4. Линейный тракт, линейные коды

4.1. Цифровой линейный тракт (ЦЛТ)

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

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 Δuпр. Если при отсутствии интерференции допустимая амплитуда помехи Uп, то при наложении символов ее значение уменьшается на Δuпр. 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.

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 Uп 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 Аз0. С целью сохранения величины защищенности Аз0 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.

4.2. 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 fт. 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 fт.

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/tи>1 (как правило, q=2). Такой сигнал называют, двоичным, или бинарным. Энергетический спектр двоичного сигнала содержит сплошные и линейчатые составляющие (рисунок 1.46. б).

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 - 2fт.

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 fт 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 0,5fт, называемой полутактовой. В спектре сигнала отсутствует составляющая с частотой fт, 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.

Цифровые системы передачи


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.