Структура цифрового кадра: чередование битов и слов, методы синхронизации

Ключевые слова: цифровой кадр, фрейм, чередование битов, чередование кодовых слов, синхронизация кадра, TDM, граница фрейма.

Структура данных в цифровом потоке. Каждая кодовая группа, или кодовое слово, поступающее от ИКМ-кодера голосового канала, состоит из нескольких битов, стандартно — восьми. Для наглядности, на рисунке 6.26 использован пример с четырехразрядными группами, где демонстрируется возможность чередования битов несколькими принципиально разными способами. Эта операция определяет структуру формируемого группового сигнала и влияет на устойчивость передачи к помехам. Выбор метода чередования является ключевым при проектировании систем мультиплексирования с разделением времени (TDM).

Рис. 6.26. Чередование битов и кодовых групп

Первый метод организации данных носит название чередование кодовых слов. В этом случае в общий поток последовательно передается целиком вся кодовая группа первого канала, затем полностью группа второго канала, потом третьего и так далее, как схематично изображено на рисунке 6.26б. Такой подход требует выделения в общем цикле TDM достаточно длинного временного слота для передачи всех битов одного кодового слова подряд. Этот метод является логичным и простым для реализации при агрегации готовых блоков данных.

Метод чередования битов. Альтернативный метод известен как чередование битов. Его принцип иллюстрируется на рисунке 6.26в и заключается в послойной передаче данных. Сначала передается первый бит от каждого кодового слова всех мультиплексируемых каналов, затем второй бит от всех слов, затем третий и так далее. Для этого метода требуется выделение множества коротких временных слотов, каждый из которых отводится всего для одного бита от каждого канала. Результирующий набор битов, сформированный любым из методов, получает специальное название — кадр или фрейм.

Сравнительный анализ методов чередования. При мультиплексировании с разделением во времени выбор между методами чередования имеет системные последствия. При чередовании кодовых групп выделяется достаточно времени для передачи целого байта от каждого канала, что упрощает схемы демультиплексирования. При чередовании битов требуется время только для пропускания одного бита из каждого канала, что создает более быстрый и плотный поток. Каждый из подходов находит свое применение на разных уровнях иерархии цифровых сетей.

Иерархия методов чередования в сетях связи. В сетях общего пользования сложилась четкая иерархия применения методов чередования. Самый нижний уровень мультиплексирования, где источниками данных являются отдельные кодеры голосовых каналов, использует чередование кодовых групп. Это обусловлено тем, что эти устройства выдают данные именно готовыми группами. Напротив, самым высоким уровнем иерархии является чередование битов, где источниками данных служат непрерывные битовые потоки от мультиплексоров низших уровней, которые необходимо объединить в сверхскоростной магистральный поток.

Необходимость синхронизации в TDM. Критически важным аспектом работы любой TDM-системы является синхронизация. Передающее устройство должно добавлять в мультиплексированный битовый поток специальную служебную информацию, позволяющую приемнику однозначно идентифицировать начало каждого кадра. Без этой информации приемник не сможет корректно разделить общий поток на отдельные каналы, так как потеряет границы между временными слотами. Эта служебная информация называется сигналом синхронизации кадра.

Методы обозначения границ кадра. Информация о границах фрейма может формироваться различными способами. Наиболее распространенные методы включают добавление отдельного синхробита, добавление целой кодовой группы такой же длины, что и кодовые слова каналов, или систематическое изменение формы определенных битов в кадре. В классических телефонных сетях для определения границ фреймов к потоку данных, как правило, добавляется либо один бит, либо одна кодовая группа. Два наиболее часто используемых случая иллюстрируются на рисунке 6.27.

Рис. 6.27. Методы обозначения границ фреймов добавлением бита и добавлением кодового слова

Анализ методов добавления синхросигнала. Рисунок 6.27 наглядно сравнивает два основных метода вставки синхросигнала. В первом случае в начало каждого кадра добавляется один специальный бит, который и маркирует его начало. Во втором случае для этих целей используется целая кодовая группа (например, 8 бит), которая может нести более надежный и уникальный синхрослово. Выбор метода зависит от требований к надежности синхронизации и допустимых накладных расходов на служебную информацию в цифровом потоке.

Итоговый принцип синхронизации в TDM. Таким образом, в методе мультиплексирования с разделением во времени границы фрейма окончательно определяются либо специальными битами, либо уникальными кодовыми группами, регулярно повторяющимися в потоке. Приемное оборудование, постоянно отслеживая эти метки, поддерживает синхронизацию с передатчиком. Это обеспечивает строгое соответствие между временными слотами в принимаемом потоке и номерами каналов, для которых эти данные предназначены, гарантируя безошибочную работу всей системы связи.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Бигелоу С.Д., Карр Д.Д., Виндер С..

Источник: Энциклопедия телефонной электроники.

Данные публикации будут полезны студентам и специалистам в области телекоммуникаций и сетевых технологий, инженерам, изучающим принципы передачи данных, а также всем, кто интересуется историей и эволюцией модемной связи и базовыми сетевыми протоколами.