Каналообразующая аппаратура PDH

Основы построения цифровых систем передачи. Структурная схема оконечного оборудования цифровых систем передачи. Принципы синхронизации в ЦСП. Временное группообразование, принципы объединения и разделения цифровых потоков. Системы передачи PDH

Основа перехода от аналогового сигнала - Дискретизация, квантование и кодирование.

Дискретизация:

В процессе формирования АИМ сигнала осуществляется дискретизация непрерывного (аналогового) сигнала во времени в соответствии с известной теоремой дискретизации (теоремой В.А.Котельникова): любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой FВ, полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчетов, взятых через промежуток времени Tд=1/2 FВ, называемый периодом дискретизации. В соответствии с ним частота дискретизации, т.е. следования дискретных отсчетов, выбирается из условия FД = 2FВ.

Поскольку все реально существующие непрерывные сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром, причем основная энергия сосредоточена в относительно узкой полосе частот, перед дискретизацией необходимо с помощью фильтра нижних частот ограничить спектр сигнала некоторой частотой FВ. Для телефонных сигналов необходимо использовать ФНЧ с частотой среза FВ=3,4 кГц. Частота дискретизации для телефонных сигналов выбрана равной 8 кГц.

Аналоговый сигнал

Сигнал АИМ1

Квантование:

В процессе квантования по уровню значение каждого АИМ-отсчета заменяется ближайшим разрешенным значением.

Характеристиками квантующего устройства являются следующие:

· число уровней квантования NКВ;

· шаг квантования α - разность между двумя соседними разрешенными уровнями;

· напряжение ограничения UОГР - максимальное значение амплитуды отсчета, подвергаемого квантованию.

Если d =const, то квантование называют равномерным. Амплитудная характеристика равномерного квантователя показана на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Амплитудная характеристика равномерного квантователя

Ошибка квантования - разность между истинным значением отсчета и его квантованным значением. При равномерном квантовании величина ошибки квантования не превышает половины шага квантования.

При квантовании возникает так называемый шум квантования, мощность которого определяется выражением PШ.КВ = α2/12. Защищенность от шумов квантования определяется как АЗ.КВ=10lg(PС/PШ.КВ).

Если входное напряжение выше порогового, на выходе квантователя формируются отсчеты с амплитудой UОГР - такой режим работы квантователя называется перегрузкой. При этом возникают шумы ограничения, мощность которых значительно превышает мощность шумов квантования. Необходимо применять специальные меры, предотвращающие перегрузку квантователя.

Недостатком равномерного квантования является меньшая защищенность от шумов квантования малых уровней сигнала.

Для обеспечения АЗ.КВ не менее 30 дБ во всем динамическом диапазоне речевого сигнала требуется 212=4096 уровней квантования.

Большое число разрядов в коде (m=12) при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры и неоправданному увеличению тактовой частоты. Устранить указанный существенный недостаток можно, осуществляя неравномерное квантование, которое используется в современных ЦСП. Сущность неравномерного квантования заключается в следующем. Для малых значений сигналов шаг квантования выбирается минимальным и постепенно увеличивается, достигая максимального для больших значений сигналов. Амплитудная характеристика неравномерного квантователя показана на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Амплитудная характеристика неравномерного квантователя

При этом для слабых сигналов РШ.КВ уменьшается, а для сильных - возрастает, что приводит к увеличению АЗ.КВ для слабых сигналов и снижению АЗ.КВ - для сильных, которые имели большой запас по помехозащищенности. В результате удается снизить разрядность кода до m=8 (NКВ=256), обеспечив при этом выполнение требований к защищенности от шумов квантования в широком динамическом диапазоне сигнала DС, составляющем около 40 дБ. Таким образом происходит выравнивание АЗ.КВ в широком диапазоне изменения уровней сигнала.

Эффект неравномерного квантования может быть получен с помощью сжатия динамического диапазона сигнала с последующим равномерным квантованием. Сжатие динамического диапазона сигнала осуществляется с помощью компрессора, обладающего нелинейной амплитудной характеристикой. Чем большей нелинейностью обладает компрессор, тем больший выигрыш может быть получен для слабых сигналов.

Для восстановления исходного динамического диапазона сигнала на приеме необходимо установить экспандер (расширитель), амплитудная характеристика которого должна быть обратной амплитудной характеристике компрессора. Таким образом, результирующая (суммарная) амплитудная характеристика цепи компрессор-экспандер (компандер), должна быть линейной во избежание нелинейных искажений передаваемых сигналов.

Рис. 1.5. Сигнал АИМ2

Кодирование:

В процессе кодирования амплитуда каждого квантованного по уровню АИМ отсчета представляется в виде двоичной последовательности, содержащей m символов.

Как говорилось выше, для качественной передачи телефонного сигнала при равномерном и неравномерном квантовании нужно иметь, соответственно, 4096 и 256 уровней квантования, т.е. необходимо использовать 12- и 8-разрядный двоичный код.

Линейным кодированием называется кодирование равномерно квантованного сигнала, а нелинейным - неравномерно квантованного сигнала.

Код, формируемый в кодере, называется параллельным, если импульсные сигналы (1 и 0), входящие в состав m-разрядной кодовой группы, появляются на разных выходах кодера одновременно, причем каждому выходу кодера соответствует сигнал определенного разряда. Код называется последовательным, если все сигналы, входящие в состав m-разрядной кодовой группы, появляются на одном выходе кодера поочередно со сдвигом по времени (обычно начиная со старшего по весу разряда). Параллельный код может преобразовываться в последовательный и наоборот.

Часто функции квантования и кодирования (соответственно декодирования и деквантования) выполняет одно устройство.

При кодировании с неравномерной шкалой квантования могут использоваться следующие способы:

· аналоговое компандирование, характеризующееся компрессией (сжатием) динамического диапазона сигнала перед линейным кодированием, и экспандированием (расширением) динамического диапазона сигнала после линейного декодирования;

· нелинейное кодирование, характеризующееся кодированием сигнала в нелинейных кодерах, сочетающих функции аналого-цифрового преобразования и компрессора;

· цифровое компандирование, характеризующееся кодированием сигнала в линейном кодере с большим числом разрядов с последующей нелинейной цифровой обработкой результата кодирования.

На практике наиболее часто используется нелинейное кодирование.

При частоте дискретизации FД = 8кГц (TД = 125 мкс) и разрядности кода m = 8 получаем скорость передачи сформированного ИКМ-сигнала 64 Кбит/с, которая и является скоростью основного цифрового канала (ОЦК). Преобразование аналогового сигнала в сигнал ИКМ стандартизировано МСЭ-Т Рекомендацией G-711.

Устройства, в целом выполняющие преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно, называются, соответственно, аналого-цифровыми (АЦП) и цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).