Искажения цифрового сигнала в линейном тракте

В состав цифрового линейного тракта (ЦЛТ) входят: аппаратура оконечная линейного тракта (АОЛТ), расположенная на стороне оконечных пунктов при­ема и передачи; участки линии связи и промежуточные пункты (обслуживае­мые и необслуживаемые), обеспечивающие требуемое качество передачи. АОЛТ предназначена для формирования линейного цифрового сигнала на пе­редающей стороне и его обратного преобразования, в том числе регенерации, на приеме. Кроме того, АОЛТ включает в себя аппаратуру дистанционного пи­тания, телеконтроля и телемеханики, переключения на резервные тракты пере­дачи, служебной связи и т.п.

ЦЛТ характеризуется рядом показателей, определяющих качество передачи цифрового сигнала. Основной из них — вероятность ошибки передачи отдель­ных символов, зависящая как от искажений сигнала в линии связи, так и от воздействия помех на магистрали. Источниками искажений сигнала являются участки линии связи и блоки сопряжения линии с входом и выходом аппарату­ры связи. Искажения сигнала при передаче по линии обусловлены ростом зату­хания кабельной цепи д_л с увеличением частоты (рис. 8.1), что неизбежно приводит к ограничению полосы частот цифрового сигнала сверху. При значи­тельном ограничении полосы возникает явление наложения символов цифро­вого сигнала за счет увеличения их длительности. Это мо­жет привести к тому, что соседние символы будут приняты с ошибкой. Такие искажения называются межсимвольными искажениями первого рода.

Межсимвольные искажения возникают и за счет ограничения полосы про­пускания линейного тракта в области низких частот. Частотная характеристика затухания а_р приведена на рис. 8.1 в линейном тракте, которые ограничивают полосу частот цифрового сигнала снизу за счет подавления постоянной и низкочастот­ных составляющих спектра. Искажения, которым подвергаются исходные им­пульсы двоичного сигнала (рис. 8.2, а) в этом случае, показаны на рис. 8.2, б. Из рисунка видно, что после передачи символа единицы появляется напряже­ние другого знака, и, таким образом, каждый следующий единичный символ уменьшается по амплитуде. В связи с этим на приемной стороне встает пробле­ма восстановления постоянной составляющей цифрового сигнала, поскольку в противном случае возникают большие ошибки при приеме единиц. Слож­ность восстановления постоянной составляющей усугубляется также и тем, что среднее значение энергии однополярной случайной импульсной последова­тельности изменяется во времени, так как меняется число импульсов единиц, поступивших на вход приемного устройства за определенный отрезок времени.

Искажения цифрового сигнала, возникающие из-за ограничения полосы про­пускания линейного тракта в области низких частот, называются межсимволь­ными искажениями второго рода.

Чтобы скомпенсировать влияние разделительных элементов, в принципе можно использовать корректор с коэффициентом передачи обратный коэффициенту передачи линейного тракта и удовлетворяющий условию = const (рис. 8.3). Однако вследствие того, что при стремится к бесконечности, практическая реализация корректора невозможна.

Помимо передачи цифрового сигнала, содержащего мощные низкочастот­ные составляющие, по линии необходимо также передать постоянный ток ди­станционного питания, а это приводит к проблеме разделения постоянной со­ставляющей сигнала и тока дистанционного питания (ДП) в необслуживаемых регенерационных пунктах.

Энергетический спектр такого сигнала содержит дискретные компоненты, в частности колебание с тактовой частотой , и интенсивные низкочастотные составляю­щие (рис. 8.4. б). Ширина первого лепестка спектра равна

Код в формате .MKZпредставляет собой последовательность однополярных импульсов со скважностью q = 1 (рис. 8.5, а). Энергетичес- кий спектр такого сигнала (рис. 8.5, б) не содержит дискретных составляю- щих, его непрерывная составляющая концентрируется в области низких частот, имеется мощная по­стоянная составляющая.

Естественно, такие сигналы не могут быть пе­реданы по линии без существенных межсимволь­ных искажений и ошибок, поэтому возникает не­обходимость преобразования двоичного униполяр­ного сигнала в удобный для передачи по линии свя­зи линейный сигнал (ЛС),Вид преобразования определяется исходя из следующих основных требований:

1) должно быть обеспечено простое разделение линейного сигнала и тока ДП с по­мощью линейного трансформатора;

2) линейный трансформатор не должен вносить существенных искажений формы линейного сигнала, которые приводят к снижению вероятности безошибоч­ного приема;

3) желательно, чтобы энергетичес­кий спектр линейного сигнала был более узкопо­лосный, чем исходный, так как это упрощает коррекцию ЛС на приемной стороне и позволяет увеличить длину участка ре­генерации;

4) преобразование линейного сигнала в двоичный и обратное пре­образование, выполняемые на всех оконечных и промежуточных пунктах ма­гистрали, должны быть достаточно простыми;

5) должно обеспечиваться дос­таточно простое выделение из Л С компонента тактовой частоты, с помощью которого в регенераторе осуществляется восстановление временных позиций ЛС;

6) необходимо, чтобы устройства обнаружения ошибок в ЛС, применяе­мые, например, с целью контроля за правильностью функционирования мно­гочисленных необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП), имели бы простую структуру.

23.2. Линейные коды ЦСП

23.3. Линейные коды с сохранением тактовой частоты

Существует несколько основных вариантов преобразования двоичного RZ или ЛТ сигнала в линейный код:

1) без изменения тактовой частоты двоично­го сигнала;

2) с увеличением .тактовой частоты;

3) с уменьшением тактовой час­тоты линейного сигнала.

Первый вариант преобразования предполагает, что частота следования от­дельных символов линейного кода не изменяется и равна исходной частоте следо­вания ft отдельных символов ДС. Здесь возможны два способа преобразования. Первый способ— с активной паузой (рис. 9.6), при котором передача нулей в ис­ходном видеосигнале заменяется на передачу посылок отрицательной полярности. Такой ЛС называется двоично-симметричным(ДСС). Поскольку в среднем число нулей и единиц в исходном сигнале одинаково, то постоянная составляющая преобразованного сигнала равна нулю, однако за счет возможности «скопле­ния» нулей (или единиц) постоянная составляющая начинает изменяться во времени, и межсимвольные искажения второго рода не устраняются.

На практике часто применяют второй способ преобразования ДС, когда униполярный сигнал в коде RZ или NRZ преобразуется в квазитроичныйкод, или код ЧПИ (сигнал с чередованием полярности импульсов). При таком пре­образовании «0» передается без изменения, а «1» передается так, что каждая следующая единица меняет свой знак на противоположный. Этот способ легко реализуем на практике, он устраняет межсимвольные искажения второго рода, не требуя расширения полосы пропускания в области верхних частот.

Одна из возможных структурных схем преобразования двоичного сигнала в квазитроичный приведена на рис. 8.7. Осциллограммы сигналов в контроль­ных точках представлены на рис. 8.8. Цифровой сигнал в двоичной форме (рис. 8.8, а) поступает на сумматор по модулю 2. На другой вход сумматора поступает сигнал, прошедший через линию задержки 1 и задержанный на один тактовый интервал (рис. 8.8, в). Выходной сигнал сумматора (рис. 8.8, 6) поступает на вычитающее устройство 4. Этот же сиг­нал, задержанный на тактовый интервал (рис. 8.8, г), поступает на Другой вход блока 4. На выходе вычитающего устройства получа­ем сигнал в квазитроичном коде (рис.8.8,д).

 

Достоинством квазитроичного кода является то, что он не имеет постоянной составляю щей и легко преобразуется в исходный дво­ичный код путем его пропускания через бе­зынерционный двухполупериодный выпря­митель. Кроме того, он удобен тем, что в нем легко обнаруживаются ошибочные символы по признаку нарушения чередования поляр­ности импульсов.

Схема преобразователя квазитроичного кода, изображенного на рис. 8.7, очень сложная. На входы логической ячейки И1 поступают входной циф­ровой сигнал (рис. 8.11,а) и стробирующие импульсы (рис. 8.11, б). Далее сигнал (рис. 8.11,в) поступает на вход триггера. С прямого (рис. 8.11, г) и инверсного (рис. 8.11,д) выходов триггера сигналы поступают на входы логических ячеек ИЗ,И4, куда поступает также сигнал с выхода схемы совпадения И1. На выходе логических схем 3, 4 будут вырабатываться определенные импульсы (рис.8.11, е, ж). Формирователи импульсов 5,6 укорачивают импульсы по длительности до и подают их на вычитающее устройство 7(ВУ), на выходе которого формируется полный квазитроичный сигнал (рис. 8.11, з).

 

 

 

Сигнал с ЧПИ обладает одним существенным недостатком — при появле­нии в нем длинных серий пробелов (нулей) возможен сбой системы тактовой синхронизации. Чтобы этого не происходило, следует ограничить в линейном сигнале, передаваемом в коде ЧПИ, число подряд следующих нулей. Эта задача была решена созданием кодов с высокой плотностью единиц ; такой код еще называют модифицированным квазитроичным кодом (МЧПИ). Здесь — некоторое максимально допустимое число следующих подряд нулей после предыдущей единицы в исходном ДС. Обычно принимают или 3, что соответствует кодам КВП-2 и КВП-3 (или HDB-2, -3 в англоязычной терминоло­гии). Если в реальном «пакете» нулей их число будет меньше , то линейное ко­дирование осуществляется по коду ЧПИ, т.е. нули не преобразуются, а каждая единица имеет длительность в половину тактового интервала , причем ее по­лярность противоположна полярности предыдущей единицы.

Если в «пакете» нулей их число больше , то каждый пакет из нулей заменяется сигналами 000 Vили 500 V (для КВП-3).

Полярности вводимых импульсов В и К выбираются так, чтобы на интерва­ле в тактов происходило одно нарушение правила чередования поляр­ности. По этому нарушению на приемной стороне оконечной станции при пре­образовании ЛС в ДС принимают решение об истинном содержании пакета. При выборе конкретного вида сигнала (000 V или В00V) исходят из следующих условий: полярность импульса В всегда противоположна полярности предшес­твующего импульса; если между двумя соседними паузами в двоичном сигнале, имеющими число нулей больше, чем q+1 = 3 + 1=4, насчитывается четное число единиц, то заполнение второй паузы начинается с сигнала В00V; если число единиц между двумя вышеупомянутыми паузами нечетное, то заполне­ние второй паузы начинается с сигнала 000V.

 

 

В процессе заполнения очень длинной паузы пакет из (q + 1) нулей заменяется комбинацией BOO V, если предшествующее число «пакетов» в паузе нечетное; «пакет» из (q + 1) нулей за­меняется комбинацией 000V, если предшествующее число «пакетов» в паузе четное (или нуль). Пример использования алгоритма формирования кода КВП-2 и КВП-3 приведен на рис. 8.12.

Линейный сигнал в коде МЧПИ (HDB), передаваемый трехуровневым ко­дом с той же тактовой частотой, что и исходный двоичный сигнал, широко ис­пользуется в первичных, вторичных и третичных ЦСП (ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480), работающих по металлическим кабелям (симметричным и коакси­альным). Кроме того, он применяется и как «стыковой» сигнал в оконечной аппаратуре для соединения разных иерархических структур.

Возможность исключения длинных пакетов нулей или единиц обеспечива­ет также третий способ преобразования ДС в ЛС с сохранением тактовой час­тоты и числа разрешенных уровней, называемый скремблированием.При этом ДС подвергается операции перемножения с некоторой, известной заранее псевдослучайной двоичной последовательностью (ПСП): ЛС = ДС + ПСП. На приемной стороне выполняется обратная операция: ДС = ЛС + ПСП (знак + здесь и далее означает сложение по модулю 2). Для правильного восстановления исходного сигнала псевдослучайные последовательности, вырабатываемые на приемной и передающей сторонах, должны быть засинхронизированы.

Для того чтобы сделать операцию дескремблирования самосинхро- низирующейся,т.е. не требующей формирования специального сигнала синхронизации на пе­редающей стороне и его поиска на приемной стороне, применяют решение, приведенное на рис. 8.13. Здесь скремблер 1 содержит сумматор по модулю 2 и формирователь псевдослучайной последова- тельности (ФПСП) 3. Дескремблер 4 содержит аналогичные блоки (рис. 8.13, а).

Формирователь двоичной ПСП включает в себя n-разрядный регистр сдвига (триггеры , управляемый импульсами тактовой частоты ИУ от генераторного оборудования, а так­же некоторое количество сумматоров по модулю 2, соединенных с выходами соответствующих триггеров (рис. 8.13, б). Элемент на схеме отражает наличие ) или отсутствие связи триггера 7} со схемой сложения.

 

Скремблированный сигнал S представляет собой результат потактового
сложения по модулю 2 исходного двоичного сигнала D и псевдослучайного R: S= Дескремблированный сигнал равен соответственно При отсутствии ошибок в канале связи, когда , имеем ,=D. Параметры ФПСП опреде-ляются видом алгебраического полинома, опи­сывающего структуру ПСП, ,.С увеличением числа п растет период ПСП, равный , и соответственно сдвигается влево «провал» в спектре скремблированного сигнала S (см. штриховую функцию на рис. 8.5, б). С увеличением числа k ненулевых коэффициентов Cj этот «провал» углубляется и расширяется по частоте, однако при этом в случае появления в канале передачи одиночных ошибок дескремблер «размножает» их в (k + 1) раз. Практическое применение получили ФПСП с компромиссными параметрами[23]: (т.е. «=15, ) и ( = 10, = 1; k = 3). Отметим, что линейный сигнал, полученный путем скремблирования (см. рис. 8.13, а), остается униполярным и имеет постоянную составляющую, которая хотя и не равна 0, но изменя­ется в очень малых пределах. Это позволяет «потерять» ее в линейном тракте (из-за разделительных элементов), а затем «восстановить» в регенераторе, не искажая форму импульсов.

Блочные двоичные коды

Второй вариант перекодирования исходного сигнала в линейный подразу­мевает получение линейного кода с тактовой частотой, которая больше частоты следования отдельных импульсов исходного двоичного сигнала. Здесь также возможны два способа преобразования.

Первый — преобразование ДС (рис. 8.14, а) в биимпульсный сигнал, при котором нуль передается, как и прежде, а сигнал единицы передается биимпульсным сигналом, например вида +1—1 (рис. 8.14, б). Используется также вариант, когда и нулевой символ заменяется биимпульсной комбинацией, но уже другого вида -1+1 (рис. 8.14, в). Такой метод позволяет полностью устра­нить постоянную составляющую в ЛС и межсимвольные искажения второго рода, но передача линейного сигнала требует увеличения полосы пропускания в области верхних частот по крайней мере в 2 раза.

Кроме этого метода, возможен еще один способ преобразования, при кото­ром каждая группа из символов исходного двоичного сигнала заменяется группой из я символов двоичного линейного сигнала, что выражается форму­лой , Поскольку , то для каждой из возможных комбинаций нулей и единиц в пакете из символов ДС можно подобрать свою комбинацию, зара­нее определенную из возможных (в пакете из двоичных символов ЛС), что позволяет избавиться от длинных серий нулей (или единиц) и сохранить воз­можности контроля за качеством работы регенераторов без прерывания связи и использования специальных испытательных сигналов.

Наиболее простыми и весьма эффективными являются линейные коды класса , в которых с каждым отдельным символом исходной последова­тельности сопоставляются два двоичных символа линейного кода.

Например, единица исходной последовательности (рис. 8.15, а) может быть передана комбинацией 10, а нуль — 01 (рис. 8.15, б).

 

Такое кодирование всегда обеспе­чивает одно и то же значение постоянной составляющей ЛС при любом содер­жании 1 и 0 в исходном ДС, но при этом приводит к удвоению тактовой часто­ты линейного сигнала: . Одной из модернизаций приведенного кода является код AMI, в котором каждый исходный символ ДС кодируется одной из двух возможных двухразрядных комбинаций. Например, вместо 0 передает­ся 10 или 01, а вместо 1 — соответственно 11 или 00. При этом каждый следую­щий одноименный символ принимает обязательно другое возможное значе­ние. Например, комбинация ДС вида 110010 будет кодироваться в виде 11.00.01.10.11.01. В таком коде при нормальной работе никогда не может быть более двух импульсов или более двух пауз подряд. Нарушение этой закономер­ности свидетельствует о появлении ошибки.

В условиях ограниченной полосы линии связи при необходимости можно построить более экономные блочные коды (например, код 5В6В), когда блок из т символов исходной последовательности (см. рис 8.15, я) заменяется блоком из n = т + 1 символов линейного кода (рис. 8.15, в). При этом увеличение так­товой частоты может быть незначительным: если

При построении блочных кодов очень важным является выбор алфавита кода,т.е. таблицы соответствия между каждой исходной m-битовой и разре­шенной m-битовой комбинациями. В частности, в коде 5В6В алфавит 6-бито­вых слов выбирают следующим образом. В первую очередь используют те блоки, у которых количество символов «1» равно половине общего числа бит в блоке, что обеспечивает неизменность постоянной составляющей. Таких «хороших» комбинаций будет 20 (число сочетаний из 6 по 3), и каждая из них используется для кодирования одной из 20 исходных 5-битовых комбинаций. Для остальных 5-битовых комбинаций (их число равно 12 = 2⁵ — 20) в алфавит отбирают еще 24 шестибитовых слова (по два на каждую 5-битовую комбинацию, причем в од­ном слове количество символов «1» равно 4, а в другом — 2). Слова, входящие в такую пару, передаются поочередно при появлении одной и той же исходной 5-битовой комбинации. Таким образом, и для этих 12 комбинаций обеспечива­ется сохранение постоянной составляющей в линейном сигнале. Некоторые из возможных 6-битовых комбинаций (их число равно 20=2⁶-20-24) не входят в алфавит и являются запрещенными.Обнаружение их в линейном сигнале сви­детельствует о появлении ошибки или о нарушении синхронизации при деко­дировании линейного кода.

В качестве примера рассмотрим построение преобразователей кода передачи и приема для блочного кода 5В6В. На стороне передачи исходный двоичный сигнал ДС (рис. 8.16, а) поступает в блок 2, который преобразует 5-разрядные кодовые комбинации из последовательного кода в параллельный.

Делитель частоты /, который делит тактовую частоту RCf_r в 5 раз, формирует импульсы блочной частоты с длительностью .

Они совпадают по времени с последним, пятым импульсом 5-разрядной кодовой комбинации. Именно в это время и происходит запись кодовой комбинации в параллельном коде в запоминающее устройство (ЗУ) 3. Затем 5-разрядная комбинация в соот­ветствии с выбранным алфавитом в цифровом преобразователе 4 преобразуется в 6-разрядную комбинацию и записывается в блок 6. В этом блоке с помощью тактовых импульсов линейной частоты , которые формируются на выходе умножителя частоты 5, осуществляется преобразование из парал­лельного кода в последовательный.

На стороне приема (рис. 8.16, б) двоичные символы линейного сигнала, следующие с линейной частотой поступают в блок 1, который осуществляет преобразование 6-битовых комбинаций из последовательно- го кода в парал­лельный. Далее эти комбинации переписываются в ЗУ 2 при поступлении раз­решающих импульсов блочной частоты которые формируются на выходе делителя частоты 10 с коэффициентом деления 6. Выходы ЗУ 2 под­ключены параллельно к входам цифрового преобразователя 3 и дешифратора ошибок (ДШО) 5. Блок 3 в соответствии с алфавитом кода 5В6В осуществляет обратное преобразование 6-битовой кодовой комбинации в 5-битовую, кото­рая затем в блоке 4 преобразуется из параллельного кода в последовательный.

Преобразование выполняется с помощью импульсов тактовой частоты , формируемых на выходе умножителя частоты 11 .

ДШО 5 обнаруживает любую из 20 возможных запрещенных кодовых ком­бинаций, которые возникают вследствие ошибок в линейном тракте или отсут­ствия блочной синхронизации, т.е. неправильного разделения линейного сиг­нала на 6-символьные блоки. При обнаружении запрещенной комбинации ДШО 5 формирует одиночные импульсы сбоя, которые поступают параллельно в накопитель ошибок 6 и на вход формирователя интервалов анализа (ФИА) 7.

 

 

Если за интервал анализа в накопитель б поступит импульсов сбоя, где -емкость накопителя, то последний из них пройдет через схему совпадения И8 и поступит на схему запрета 9. В результате будет запрещен один импульс линейной частоты, что вызовет задержку на один такт импульсов блочной частоты на выходе делителя 10. Одновременно при этом производится сброс в первоначальное состояние накопителя ошибок и ФИА. Очередной сдвиг на один такт импульсов блочной частоты будет продолжаться до тех пор, пока не найдется их правильное положение, при котором они совпадают по времени с приходом последнего, шестого импульса 6-битовой комбинации линейного сигнала. В этом случае поток ошибок резко сокращается, поэтому хотя ФИА и «запускается» от случайной ошибки, но за время анализа Т_а вряд ли пройдет d ошибок. Соответственно не изменится и режим блочной синхро­низации.

Коэффициент накопления и интервал анализа выбираются из компро­миссных соображений и с учетом ступени иерархии ЦСП. Максимальное вре­мя поиска блочной синхронизации, которое для линейного кода 5В6В равно , должно быть в 2—3 раза меньше, чем время поиска цикловой син­хронизации группового двоичного сигнала.

8.2.3. Коды с понижением тактовой частоты

В третьем варианте линейного кодирования для уменьшения тактовой частоты при переходе от ДС к ЛС применяют многоуровневые коды,для кото­рых принято условное обозначение 1BkQ, где l и k указывают число элемен­тов в исходном и результирующем блоках, В означает, что в исходном блоке используется бинарный код (с основанием 2), а вместо Q применяются буквы, определяющие основание кода в результирующем блоке: Т — троичное, Q — четверичное, QI- пятеричное и т.д. Одним из примеров такого решения являет­ся код 4B3Т, когда четырехсимвольная комбинация двоичного кода (рис. 8.17, а) заменяется трехразрядной комбинацией троичного кода (рис. 8.17, б). При этом тактовая частота ЛС уменьшается по сравнению с ДС:fл, = 3fт/4. По­скольку число возможных состояний в блоке 4Вравно 2⁴ = 16, а в блоке ЗТ-

соответственно З³ = 27, то кодовую таблицу 4В— 3 Т можно составить так, бы обеспечить отсутствие постоянной составляющей в ЛС и исключить появление трех нулей.

Варианты таблиц перехода от блока 4В к блоку 3Т могут быть разными практике получил распространение вариант FOMOT, используемый в Ц ИКМ-480 х 2. В общем случае частота следования символов линейного сигнала уменьшается по сравнению с ДС в раз, но с увеличением числа разрешенных уровней линейного кода его помехозащищенность снижается, поэтому в проводных системах передачи редко применяются коды с числом уровней больше пяти (в основном на цифровых абонентских).