Цифровой линейный тракт (ЦЛТ).

Линейный тракт, линейные коды.

Рассмотренное в предыдущих главах аналого-цифровое оборудование обеспечивает формирова­ние цифрового двоичного сигнала, состоящего из импульсов и про­белов (единиц и нулей). Этот сигнал должен быть передан по ЦЛТ на противоположную оконечную станцию системы передачи, при этом должна быть обеспечена необходимая достоверность пе­редачи.

Цифровой линейный тракт как тракт системы передачи должен содержать среду распространения цифрового сигнала и устройст­ва, обеспечивающие требуемое качество передачи. В отличие от аналогового сигнала, используемого в системах с ЧРК и имею­щего сложную форму, полное восстановление которой в проме­жуточных пунктах невозможно, цифровой сигнал в большинстве случаев достаточно прост по форме: импульс определенной ам­плитуды и длительности, и в промежуточных пунктах, возможно его полное восстановление (регенерация). Поэтому промежуточ­ные пункты цифрового линейного тракта носят название регенерационных. Структурная схема ЦЛТ приведена на рисунке 1.44.

Оборудование окончания линейного тракта (ОЛТ) предназна­чено для формирования линейного цифрового сигнала на переда­че и его регенерации на приеме. Регенерационные пункты (РП) обеспечивают регенерацию цифрового сигнала на промежуточных участках линейного тракта. Особенности построения ЦЛТ различных систем передачи свя­заны с физическими свойствами сред распространения цифрового сигнала (СРЦС), определяющими степень искажения формы сигнала помехозащищенность и, как следствие этого, верность пере­дачи цифровой информации. Учитывая это, рассмотрим свойства основных СРЦС, их влияние на сигнал и предъявляемые к средам и сигналам требования, обеспечивающие получение необходимой верности передачи.

Рисунок 1.44 Цифровой линейный тракт.

 

Одной из наиболее широко используемых сред для передачи цифровых сигналов является электрический кабель (как симмет­ричный, так и коаксиальный). Рассмотрим влияние характерис­тик кабеля на передачу цифровых сигналов.

Затухание кабельной цепи с увеличением частоты растет, что неизбежно приводит к ограничению полосы частот цифрового сиг­нала сверху. Такое же воздействие оказывают на сигнал различ­ные элементы входных схем регенератора (трансформаторы, усилители).

На рисунке 1.45 а показана последовательность двоичных импуль­сов на входе и выходе цепи при ограничении сверху полосы про­пускания.

При поступлении импульса на вход участка кабельной цепи возникающие в этой цепи переходные процессы приводят к зава­лу фронта импульса и затягиванию спада при одновременном снижении амплитуды импульса. Причем, чем длиннее участок це­пи, тем меньше величина импульсного отклика на его выходе и тем резче выражены явления завала фронта и затягивания спада.

При значительном ограничении полосы частот цифрового сигнала переходные процессы, возникающие в цепи кабеля при прохожде­нии через нее каждого импульса, не успевают закончиться к мо­менту прихода следующего импульса или пробела. Это приводит к наложению импульсов, особенно сильно ощущаемому для со­седних символов цифрового сигнала. Явление наложения символов цифрового сигнала за счет расширения их длительности по­лучило название межсимвольной интерференции.

Межсимвольная интерференция приводит как к изменениям амплитуды, так и временным сдвигам символов. Вследствие меж­символьной интерференции на соседнем тактовом интервале им­пульс или пробел получает случайное приращение Δu_пр. Если при отсутствии интерференции допустимая амплитуда помехи U_п, то при наложении символов ее значение уменьшается на Δu_пр. Сдвиг фронта импульса Δт также приводит к искажению формы сим­вола.

В линейных трактах, организованных на цепях симметричных кабелей, присутствуют согласующие трансформаторы и усилите­ли, ограничивающие полосу частот цифрового сигнала снизу за счет подавления постоянной и низкочастотных составляющих спектра. Влияние ограничения полосы частот цифрового сигнала снизу показано на рисунке 1.45. б.

Рисунок 1.45 Влияние ограничения полосы частот на форму двоичного цифрового сигнала в линейном тракте.

 

Ослабление низкочастотных составляющих приводит к появле­нию выбросов, полярность которых противоположна полярности символа цифрового сигнала, причем спад выброса затягивается на последующие тактовые интервалы, вызывая межсимвольную интерференцию, снижающую амплитуду импульсов. Снижение амплитуды импульсов при возможной амплитуде помехи U_п сни­жает возможность регистрации импульсов на фоне помех. Сле­довательно, ограничение полосы частот вызывает искажение ци­фрового сигнала, что всегда снижает помехоустойчивость. Цифро­вой сигнал в электрическом кабеле подвергается воздействию помех. Рассмотрим характерные помехи и их влияние на цифро­вые сигналы.

Основным видом помех в ЦЛТ, построенных на симметричном кабеле, являются переходные помехи с других трактов этого ка­беля. Влияние помехи на сигнал зависит от способа организации передачи. При однокабельной передаче преобладают переходные помехи на ближнем конце регенерационного участка, при двух­кабельной - переходные помехи на дальнем конце. Переход­ная помеха на ближнем конце не зависит от длины регенераци­онного участка и в большинстве случаев превышает переходную помеху на дальнем конце. Величина переходной помехи на ближ­нем конце определяется уровнем сигнала на передаче, переходным затуханием между парами кабеля на ближнем конце А₀ и спек­трами влияющего и подверженного влиянию сигналов.

Увеличение скорости передачи цифрового сигнала приводит к уменьшению длительности импульсов и расширению полосы час­тот. Это, в свою очередь, снижает переходное затухание и соот­ветственно увеличивает помехи. В этом случае уменьшается за­щищенность на ближнем конце А_з0. С целью сохранения величи­ны защищенности А_з0 в допустимых пределах приходится либо соответственно уменьшать длину регенерационных участков, либо использовать двухкабельную систему организации передачи.

Кроме переходных помех для симметричных кабелей характер­ны помехи от отраженных сигналов. Отражения сигналов возни­кают в тех точках кабельной пары, где происходит скачкообраз­ное изменение волнового сопротивления цепи - это прежде всего стыки строительных длин и участки включения газонепроницае­мых муфт. Отражения приводят к возникновению паразитных цифровых потоков, опережающих основной сигнал или отстаю­щих от него.

При одновременном использовании пар симметричного кабеля для организации цифровой передачи и коммутируемой низкочас­тотной связи на регенерационных участках, прилегающих к ком­мутационной станции, возникают импульсные помехи. Помехи создаются коммутационными приборами. Мощность этих помех на прилегающих к станции регенерационных участках значитель­но превышает мощность остальных помех, из-за чего приходится укорачивать пристанционные участки.

Характерной особенностью коаксиальных кабелей, используе­мых для организации высокоскоростных цифровых трактов, явля­ется рост переходного затухания при увеличении частоты. Пере­ходное затухание типовых коаксиальных кабелей уже на частоте 1 МГц не менее 120 дБ, что позволяет не учитывать переходные помехи при рассмотрении процессов передачи по ним сигналов.

Основным видом помех в коаксиальных цифровых трактах яв­ляются тепловые помехи, вызванные хаотическим тепловым дви­жением носителей тока в кабельных цепях и входных каскадах регенераторов. Защищенность от тепловых шумов всецело опреде­ляется скоростью передачи цифрового сигнала и длиной регенерационного участка (эти параметры определяют затухание участ­ка). Менее значительны помехи от отражений, которые в коакси­альных цепях возникают не только в точках стыка строительных длин, но и в точках технологической неоднородности структуры цепи.

В целом уровень помех в коаксиальных цепях намного ниже, чем в симметричных. При организации высокоскоростных цифро­вых трактов по симметричным кабелям необходимая защищен­ность не может быть обеспечена, поэтому при скоростях передачи свыше 8 Мбит/с цифровые линейные тракты строятся на базе коаксиальных кабелей.

Линейные коды ЦСП.

Как уже отмечалось, по ЦЛТ должны передаваться сигналы, обеспечивающие минимальные уровни по­мех внутри сигнала и переходных помех между соседними трактами. Уровень и мешающее действие указанных помех зависят в общем случае как от ширины и формы энергетического спектра сигнала, так и от ширины и формы амплитудно-частотной харак­теристики (АЧХ) тракта.

Следовательно, вопрос выбора цифрового сигнала, обеспечи­вающего необходимую помехозащищенность, сводится к подбору сигнала, спектр которого удовлетворяет определенным требова­ниям. Первое требование: энергетический спектр сигнала должен ограничиваться снизу и сверху, быть достаточно узким, распола­гаться на сравнительно низких частотах и не содержать постоян­ной составляющей.

Ограниченный спектр сигнала позволяет уменьшить искаже­ния при прохождении сигнала через тракт, так как в спектре сиг­нала будут подавляться составляющие, имеющие небольшую мощность (известно, что чем больше мощность составляющей, тем сильнее искажение при ее подавлении). Сдвиг спектра в об­ласть более низких частот снижает уровень переходной помехи. Уменьшение ширины спектра сигнала позволяет сделать более узкой полосу пропускания входных цепей регенератора, уменьшив тем самым ширину полосы и мощность помех, проникающих в решающее устройство.

Было установлено, что качество тактовой синхронизации реге­нератора в большой степени зависит от состава энергетического спектра цифрового сигнала. Известно, что системы тактовой син­хронизации требуют наличия в спектре дискретной составляющей с частотой f_т. Если тактовая частота в спектре цифрового сигна­ла отсутствует, то организация тактовой синхронизации сильно затруднена. Поэтому второе требование к спектру цифрового сигнала: в составе спектра должна быть составляющая с частотой f_т.

Как известно из теории передачи сигналов, наличие информа­ционной избыточности в кодовых комбинациях позволяет выяв­лять в них ошибки. Следовательно, применив линейный код, со­держащий избыточность, можно решать вопросы контроля каче­ства передачи в линейном тракте без перерыва связи. Отсюда третье требование к цифровому линейному сигналу: он должен быть представлен в коде содержащем информационную избы­точность.

Рассмотрим, насколько известные двоичные коды удовлетворя­ют представленным выше трем требованиям.

Сигнал на выходе АЦП в безызбыточном двоичном коде может быть представлен в виде случайной последовательности однополярных импульсов (рисунок 1.46. а) со скважностью q=T/t_и>1 (как правило, q=2). Такой сигнал называют, двоичным, или бинар­ным. Энергетический спектр двоичного сигнала содержит сплош­ные и линейчатые составляющие (рисунок 1.46. б).

 

 

	б
		f/fT
		г
		f/fT

t

Рисунок 1.46 Двоичные цифровые сигналы и их энергетические спектры:

а -двоичный сигнал, со скважностью q=2;

б - энергетический спектр сигнала с q=2;

в -двоичный цифровой сигнал с импульсами, затянутыми на тактовый интервал (q=1);

г - спектр сигнала q=1

Анализ спектраль­ной диаграммы этого сигнала показывает, что амплитуды посто­янной составляющей и НЧ составляющих спектра выше, чем у ВЧ составляющих. Ширина первого лепестка спектра велика - 2f_т.

Проходя через тракт с большим числом линейных трансфор­маторов, подавляющие самые мощные составляющие спектра, сигнал сильно искажается и его регенерация становится затруд­нительной. Следовательно, такой сигнал не удовлетворяет перво­му требованию, предъявляемому к цифровому линейному сигналу. Не удовлетворяет он и третьему требованию. Наличие f_т в спектре сигнала не может служить основанием для его применения, так как не выполняется первое требование, являющееся самым важным.

В линейных трактах сельских цифровых систем передачи ИКМ-12М и ИКМ-15 используются двоичные сигналы со скваж­ностью импульсов q=1, так называемые сигналы с импульсами, «затянутыми на тактовый интервал» (рисунок 1.46, в). Энергетический спектр такого сигнала (рисунок 1.46, г) не содержит дискретных состав­ляющих, его непрерывная составляющая концентрируется в облас­ти низких частот, имеется мощная постоянная составляющая. Этот сигнал не удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к форме и составу спектра линейного цифрового сигнала. В то же время меньшая ширина спектра, чем у сигнала с q=2, в сочетании со специальным методом регенерации позволяют добить­ся помехоустойчивости регенераторов, сравнимой с помехоустойчивостью при использовании квазитроичных сигналов, которые будут рассмотрены ниже. При этом регенератор двоичного сигнала с импульсами, «затянутыми на тактовый интервал», будет проще и экономичнее регенератора квазитроичного сигнала.

Постоянная составляющая в энергетическом спектре однополяр­ной случайной импульсной последовательности определяется энергией импульсов, поступивших на вход приемного устройства за определенный отрезок времени. Если вместо однополярной последовательности импульсов использовать последовательность импуль­сов чередующейся полярности, то за определенный промежуток времени суммарная энергия положительных и отрицательных импульсов на накопителе приемного устройства будет равна нулю. Эта идея была использована при формировании основного вида линейного цифрового сигнала, получившего название сигнала с чередованием полярности импульсов ЧПИ.

На рисунке 1.47.а, представлена двоичная кодовая комбинация, а на рисунке 1.47.б, полученная из нее комбинация в коде ЧПИ. Видно, что символы, используемые в комбинации кода ЧПИ, могут иметь три уровня: -1; 0; +1. В то же время количество информации в кодовой комбинации ЧПИ такое же, как и в двоичном коде, так как она получена из двоичной комбинации. Количество информа­ции в кодовой комбинации, состоящей из элементов трех уровней, больше, чем в двоичной. Избыточность информации при использовании кода ЧПИ позволяет контролировать наличие ошибок в линейном тракте.

Рисунок 1.47 Квазитроичный цифровой код с чередованием полярности импульсов ЧПИ и его энергетический спектр.

 

Энергетический спектр случайной импульсной последователь­ности (рисунок 1.47, в) концентрируется в узкой области вблизи частоты 0,5f_т, называемой полутактовой. В спектре сигнала отсутст­вует составляющая с частотой f_т, что затрудняет построение систем тактовой синхронизации. Тем не менее отсутствие постоянной сос­тавляющей и концентрация спектра в области частот ниже fт по­зволяют при одинаковых значениях тактовой частоты получить для сигнала с ЧПИ меньшие, чем для двоичного, величины межсим­вольных искажений и переходной помехи. Это и определило широ­кое использование сигнала с ЧПИ в низкоскоростных и среднескоростных ЦСП.