точное значение данного параметра для непрерывной характеристики типа A определяется из выражения

(5.2)

где nc число сегментов; при числе сегментов nc = 8 имеем A = 87,6.

Таблица 5.1

Номер сегментаКодовая Комбинация Номера сегментаЭталонные сигналыШаг КвантованияЭталонные сигналы коррекцииОсновнойДополнительные1 2 3 4 5 6 7 8000 001 010 011 100 101 110 111- 16 32 64 128 256 512 10248 8 16 32 64 128 256 5124 4 8 16 32 64 128 2562 2 4 8 16 32 64 1281 1 2 4 8 16 32 641 1 2 4 8 16 32 640,5 0,5 1 2 4 8 16 32

Эффективность рассмотренной характеристики можно оценить визуально, если обратить внимание на то, что 112 ypoвней из 128 используется для квантования сигналов, амплитуда которых не превышает половины максимальной, 64 уровня - для квантования сигналов, амплитуда которых не превышает 6,2 % максимальной.

Рассмотрим особенности этапов кодирования и декодирования сигналов при нелинейной характеристике квантования. В случае сегментной характеристики компрессии типа А-87,6/13 для кодирования абсолютных величин отсчётов необходимо 11 эталонов с условными весами, равным 20, 21, 22, 23, …, 210 усл. ед., или 1, 2, 4, 8, …, 1024 усл. ед. При линейном кодировании такая характеристика эквивалентна характеристике квантования с 2048 уровнями. Для кодирования 2048 положительных и 2048 отрицательных уровней требуется 12-разрядная кодовая группа. При нелинейном кодировании для обеспечения такой же защищенности Акв > 25 дБ потребуются 128 положительных и 128 отрицательных уровней, а кодовая группа должна быть 8-разрядной.

Примем шаг линейного квантования d, тогда значение эталонных токов будет d, 2d, 4d,..., 2m-1d, где т - разность кодовой комбинации.

Кодирование осуществляется за восемь тактов и включает три основных этапа, на которых определяется и кодируется:

полярность входного сигнала;

номер сегмента, в котором заключен кодируемый отсчет;

номер уровня квантования сегмента, в зоне которого заключёна амплитуда кодируемого отсчета.

Первый этап кодирования осуществляется за первый такт, второй этап за второй - четвертый такты, третий этап - за пятый - восьмой такты кодирования.

На первом этапе определяется и кодируется полярность отсчета. На втором этапе определяется и кодируется узел характеристики, определяющей начало сегмента, в котором находится амплитуда кодируемого отсчета, например: узла 0, если отсчет находится в сегменте 1; узла 1, если отсчет находится в сегменте 2; узла 2, если отсчет находится в сегменте 3, и т. д. Для этого выбирается алгоритм работы, обеспечивающий определение узла характеристики за три такта кодирования. В первом такте кодирования амплитуда отсчета Iс сравнивается с эталонным током Iэт4. Если Ic > Iэт4, то это означает, что Iс находится в сегментах 5 - 8 характеристики, и вместо тока Iэт4 включается ток Iэт6. Если при сравнении окажется, что Iс < Iэт4,то это означает нахождение Iс сегментах 1 - 4 характеристики, и вместо тока Iэт4 включается ток Iэт2. Далее в зависимости от результата сравнения на втором этапе кодирования включается, если Iс > Iэт6, ток Iэт7 или, если Iс < Iэт6, - ток Iэт5. Аналогично подбираются эталоны, если на втором этапе был включен Iэт2. Результат сравнения в третьем и также кодирования позволяет окончательно выбрать номер узла характеристики, определяющей начало сегмента. Результат представляется двоичной кодовой комбинацией, занимающей разряды 2 - 4 кодовой группы. Кодовые комбинации номера сегмента даны в табл. 5.1.

На третьем этапе определяется и кодируется номер уровня квантования внутри выбранного сегмента, в зоне которого находится амплитуда кодируемого отсчета. Необходимо напомнить, что число шагов квантования внутри сегмента равно 16, шаг квантования равномерный и равен dс, причем для каждого сегмента свой. Третий этап осуществляется за четыре такта методом линейного кодирования. При кодировании в дополнение к основному эталону, определяющему начало сегмента, подключаются дополнительные эталоны с весами 8dс,4dс, 2dс, dс (см. табл. 5.1). В результате сравнения определяется номер уровня квантования в зоне которого находится амплитуда отсчета.

Итак, после выполнения указанных операций получает разрядная кодовая комбинация двоичных символов, 1-й разряд которой указывает полярность кодируемого отсчета, (2 - 4) - разряды - номер сегмента узла характеристики компрессии (5 - 8) - й разряды - номер шага квантования внутри того сегмента в зоне которого заключена амплитуда кодируемого отсчета, например, кодовая комбинация двоичных символов 11011010 означает, что кодированию подлежит отсчет положительной полярности амплитуда которого находится в сегменте 6 и заключена в зоне 10-го уровня квантования этого сегмента, на характеры компрессии соответствует сигналу с амплитудой в зоне 90 - го уровня квантования.

При декодировании осуществляется обратное цифро - аналоговое преобразование. Характеристика экспандирования нелинейного декодера должна быть обратной характеристике компрессии нелинейного кодера (рис. 5.2).

Входным сигналом декодера является 8-разрядная кодовая группа, несущая информацию о полярности и величине отсчета. В соответствии со структурой принятой кодовой комбинации цифровые ЛУ выбирают основной эталон, соответствующий началу сегмента, и необходимые дополнительные эталоны, суммарный ток которых определяет величину кодируемого АИМ сигнала. Например, при декодировании комбинации двоичных символов 11011010 будут включены источник эталонных токов положительной полярности и эталонные токи с весами, равными основному эталону узла 6, который равен 256 усл. ед., второму и четвертому дополнительным эталонам сегмента 6, что в сумме составит 256 + 128+32 = 416 усл. ед.

Учитывая особенности построения нелинейной характеристики квантования декодера, которая аналогична paccмотренным ранее характеристикам линейного декодера, для уменьшения искажений при декодировании используется ещё один 12 - й эталон.

Значение этого эталона для каждого сегмента своё и равно половине шага квантования в данном сегменте. Эталоны коррекции приведены в табл. 5.1.

Структурная схема нелинейного кодера взвешивающего типа с цифровой компрессией эталонов изображена на рис. 5.3. Кодер содержит компаратор (К), блок выбора и коммутации эталонных токов (БКЭ), генератор положительных (ГЭТ1) и отрицательных (ГЭТ2) эталонных токов, компрессирующих логику (КЛ), цифровой регистр (ЦР) и преобразователь кода (ПК). Компаратор определяет знак разности между амплитудами токов кодируемого отсчёта Ic и эталона Iэт. Генератор эталонов формирует полярность и значения эталонов. Цифровой регистр служит для записи решений компаратора после каждого такта кодирования и формирования структуры кодовой группы. В зависимости от решений компаратора ЦР выбирает полярность ГЭТ и управляет работой КЛ. По мере образования кодовой комбинации формирователь считывает состояние выходов 1 - 8 ЦР, преобразует параллельный код в последовательный. Работой узлов кодера управляет устройство ГОпер.

Рис. 5.2. Характеристика экспандирования типа А-87,6/13

Принцип работы нелинейного кодера во многом аналогичен работе линейного. Работу нелинейного кодера можно показать на примере кодирования отсчета положительной полярности с амплитудой, равной 0,2 Im, что равно примерно 410 усл.ед.

В исходном положении выходы 1 - 8 ЦР находятся в cocтoянии 0, ГЭТ отключены и Iэт = 0. Кодируемый отсчет подаётся и на вход 1 компаратора. В момент, предшествующий первою такту кодирования, выход 1 ЦР переводится в состояние 1, чем включается ГЭТ1 положительной полярности. Ток Iэт = 0, а Iс = 0, поэтому на выходе компаратора (точка 3) в первом такте кодирования будет сформирован 0, и состояние 1 первого выхода ЦР сохранится. На этом заканчивается первый этап, в котором ycтанавливается и кодируется полярность отсчета.

Второй этап кодирования - определение и кодирование номера сегмента, в котором заключена амплитуда отсчета, начинается с того, что в состояние 1 переводится выход 2 ЦР и на вход 2 компаратора подается Iэт4 величиной 128 усл. ед. (узел 4 xapактеристики компрессии). Поскольку в этом случае Iс > Iэт, во втором такте кодирования на выходе компаратора будет сформирован 0, и состояние 1 второго выхода ЦР сохранится.

Далее эталон 128 усл. ед, снимается и в состояние 1 переводится выход ЦР, в результате чего на вход 2 компаратора вместо Iэт подаётся Iэт6 величиной 512 усл. ед. В этом случае Iс < Iэт поэтому в третьем такте на выходе компаратора будет сформирована 1, которая изменит состояние выхода 3 ЦР с 1 на 0. В состояние 1 переводится выход 4 ЦР и на вход 4 компаратора вместо Iэт6 подается Iэт5 величиной 256 усл. ед. Так как Iс > Iэт5, то в четвертом такте кодирования на выходе компаратора будет 0, и состояние выхода 4 ЦР сохранится. Итак, по окончании второго этапа кодирования выходы 2 - 4 ЦР будут отмечены состоянием 101 соответственно, что в двоичном коде определяет номер узла (сегмента), в пределах которого находится амплитуда кодируемого отсчета - узел 5 (сегмента С5).

Рис. 5.3 Структурная схема нелинейного кодера

Третий этап кодирования - определение и кодирование номера уровня квантования сегмента, в пределах которого находится амплитуда отсчета Iс. Таких уровней квантования в пределах каждого сегмента 16, и все они могут быть получены с помощью дополнительных эталонных значений (см. табл. 5.1).

Для данного примера, когда Iс находится в сегменте С6, используются дополнительные эталонные значения 128, 64, 32, 16 усл. ед., а шаг квантования равен 16 усл. ед. В начале третьего такта кодирования в состояние 1 переводится выход 5 ЦР и к эталонному току 256 усл. ед. добавляется эталонный ток 128 усл. ед. Суммарный ток на входе 2 компаратора в этом случае составит 384 усл. ед. Поскольку при этом Iс > Iэт, в пятом такте кодирования на выходе компаратора будет 0 и состояние 1 на выходе ЦР сохранится.

В состояние 1 переводится выход 6 ЦР, и к эталонным токам 384 усл. ед. прибавляется эталонный ток 64 усл. ед. Суммарное значение эталонного тока на входе 2 компаратора составит 448 ус. ед., что больше Iэт6. Решение компаратора в шестом такте квантования будет 1, и состояние выхода 6 ЦР изменится с 1 на 0, что означает отключение эталонного тока 64 усл. ед. В состояние 1 переводится выход 7 ЦР и к эталонному току 384 усл. ед. добавится эталонный ток 32 усл. ед. Суммарное значение эталонного тока на входе 2 компаратора станет равным 416 усл. ед., что больше Iс. Поэтому в седьмом такте кодирования на выходе компаратора будет 1 и состояние выхода 7 ЦР изменится с 1 на 0, т.е. отключится эталонный ток 32 усл. ед. Наконец, в состояние 1 перейдёт выход 8 ЦР и к эталонному току 384 усл. ед. добавится эталонный ток 16 усл. ед. Суммарное значение эталонного тока на входе 2 компаратора станет равным 400 усл. ед. Решением компаратора в восьмом такте кодирования будет 0 и состояние 1 выхода 8 сохранится. Таким образом, по окончании третьero этапа кодирования выходы 5 - 8 ЦР будут иметь состояние 1001, что в двоичном коде указывает на 9-й уровень квантования, находящийся в сегменте С6.

Отсчет с амплитудой 0,2 Im (410 усл. ед.) закодированный 8 разрядной кодовой комбинацией 11011001, указывающей, что кодируемый отсчет имеет положительную полярность, находится в зоне 89-го уровня квантования и имеет вес 400 усл. ед. Нетрудно заметить, что в данном случае ошибка квантования составит 10 усл. ед. По мере завершения тактов кодирования ПК считывает состояние выходов 1 - 8 ЦР, преобразуя параллельный код в последовательный.

Декодер осуществляет цифро-аналоговое преобразование кодовых групп сигнала ИКМ в АИМ сигнал, т. е. в отсчёт нужной полярности и амплитуды. Принцип построения нелинейного декодера взвешивающего типа с цифровым экспандированием эталонов ясен из рис. 5.4.

Рис. 5.4 Структурная схема нелинейного декодера

Декодер содержит цифровой регистр (ЦР), блок экспандирующей логики (ЭЛ), блок выбора и коммутации эталонных токов (БКЭ) и два генератора эталонных токов положительной (ГЭТ1) и отрицательной (ГЭТ2) полярностей.

Восьмиразрядная кодовая группа принятого ИКМ сигнала записывается в ЦР, формируясь на его выходах 1 - 8 в виде параллельного 8-разрядного двоичного кода. Первый разряд этой кодовой комбинации определяет полярность включаемого ГЭТ, а (2 - 8) - й разряды - номер сегмента и уровень квантования на характеристике экспандирования. В соответствии с принятой кодовой комбинацией включаются соответствующие эталоны, от суммарного тока которых зависит величина (амплитуда) декодированного отсчета АИМ сигнала. Так, при декодировании кодовой комбинации 11011001 включаются ГЭТ1 и ключи эталонных токов 256, 128, 16 с суммарным значением 400 усл. ед.

Как отмечалось ранее, для уменьшения искажений при декодировании используется еще 12-й корректирующий эталон, paвный по значению 0,5 шага квантования сегмента. Для данного примера корректирующий эталонный ток равен 8 усл. ед. и общее суммарное значение токов составит 408 усл. ед. /1/.

.4 Выбор структурной схемы кодирующего и декодирующего устройства

Для проектируемой системы связи при оптимальном качестве передачи информации лучше всего подходят нелинейные кодеки взвешивающего типа.

Кодирующее устройство предназначено для нелинейного аналого - цифрового преобразования сигнала в восьмиразрядные кодовые комбинации.

В кодере осуществляется закон компандирования, соответствующей характеристике А = 87,6 с тринадцатью сегментами.

Аналого - цифровое преобразование имеет следующие параметры:

Число разрядов- 8:

Число уровней квантования - 256;

Отношение наклона смежных сегментов-2;

Частота дискретизации-8 кГц.

Аналого - цифровое преобразование в кодере включает в себя инверсию чётных разрядов. Уровень перегрузки кодирующего устройства соответствует уровню синусоидального входного сигнала, превышающий номинальный уровень на 3, 14 дБ.

В основу построения кодера положен метод поразрядного уравновешивания. Сигнал отсчёта АИМ - 2 многократно сравнивается с эталонными сигналами, которые включаются таким образом, что разность амплитуд этих сигналов в конце цикла кодирования не превышала одного шага квантования.

Функциональная схема кодера представлена на рис. 5.4 и содержит следующие узлы:

амплитудно-импульсный модулятор АИМ - 2;

компаратор;

формирователь эталонных сигналов, включающий в себя два одинаковых преобразователя тока (ПТ) и преобразователь код - ток (ПКТ);

дешифратор;

регистр управления;

формирователь выходного сигнала кодера;

устройство коррекции нуля кодера;

схему ввода сигналов контроля и коррекции нуля кодера;

логику реверса;

Входной сигнал поступает на вход модулятора АИМ - 2, где осуществляется дискретизация во времени. На выходе АИМ - 2 формируются последовательности импульсов с плоской вершиной и амплитудами, пропорциональными по величине входных сигналов в моменты дискретизации. Сигнал АИМ - 2 поступает на компаратор, где происходит сравнивание его с эталонами формируемыми ФЭС.

Устройство коррекции нуля кодера обеспечивает симметрию квантующей характеристики кодера относительно нулевого значения входного сигнала.

Основной особенностью данной схемы кодера является то, что в формирователе эталонных сигналов используется 5 эталонных генераторов тока (с условным весом 210, 29, 28, 27, 26 усл. ед.). Компрессия суммарного эталонного тока осуществляется путём коммутации узлов декодирующей матрицу R - 2R (рис. 5.5). Такое построение ФЭС упрощает цифровую часть нелинейного кодера, имеющего 13 - сегментную квантующую характеристику.

Работа кодера поясняется временными диаграммами на рис. 5.6. В момент времени t0 производится определение полярности входного сигнала. Компаратор формирует импульсы на одном из выходов Обр. связь А или Обр. связь В в зависимости от значения знака d или , формируемого из этих сигналов, логика реверса подключает выходы дешифратора к одному из преобразователей тока.

Одновременно в момент времени t0 начинается поиск сегмента характеристики компрессии, в пределах которого находится амплитуда данного отсчёта сигнала. При этом в ПКТ включается старший эталон и ключ S4 в преобразователе тока на выходе матрицы имеем эталонный ток Iэт = 128 усл. ед.(т. к. ток от источника 16I = 2048 усл.ед. проходит через S4 и компрессируется в матрице в 8 раз). Затем в следующий момент по решению компаратора в дешифраторе вырабатывается сигнал, который включает ключ S4 и включает ключ S2 или S6. Поиск сегмента длится в течении трёх тактов кодирования. В результате в преобразователе тока остаётся включенным только один ключ.

Алгоритм поиска сегмента показан на рис. 5.7. В последних четырёх тактах кодирования производится линейное поразрядное уравновешивание разности входного и эталонного сигналов с помощью генераторов эталонного токов в ПКТ (8J, 4J, 2J).

Рис. 5.4 Функциональная схема кодирующего устройства

Кодер по принципу действия можно функционально разделить на два устройства:

кодер - аналоговая часть;

регистр кодера.

Аналоговая часть кодера предназначена для выполнения следующих функций:

формирования группового сигнала АИМ - 2, имеющего плоскую вершину импульса;

формирование эталонных сигналов;

сравнения амплитуды импульсов АИМ - 2 с величиной эталонного сигнала.

Рис. 5.7 Алгоритм поиска сегмента амплитудной характеристики кодера

Функциональная схема аналоговой части кодера представлена на рис 5.8 и содержит:

два усилителя УС1, УС;

два ключа S1,S2;

конденсатор Cx р;

формирователь импульсов (ФИ);

компаратор;

схему согласования;

формирователь эталонных сигналов;

аналоговую часть устройства коррекции нуля;

логические схемы коммутации эталонных источников;

схему ввода сигналов контроля и коррекции нуля.

С целью обеспечения лучшей помехозащищённости аналоговую часть кодера лучше представить по симметричной схеме.

Усилители УС1, УС2 предназначены для использования в качестве источников входного сигнала.

Ключи S1 и S2 подключают конденсатор Cx p к выходам усилителей УС1 и УС2 на время выборки аналогового сигнала, равное 0,3 мкс. Процесс выборки сигнала представляет собой процесс перезаряда конденсатора Cx p, в результате которого напряжение на конденсаторе равно напряжению на выходах УС1 и УС2.

Конденсатор Cx p предназначен для формирования плоской вершины импульсов АИМ - сигнала, образующейся в процессе запоминания на время кодирования.

ФИ управляет работой ключей S1 и S2.

Дифференциальный усилитель имеет большое входное сопротивление, что обеспечивает малый ток утечки конденсатора Cx p во время запоминания аналогово сигнала и, кроме того, служит для согласования выходного сопротивления модулятора со входом компаратора и обеспечения необходимого усиления сигнала.

Компаратор предназначен для сравнения амплитуды импульсов АИМ - 2 с величиной эталонного сигнала и формирования символов двоичного кода по результатам сравнения. Схема согласования служит для преобразования сигналов с выхода компаратора в сигналы, которые согласуются с цифровой частью кодера.

Формирователь эталонных сигналов (ФЭС) предназначен для формирования эталонных сигналов и включает в себя два одинаковых преобразователя тока (ПТ) и преобразователь код - ток (ПКТ).

Рис.5.5 Функциональная схема формирователя эталонных сигналов

Рис. 5.6 Временные диаграммы работы кодера

Логические схемы коммутации предназначены для подключения ФЭС к одному из входов компаратора

Аналоговая часть устройства коррекции нуля кодера предназначена для обеспечения симметрии квантующей характеристики кодера относительно нулевого значения входного сигнала.

Коммутатор сигналов контроля кодера и коррекции нуля кодера предназначен для ввода этих сигналов на вход кодера.

Регистр кодера предназначен для записи и хранения символов двоичного кода, формируемых компаратором, а также для формирования выходного сигнала кодера и для управления аналоговой частью коррекции нуля.

Рис.5.8 Функциональная схема аналоговой части кодера

Рис. 5.9 Функциональная схема регистра кодера

Функциональная схема регистра кодера представлена на рис. 5.9 и содержит следующие узлы:

регистр управления;

дешифратор;

формирователь выходного сигнала;

регистр сдвига;

схема формирования знака;

схема формирования строба;

цифровая часть схемы коррекции нуля кодера.

Регистр управления служит для записи и хранения символов двоичного кода, поступающего с выхода формирователя обратной связи Z.

Формирователь сигнала Z и строба S формирует сигналы со следующим алгоритмом:

где A и B - сигналы Обр. связь А и Обр. связь B

d1 - символ знакового разряда.

Дешифратор предназначен для формирования импульсных последовательностей для управления преобразователями тока в устройстве Код. АЧ.

Выражения для формирования сигналов управления ключами преобразователя тока имеют вид:

где B,C,D - сигналы с выходов регистра управления.

Формирователь выходного сигнала кодера преобразовывает параллельный код, снимаемый с выхода регистра управления в последовательный код с инверсией чётных разрядов, который поступает затем в устройство объединения.

Схема формирования знака d1 служит для хранения информации о полярности кодируемого сигнала в течении цикла кодирования.

Цифровая часть коррекции нуля предназначена для формирования сигналов управления аналоговой частью коррекции нуля. Коррекция нуля кодера осуществляется в интервалах КИ0, КИ16 в цикле 1 передачи.

Регистр сдвига предназначен для управления работой узлов кодера. На выход регистра сдвига вырабатывается сетка разрядов Р1 - Р8. Временные диаграммы регистра кодера представлены на рис 5.10.

Управляют работой регистра импульсные последовательности Р1 - Р8 с выхода регистра сдвига и разряд Р7 с выхода РИ Пер.

.5 Декодирующее устройство

Декодер предназначен для преобразования нелинейного цифрового сигнала в полуинверсном коде с законом компрессии А87,6/13 в пробы аналогово сигнала (АИМ - 2).

Функционально декодирующее устройство (декодер) так же как и кодирующее устройство (кодер) можно разделить на две части - аналоговую и цифровую.

Функциональная схема декодера представлена на рис. 5.11.

Аналоговая часть декодера состоит из следующих функциональных узлов:

формирователь эталонных сигналов, состоящий из двух одинаковых преобразователя тока (ПТ) и преобразователя код - ток (ПКТ);

дешифратор номера сегмента, управляющий преобразователями тока;

дифференциальный усилитель (ДУ) для формирования биполярного сигнала АИМ - 2 и однополярных проб, образующихся на выходе ПТ1 или ПТ2;

аналоговое запоминающее устройство (АЗУ);

Основными функциональными узлами цифровой части являются:

преобразователь последовательного кода в параллельный, состоящий из регистра сдвига и регистра памяти;

коммутатор сигналов;

рис.5.12 Временные диаграммы регистра кодера

5.6.Принцип работы декодера

Принцип работы декодера поясняется временными диаграммами рис.5.12.

Символы кодового слова D1 - D8 последовательно поступают на вход регистра сдвига. В момент времени t на входах регистра восемь разрядов кодового слова d1 - d8 представлены в параллельной форме (рис. 5.12 в - е). Параллельный восьмиразрядный код записывается в регистре памяти. Запись в регистр памяти осуществляется по переднему фронту разряда Р1 (рис. 5.12 л). код в этом регистре хранится в течении времени, необходимого для получения требуемой длительности отсчётов АИМ - сигнала декодера.

Импульсом Р8 осуществляется общий сброс регистра (рис.5.12 м).

Выходные сигналы разрядов регистра памяти управляют дешифратором и преобразователем код - ток (ПКТ). Сигналы четырёх младших разрядов регистра d5 - d8 включают источники эталонных токов ПКТ.

Суммарный эталонный ток с выхода ПКТ проходит через один из ключей ПТ на резисторную матрицу R - 2R, на выходе которой образуется отсчёт АИМ - сигналов только одной, отрицательной полярности.

Амплитуда этого отсчёта будет зависеть от комбинации символов D2 - D4 на выходах регистра памяти. Выбор одного из двух ПТ осуществляется в зависимости от значения знакового разряда D1.

Однополярный отсчёт АИМ - сигнала с выхода ПТ1 (ПТ2) инвертируется (передаётся без изменения полярности) дифференциальным усилителем (ДУ). В результате на выходе имеет место биполярный АИМ - сигнал.

Цифровые сигналы контроля кодека вводятся на 1- ый и 17- ый канальные интервалы.

С выхода ДУ контрольный АИМ - сигнал поступает на аналоговое запоминающее устройство (АЗУ) системы контроля, где хранится до прихода очередной пробы контрольного АИМ - сигнала.

В 14 - ом и 30 - ом канальных интервалах цикла передачи пробы контрольного АИМ - сигнала поступают на вход кодера (Код. АЧ).

Рис 5.11 Функциональная схема декодирующего устройства

5.7 Разработка принципиальной схемы декодирующего устройства

Широкое внедрение цифровой техники во многом связано с появлением интегральных микросхем. Цифровые устройства, собранные на дискретных транзисторах и диодах, имеют значительные массу и габариты ненадёжно работают из-за большого количества элементов и особенно паяльных соединений. Интегральные микросхемы содержащие в своём составе десятки и сотни, тысячи, а в последнее время сотни тысяч и даже миллионы компонентов, позволили по новому подойти к проектированию цифровых устройств. Надёжность отдельной микросхемы мало зависит от количества элементов и близка к надёжности одиночного транзистора, а потребляемая мощность в пересчёте на отдельный элемент резко уменьшается по мере повышения степени интеграции.

В результате на интегральных микросхемах стало возможным строить сложнейшие устройства, изготовить которые без применения микросхем было бы совершенно невозможно. [7] Исходя из этого целесообразно строить проектируемое устройство используя современную базу интегральных микросхем.

Регистр сдвига представляет собой восьмиразрядный последовательный регистр, построенный на микросхеме 561 ИР2 (DD3).

Микросхема 561ИР2 - сдвигающий регистр (рис 5.13,а) имеющая две одинаковые независимые секции по четыре разряда. Каждая секция имеет три входа - вход R для установки триггеров в нулевое состояние, при подаче логической «1» на этот вход, вход С, по спадам импульсов отрицательной полярности на этом входе происходит запись информации со входа D в первый разряд регистра и сдвиг информации в сторону возрастания номеров. Коммутатор сигналов состоит из 4 - х микросхем К561 ЛА7 (DD3, DD9, DD12, DD13), которые представляют собой 4 элемента И - НЕ (рис. 5.13,б). Регистр памяти построен на двух четырёхразрядных регистрах К561ИР9 (DD15, DD16), работающих в режиме параллельной записи (рис. 5.13,в)

Рис. 5.12 Временные диаграммы работы декодера

Микросхема имеет четыре выхода и следующие входы: вход сброса R, вход для подачи тактовых импульсов C, вход выбора режима S, вход выбора полярности сигнала P, входы для подачи информации при последовательной записи J и K и входы для подачи информации при параллельной записи D1, D2, D3, D4. Вход R является преобладающим - при подаче на него логической «1» независимо от состояния других входов все триггеры микросхемы устанавливаются в «0». Если на входе R логический «0», возможна запись информации в триггеры микросхемы.

а)б)в)

Рис 5.13 Структура входов и выходов микросхем

При логической «1» на входе выбора режима S по спаду импульса отрицательной полярности на входе C произойдёт параллельная запись информации в триггеры регистра со входов D1 - D4. Если н входе S - «0», по спаду импульса отрицательной полярности на входе произойдёт запись информации со входов J и K в триггер с выходом 1 и сдвиг информации в остальных триггерах в сторону возрастания номеров выходов. Информация которая будет записана в первый триггер, определяется состоянием входов J и K перед подачей спада импульса отрицательной полярности на вход С. если объединить между собой входы J и K, будет производиться запись информации, имеющейся на этих объединённых входах. Если на вход J подать логический «0», а на вход K логическую «1», изменения информации в первом триггере по спаду импульса отрицательной полярности на входе С не произойдет. При логической «1» на входе J и логическом «0» на входе К первый триггер микросхемы переходит в счётный режим и меняет своё состояние на противоположное на каждый спад импульса отрицательной полярности на входе С.

Полярностью сигналов на выходах 1 - 4 регистра можно управлять подачей управляющего сигнала на вход Р - при логической «1» на этом входе выходные сигналы выдаются в прямом коде, при логическом «0» - инвертируются.

Одновременно с записью кода в регистре памяти осуществляется преобразование полуинверсного кода в простой двоичный код.

Микросхема DD15 работает в режиме инвертирования входной информации, а DD16 работает в режиме без инвертирования.

Таким образом инвертируются только чётные разряды кодового слова.

Формирователь эталонных сигналов (ФЭС) предназначен для формирования эталонных сигналов и включает в себя два одинаковых преобразователя тока (ПТ) и преобразователь код - ток (ПКТ). которые выполнены в виде гибридных интегральных схем (ГИС).

Преобразователь код - ток осуществляет линейные преобразования кодовой комбинации четырёх младших разрядов d5 - d8 в соответствующие значения тока на его выходе.

Преобразователь тока ослабляет ток ПТК в двоичное число раз в зависимости от того, на каком из восьми его входов присутствует сигнал управления с дешифратора; а также осуществляет преобразование тока в напряжение. Дешифратор номера сегмента построен на двух восьмиканальных мультиплексорах К561КП2, рис. 5.14, (DD5, DD6). В зависимости от комбинации символов D2 - D4 на входах А0, А1, А2 мультиплексора появляется сигнал на одном из его выходах Х1 - Х8, который является сигналом управления для ПТ. Выходной дифференциальный усилитель собран на трёх транзисторных парах 2ТС3103А (VT5, VT6, VT9), двух микросхемах 159 НТ1В (DA9, DA12) и двух транзисторах 2Т326Б (VT7, VT8).

Рис. 5.14 Мультиплексор К561КП2

ДУ имеет симметричный вход и несимметричный выход, и коэффициент передачи сигнала Ки = 1 ± 0,5 %. АЗУ собрано на 4 - х трехканальных мультиплексорах 561 КП1 (DD11) и полевых транзисторах 2П 103БР (VT10, VT11).

Транзисторы VТ3, VT4 и резисторы R9, R5 служат стабилизатором напряжения 12 В. Резисторы R6, R5, R17, R18, R28, R30, R31, R36 и ёмкости C2, C4, C8, C11, С5 служат фильтрами по питанию.

Ёмкость конденсатора хранения АИМ - пробы контроля равна 4700 пф.

6. РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА

.1 Структурная схема оптического линейного тракта

Дисперсионные явления в ОВ приводят к рассеянию во времени спектральных или модовых составляющих сигнала, т.е. к различному их времени распространения. Дисперсия ОВ (различие групповых скоростей различных составляющих оптического излучения) приводят к изменениям формы и длительности оптических импульсных сигналов, а также к их уширению. Эти искажения аналогичны фазочастотным (фазовым) искажениям и при определённых значениях могут вызвать межсимвольные или интерференционные искажения помехи при передаче импульсных сигналов.

Таким образом, прохождение оптических сигналов по ОВ сопровождается линейными частотными и фазовыми искажениям. Кроме того, при прохождении по ОВ происходит затухание и отражение оптического сигнала в разъёмных и неразъёмных соединителях строительных длин ОК и компонентов ВОСП.

Оптический сигнал, передаваемый по ОК, несмотря на большую защищенность последнего от влияния внешних электромагнитных полей подвергается воздействию помех обусловленных, обусловленных:

• шумами источников оптического излучения из-за дробовых явлений в светоизлучающих диодах (СИД) и лазерных диодах (ЛД), спонтанными рекомбинациями носителей, флуктуациями поглощения и рассеяния и вынужденной эмиссией;
• шумами токораспределения вследствие флуктуаций между различными излучаемыми модами, т.е. модовым шумом из-за интерференции мод, распространяющихся в ОВ;
• шумами из-за отражения оптического излучения от торцевой поверхности ОВ;
• дробовыми шумами pin фотодиода (pin ФД) и лавинного фотодиода (ЛФД) и их темновыми токами в приёмниках оптического излучения;

тепловыми шумами резисторов, транзисторов, усилителей и других электронных схем компонентов ВОСП.

Специфический вид шумов ВОСП ¾ квантовый, или фотонный, шум, носителем которого является сам оптический сигнал.

На вход приёмника оптического излучения вместе с полезным сигналом поступает и помеховое излучение, называемое фоновым. Для ОК оно в основном определяется тепловыми шумами среды распространения.

Качество передачи информации по ВОСП, как и по другим системам, передачи, оценивается минимально допустимым отношением сигнал/шум или защищённостью. Для цифровых ВОСП требуется защищённость не хуже 20…30 дБ, а для аналоговых ¾ не менее 50…60 дБ.

Совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу оптического излучения определённой длины волны и обеспечивающих компенсацию затухания светового потока, коррекцию сигналов, минимально допустимую защищённость или вероятность ошибки, называется оптическим линейным трактом (ОЛТ).

Структурная схема ОЛТ приведена на рис. 6.1, где приняты следующие обозначения:

ОП-А (Б) - оконечный пункт ВОСП, включающий в себя весь комплекс оборудования каналообразования, сопряжения и формирования оптического линейного сигнала (ОЛС);

ООЛТ - оборудование ОЛТ оконечного пункта, где происходит формирование ОЛС, параметры которого максимально согласованны с параметрами передачи ОВ, а также ввод его в ОВ с минимально возможными потерями и искажениями;

УССЛК - устройство стыка (согласования) станционного (объектового) ОК с линейным;

ТК - устройство телеконтроля, обеспечивающего контроль состояния ОЛТ и отображение информации о наличии неисправностей по состоянию датчиков контролируемых параметров и пунктов;

ТМ - устройство телемеханики;

СС - устройство служебной связи;

УДПпер - устройства передачи дистанционного питания необслуживаемых ретрансляционных пунктов (НРтП);

УВК-О - устройство ввода линейного ОК в оконечный, обслуживаемый и необслуживаемый ретрансляционные пункты;

ЛРт - линейный ретранслятор, осуществляющий компенсацию затухания ОК, соединителей, устройств ввода - вывода оптического излучения, коррекцию формы оптического и электрического сигналов, восстановления необходимых временных и спектральных соотношений в исходных сигналах;

УДПпр - устройств приёма и распределения дистанционного питания НРтП;

ООЛТпр - приёмное оборудование ОЛТ обслуживаемого ретрансляционного пункта (ОРтП);

ООЛТпер - передающее оборудование ОЛТ ОРтП;

АВ иПП - аппаратура выделения и переприёма групп каналов ОртП или ОП.

.2 Ретрансляторы

Основным элементом обслуживаемого и необслуживаемого ретрансляционных пунктов ОЛТ являются линейные ретрансляторы, обеспечивающие передачу оптического сигнала практически на любые расстояния с заданным показателем качества. От ЛРт зависят основные технико-экономические показатели ОЛТ и ВОСП в целом.

Структура ОЛТ и соответствующего ему ЛРт определяется выбранным способом передачи оптического и электрического сигнала (аналоговых, импульсный, цифровой),видом модуляции (МИ, АМ, ЧМ, ФМ и др), способом приёма (непосредственное детектирование, когерентный приём и др.).Рис. 6.1Схема оптического линейного тракта

В настоящее время в технике ВОСП наибольшее распространение получили простая и надежная модуляция интенсивности или мощности светового излучения ЛД или СИД аналоговым или цифровым электрическими сигналами и прямое детектирование промодулированного по интенсивности оптического излучения с помощью p-i-n ФД или ЛФД.

Оптические линейные тракты, как и ВОСП, подразделяются на цифровые и аналоговые.

Цифровым оптическим линейным трактом (ЦОЛТ) называется тракт где передаётся цифровой поток, интенсивность которого управляется цифровым электрическим сигналом, сформированным с помощью импульсно кодовой (ИКМ) или дельта - модуляции (ДМ).

Аналоговым оптическим линейным трактом (АОЛТ) называется тракт, где передаётся световой поток, интенсивность которого модулируется электрическим сигналом, сформированным с помощью аналоговых АМ, ЧМ, и ФМ или АИМ, ШИМ и ФИМ.

Такая классификация весьма условна и не охватывает перспективных методов модуляции параметров оптического излучения модуляторами на основе электро - и акустооптических явлений в соответствующих материалах.

Рис. 6.2 Структурная схема цифрового ретранслятора

Цифровые ретрансляторы или ретрансляционный ретранслятор (ЦРт) - устройство предназначенное для преобразования оптического сигнала в электрический, его регенерации и последующего преобразования в оптический.

Структурная схема ЦРт приведена на рис. 6.2, на схеме приняты следующие обозначения:

ОК - оптический кабель (станционный или линейный);

ОЭП - оптоэлектронный преобразователь (фотодетектор), выполненный на основе p -i - n ФД или ЛФД и предназначенный для преобразования оптического сигнала в электрический.

Пус - предварительный усилитель, достаточно широкополосный, усиливающий фототок с выхода фотодетектора ОЭП;

АК - амплитудный корректор, осуществляющий коррекцию частотных искажений, обусловленных частотной зависимостью параметров ОК и чувствительности фотодетекторов;

ПрФ - приёмный фильтр, предназначенный для подавления высокочастоных помех, параметры передачи которого (затухание и импульсная характеристика) максимально согласуется с параметрами информационного сигнала и его спектральной плотностью;

АРУ - устройство автоматической регулировки уровня, необходимое для компенсации изменений уровня входного сигнала, вызванных температурными изменениями параметров ОК, а также нестабильностью параметров ОЭП;

УУ - управляющее устройство, обеспечивающее изменение параметров передачи ОЭП под воздействием сигналов, поступающих с устройства АРУ. Как правило, УУ представляет управляемый источник напряжения смещения на p - i - n ФД или ЛФД;

Рег - регенератор - устройство, восстанавливающее форму электрических импульсов и тактовых интервалов или временных соотношений в информационных последовательностях или линейном коде;

ЭОП - электронно-оптический преобразователь - устройство, преобразующее последовательность электрических импульсов линейного кода в последовательность импульсов оптического излучения на выходе СИД или ЛД.

Основным элементом ЦРт является регенератор, структурная схема которого представлена на рис. 6.3, где приняты следующие обозначения:

УО - усилитель ограничитель, срезающий пиковые значения электрического сигнала, а следовательно и аддитивные помехи;

АРУ - автоматическое устройство регулировки усиления;

ПУ - пороговое устройство;

РУ - решающее устройство;

ВТЧ - выделитель ТЧ;

ФУ - формирующее устройство импульсов с заданными амплитудой, длительностью и формой.

Рис. 6.3 Структурная схема ретранслятора

Назначение основных элементов регенератора очевидно из рассмотрения временных диаграмм его работы (рис. 6.4)

Здесь 1 - 6 формы сигналов в различных точках (1 - 6 см. рис. 6.4) регенератора.

С выхода ПрФ (см. рис. 6.4) на УО поступают сигналы совместно с аддитивной помехой (1). В УО происходят усиления этого сигнала и ограничение его амплитуды и, следовательно, подавление части помех (2). с выхода УО сигнал поступает на вход ПУ и ВТЧ. На входе ПУ сигнал (3) появляется только тогда, когда его значение превысит величину Uпор. Сигнал на выходе ВТЧ представляет периодическую последовательность импульсов (4), следующих с тактовой частотой fт=1/Т, где Т - период следования импульсов.

Рис. 6.4 Временные диаграммы работы регенератора

Если на один из входов РУ подаётся информационная последовательность с выхода ПУ (3), а на другой - тактовая последовательность импульсов (4), то в случае их совпадения на выходе РУ появляются импульсы (5) определённой амплитуды и длительности, необходимые для запуска ФУ. В ФУ происходит полная регенерация формы импульсов (6), которые затем поступают на вход ЭОП, где и осуществляется модуляция оптического излучения.

Необходимо отметить, что периодическая последовательность импульсов на выходе ВТЧ (4) обязательно фазируется с откорректированными импульсами на выходе ПУ с целью уменьшения так называемых фазовых флуктуаций, обусловленных погрешностями работы ВТЧ.

Пороговое устройство и усилитель - ограничитель являются основными элементами регенератора, обеспечивающими его помехоустойчивость, и требуют точной установки порогового напряжения и стабильного усиления.

Изменение порогового напряжения в любую сторону снижает помехоустойчивость регенератора, так как приводит к нарушению оптимального соотношения между максимальным значением откорректированного импульса и на входе УО и пороговым напряжением ПУ. Для поддержания постоянства такого оптимального соотношения в регенераторе применяется АРУ, где в качестве управляющего сигнала используется пиковое значение импульсов на входе УО.

Обобщенная структурная схема ОЛТ ВОСП приведена на рис. 6.5, где АФЦП - аппаратура формирования цифрового потока заданной скорости передачи (как правило типовая аппаратура ЦСП); Пкпер и ПКпр - преобразователи кода соответственно передачи и приёма, предназначенные для формирования помехоустойчивого линейного сигнала ЦВОСП; КЭМпер и КЭМпр - квантово-электронные модули соответственно передачи и приёма преобразующие электричечкие сигналы в оптические и наоборот; НРП,ОРП - необслуживаемый и обслуживаемый регенерационные пункты; ОЛТ-О - оптический линейный тракт оконечного пункта. В реальных условиях производства все элементы электрических преобразователей выполняются в виде компактных ПОМ единого конструкторского исполнения, представляющих собой изделие оптоэлектроники, предназначенное для преобразования электрических сигналов в оптические и содержащие источники оптического излучения СИД или ЛД, схемы для обработки электрических сигналов и стабилизации их режимов и оптические соединители. Оптоэлектронные преобразователи выполнятся в виде ПРОМ - изделие оптоэлектроники единого конструкторского исполнения, предназначенное для преобразования оптических сигналов ВОСП в электрические и содержащие приёмники излучения - фотодетекторы на p - i - n ФД или ЛФД, электронные схемы обработки электрических сигналов и стабилизации их режимов, а также оптические соединители.

Рис. 6.5 Структурная схема линейного тракта ВОСП

.3 Расчет длины участка регенерации ЦСП с ВОЛС и выбор источника и приемника оптического излучения

. Выбор оптического кабеля

Самым дорогостоящим элементом при проектировании ВОСП является оптический кабель. Правильный его выбор уменьшает капитальные затраты и эксплуатационные расходы на проектируемую ВОЛП.

На выбор влияют, с одной стороны, параметры ВОСП (широкополосность или скорость передачи информации, длина волны оптического излучения, энергетический потенциал, допустимое значение дисперсионных искажений), а с другой стороны, удовлетворение ОК следующим техническим требованиям:

возможности прокладки в тех же условиях в каких прокладываются электрические кабели связи;

максимальному использованию при прокладке уже существующих, методов, техники и оборудования, применяемых при прокладке электрических кабелей;

возможности монтажа в полевых условиях с достаточной легкостью и в приемлемые сроки;

устойчивости к внешним воздействиям (механическим, климатическим), возникающим при эксплуатации на сетях связи;

надёжности, обеспечивающей эксплуатацию с заданными показателями безотказности, долговечности и ремонтопригодности;

возможности организации при необходимости цепей дистанционного питания НРП, каналов СС, ТК, ТМ и ТС (телесигнализации).

Производим выбор ОК удовлетворяющего параметрам данной системы передачи из Таблицы 1 приложения.

Выберем кабель следующего типа:

ОКК-50-01(02)-07(1,0)-4(8,16) ¾ с градиентными многомодовыми ОВ, работающими на длине волны 1,3 мкм, с коэффициентом затухания 0,7(1,0) дБ/км. Для краткости этот тип кабеля будем называть ОКК-50. Имеется большое число модификаций этого кабеля, учитывающих особенности прокладки в грунтах и ли канализации и конструкции (наличие промежуточных оболочек, армирующих элементов, брони, металлических оплёток и защитных оболочек).

Основные технические параметры данного кабеля:

Длина волны, мкм¾ 1,3

Коэффициент затухания, дБ/км¾ 0,7

Коэффициент широкополосности, МГц/км¾ 1000

Строительная длина, км¾ 2

Длина регенерационного участка ВОСП в основном определяется двумя параметрами, суммарным затуханием регенерационного участка и дисперсией оптического кабеля (ОК).

Если учитывать только затухание, т. е. потери в ОК, устройствах ввода-вывода оптического излучения, разъемных и неразъемных соединителях, то длина участка регенерации может быть определена по формуле (6.1) из /2/

,(6.1)

где ЭП- энергетический потенциал ВОСП, определяемый как

ЭП=pпер-pпр и указываемый в технических характеристиках ВОСП; nнс, nрс число неразъёмных и разъёмных соединителей соответственно; анс, арс - потери в неразъёмных и разъёмных соединителях соответственно; аt- запас на возможное увеличение затухание участка в следствии температурных изменений затухания оптического волокна, ав - запас на возможные ухудшения характеристик компонентов участка во времени; a - коэффициент затухания кабеля.

Сумма вида

аå= арсnрс+ ансnнс+аt+ав(6.2)

называется суммарными потерями, а разность

Эп-аå=адоп(6.3)

допустимыми потерями. Зная аå и адоп, длину регенерационного участка можно определить по формуле

ру£адоп/a(6.4)

Естественно, что lру должна соответствовать номинальной длине РУ ВОСП, предназначенной для соответствующего типа кабеля.

С учетом дисперсионных свойств ОВ максимальная длина РУ

max£0,25/s×B,(6.5)

где B - требуемая скорость передачи информации, бит/с; s - среднеквадратическое значение дисперсии выбранного ОВ, с/км. Для многомодовых ОВ величину s можно определить из соотношения

s=0,25/Df,(6.6)

здесь Df - коэффициент широкополостности волокна, Гц×км (задаётся паспортными данными кабеля).

Для одномодовых ОВ в паспортных данных указывается нормированная среднеквадратическая дисперсия sн, нс/(нм×км ), которая с s связана отношением

s=10-12Dlsн.(6.7)

Здесь Dl - ширина полосы оптического излучения, определяемая из справочных данных соответствующего источника излучения.

Для светодиодов Dl=25…40 нм, для ЛД - 0,2…5 нм.

Длина регенерационного участка рассчитанная по формуле (6.5), должна удовлетворять требованию

lmax³lру.(6.8)

Если это условие не выполняется, то следует выбрать кабель с другими дисперсионными свойствами.

Исходными данными для нашей системы передачи являются:

• Скорость передачи B=34,368 Мбит/с;
• характер (код) сигнала RZ (т.е. с возвращением к нулю), линейный код CMI;
• длина волны оптического излучения l=1,3 мкм;
• энергетический потенциал системы Эп=pпер-pпр=38 дБ;
• длина РУ 12…30 км;
• длина оборудования линейного тракта L=600 км.

2. Определение требуемой скорости передачи оборудования линейного тракта

В качестве каналообразующего оборудования используется аппаратура ИКМ-480, формирующая цифровой поток со скоростью передачи B=34,368 Мбит/с. линейный код ВОСП CMI - разновидность блочного кода типа 5B6B с характером сигнала RZ. При таком кодировании между элементами сигнала имеются промежутки, использующиеся для защиты от межсимвольных помех, а возвраты к нулю обеспечивают появление в спектре сигнала дискретной составляющей тактовой частоты, что упрощает выделение последней в регенераторах. Учитывая,что применение кода типа mBnB ведет к увеличению тактовой частоты в m/n раз /2/. Для нашего случая, тактовая частота возрастёт в 6/5 раза, и скорость передачи в линейном тракте лт=6/5×B=6/5×34,368=41,241 Мбит/с.

.

ВВЕДЕНИЕ В соответствии с изменениями условий жизни, развитием культуры и техники средства общения между людьми (средства связи) непрерывно совершенствую

Больше работ по теме: