Аналого-цифровое преобразование

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Введение

дискретизация цифровой аналоговый

Телекоммуникации являются одной из наиболее быстро развивающихся областей современной науки и техники. На сегодняшний день в мире используется множество технологий и решений, которые позволяют передавать данные с разными скоростями и на различные расстояния.

В качестве среды для передачи информации применяются волокно, медные провода и воздушное пространство. Одним из перспективных направлений являются цифровые системы передачи. Цифровые системы многоканальной передачи занимают господствующее положение на сетях местной связи, находятся на стадии внедрения на сетях зоновой и магистральной связи.

Такое положение для цифровых систем передачи обусловлено тем, что при передаче сигналов в цифровом виде получаем более высокую помехоустойчивость, возможность передачи различных сигналов в едином цифровом виде предопределяет универсальность цифрового линейного тракта. Цифровые системы передачи позволяют использовать интегральные микросхемы цифровой логики, что увеличивает их надёжность уменьшает габариты аппаратуры и эксплуатационные расходы.

Цифровые методы передачи позволяют применять и цифровые методы коммутации сообщений, что способствует созданию интеллектуальных цифровых систем связи. В этих условиях базирование курсового проектирования только на уже принятых рекомендациях представляется нецелесообразным, так как может привести к сужению задач курсового проектирования и повторной разработке систем типа ИКМ-30, ИКМ-120 и других систем действующей иерархической структуры ЦСП. Поэтому объектами курсового проектирования являются локальные цифровые системы, лишь частично связанные разработанными рекомендациями. С их помощью предлагается организовать каналы различных типов.

1. Исходные данные

Структура системы определяется данными таблицы 1, в которой указаны типы и количество каналов, которые должны быть организованы в системе. Каналы, характеристики аналого-цифровых преобразователей (АЦП) которых подлежат расчету, имеют надпись «Расчет». Исходные данные для расчета представлены в таблицах 2 - 5.

Таблица 1.

Наименование	Параметры	Размерность	Величина
Канал телефонный	N		10
	r	кГц	Расчет
	m	Бит	расчет
Канал широкополосный	N		4
	r	кГц	510-600кГц
	m	Бит	10 бит
Канал ПДС - 4,8 кбит/с	N		10
	r	кГц	Расчет
	m	Бит	Расчет
Канал ПДС -2048 кбит/с	N		16
	r осн	кГц	2048
	r доп	кГц	3-6
	m	Бит	1
Групповой канал СУВ	N		1
	r	кГц	7-10
	m	Бит	1
Тип кабеля	Коакс. норм. диам.

Где: N - число каналов;

r - частота следования кодовых групп;

m - число битов в кодовом слове.

Таблица 2.

Параметры	Размерность
Для телефонных каналов:
н	кГц	0,3
в	кГц	3,4
ф	кГц	0,8
P1	дБм0	-45
P2	дБм0	-5
Ршн	дБм0	-60
aн	дБ	20
Pш.и	пВт	200
Номер шкалы		7
Для широкополосных каналов:
н	кГц	330
в	кГц	530
ф	кГц	12
P1	дБм0	-1
P2	дБм0	+10
aн	дБ	40
Pш.и	пВт	20000
Номер шкалы		7
Для каналов передачи дискретных сигналов:
н	%	20

Где _н и _в - соответственно нижняя и верхняя границы эффективно передаваемых частот канала;

_ф - ширина полосы расфильтровки фильтров, используемых в дискретизаторе и восстановителе аналоговой формы сигнала;

p₁ и p₂ - соответственно нижняя и верхняя границы нормируемого диапазона уровней преобразуемого сигнала в ТНОУ;

a_н - минимально допустимое значение защищенности передаваемого сигнала от шумов в заданном диапазоне изменения его уровней;

P_ш.и - ожидаемое значение средней мощности шумов в канале, возникающих из-за погрешностей изготовления кодеков. Указанное значение приведено в ТНОУ и относится к полосе, равной половине частоты дискретизации;

P_ш.и - допустимое значение абсолютного уровня шумов на выходе незанятого телефонного канала или канала вещания в ТНОУ;

_н - предельно допустимое значение фазовых дрожаний (краевых искажений) передаваемого дискретного сигнала.

Таблица 3.

Сегмент № 2	Сегмент № 3
2/1	n2/n1	3/1	n3/n1
2	3/4	4	1/4

Где ₁ , ₂ , ₃ - соответственно шаги квантования в первом, втором, третьем и четвертом сегментах;

n₁ , n₂ , n₃ - число шагов квантования соответственно в первом, втором, третьем и четвертом сегментах.

Таблица 4.

L	км	200
aз	дБ	18
Vвых	В	4,0

Таблица 5.

Тип кабеля	A(f), дБ/км	Zв , Ом
С коакс. парами норм. диаметра 2,6/9,4	2,52•vf	75

Где: L - длина линейного тракта проектируемой системы;

a_з - потери помехозащищенности регенератора;

V_вых - амплитуда импульсов в кабеле на выходе регенератора;

Рвп - абсолютный уровень внешних помех на входе регенератора;

А(f) - километрическое затухание кабеля;

Z_в - волновое сопротивление кабеля.

2. Проектирование подсистемы аналого-цифрового преобразования

Расчет частоты дискретизации _д

Частота дискретизации подбирается таким образом, чтобы исходный сигнал мог быть выделен из спектра дискретизированного сигнала в неискаженном виде.

и ,

n=0, то , а с учетом полосы расфильтровки получим+_ф

2 3,4 + 0,8 = 7,6 кГц

Рисунок 1 - Спектр сигнала для телефонного канала.

Расчет числа бит “m” в кодовом слове и зависимости помехозащищенности передаваемых сигналов от их уровня.

Рассчитаем шаг квантования ₁ по допустимому уровню шумов в незанятом канале.

Как известно, шумы на выходе канала складываются из шумов квантования и шумов из-за погрешности изготовления, поэтому мощность шумов в ТНОУ можно рассчитать по формуле:

,

где = 3,4 - 0,3 = 3,1 кГц;

- множитель, учитывающий попадание в полосу частот канала только части спектральных составляющих шума при их равномерном распределении в интервале, равном половине частоты дискретизации.

Средний квадрат ошибки квантования в незанятом канале равен ,тогда мощность шумов квантования на выходе незанятого канала в интервале, равном половине частоты дискретизации, может быть рассчитана по формуле:

Для проектируемых каналов = 600 Ом. С другой стороны, в соответствии с исходными данными, мощность шумов в незанятом канале не должна быть больше, чем:

, мВт.

,

где - должны быть выражены в ваттах, тогда шаг квантования будет иметь размерность в вольтах.

мВ

Рассчитаем по допустимой защищенности сигналов от шумов на выходе канала.

Защищенность сигнала от этих шумов определяется по формуле:

и не должна превышать значение номинальной защищенности. Это может иметь место только при условии выполнения соотношения:

= 1,16 мВ

Из двух рассчитанных предельных значений шагов квантования в первом сегменте для дальнейших расчетов следует принять наименьшее предельное значение = 1,16 мВ.

Защищенность сигнала при = 1,16 мВ равна:

= 20,02 дБ

Как было сказано ранее, защищенность сигнала должна превышать значение номинальной защищенности. Это условие выполняется. 20,02 20.

Рассчитаем порог ограничения.

= 0,44 В

; = 1,76 В

Расчет числа бит в кодовом слове на выходе АЦП :

В общем случае для сегментных шкал справедливо соотношение:

,

тогда количество битов в кодовом слове рассчитано по формуле:

,

где

Тогда получим:

Значение количества битов в кодовом слове оказалось дробным и мы его округлили, увеличив до ближайшего целого. При округлении соответственно уменьшается значение шага квантования в первом сегменте. Значение напряжения ограничения остается без изменения. Поэтому рассчитаем новое значение шага квантования в первом сегменте, значения шагов квантования в других сегментах и значения напряжений, соответствующих верхним границам сегментов:

В = 1 мВ; 2 мВ;

4 мВ.

;

Расчет зависимости защищенности от уровня передаваемого сигнала . Рекомендуется выбрать следующие значения уровней сигнала:

Найдем этим значениям уровней соответствующие значения эффективного напряжения:

(В).

0,0024 В

0,0044 В

0,0436 В

0,4356 В

0,7746 В

Средняя мощность шумов равна:

.

При использовании реальных кодеков с сегментными шкалами квантования, например, с трехсегментными, основными составляющими шумов являются:

· шумы, вызванные попаданием преобразуемого сигнала в зону сегмента 1; вероятность этого события обозначим ; так как в пределах сегмента шаг постоянен и равен , средняя мощность этой части шумов равна:

;

· шумы, вызванные попаданием преобразуемого сигнала в зоны сегментов 2, 3 и 4; соответствующие значения средних мощностей шумов равны:

; .

· шумы, вызванные попаданием преобразуемого сигнала в зону ограничения квантующей характеристики; средняя мощность этих шумов равна:

;

· шумы, вызванные погрешностями изготовления цифровых узлов; средняя мощность этой части шумов равна:

.

Полная мощность шумов на выходе канала в ТНОУ при передаче сигнала в случае использования трехсегментной шкалы квантования, равна:

.

Входящие в формулу значения полностью определяются значением и значениями , т.е. значением плотности распределения вероятностей мгновенных значений входного сигнала и параметрами шкалы квантования:

;

;

;

.

При нормальном распределении вероятностей мгновенных значений сигнала, среднеквадратическое значение которых определяется как

,

вероятность попадания преобразуемых мгновенных значений сигнала в один сегмент рассчитана по формуле:

,

где - интеграл вероятностей, значения которого приведены в таблице приложения методических указаний.

Ошибка ограничения может быть приблизительно рассчитана по формуле:

.

Произведем расчет величин для значения =0,0024 В:

;

;

;

0

Аналогичные расчеты произведем для , , и и занесем результаты в таблицу 6.

Полная мощность шумов на выходе канала в ТНОУ при передаче сигнала с заданными уровнями, как уже говорилось выше, определяется по формуле:

Приведем расчет этих величин для всех значений :

Вт

Вт

Вт

Расчет помехозащищенности проведем по формуле:

.

Рассчитаем для значения :

дБ

Аналогично проведем расчеты этой величины для всех значений и также занесем результаты в таблицу 6.

Проведем сравнение рассчитанных значений помехозащищенности с минимально допустимым (номинальным) значением помехозащищенности =20 дБ. Считается, что результат проектирования удовлетворяет предъявляемым требованиям, если в заданном динамическом диапазоне (P₁; P₂ - в таблице значения, соответствующие этому диапазону, выделены жирным шрифтом) обеспечивается выполнение соотношения . Соотношение выполняется.

Таблица 6

Pci	дБ	-50	P1= -45	-25	P2= -5	0
Uci	В	0.0024	0,0044	0,0436	0,4356	0,7746
W1		1,0	1,0	1,0	0,74572	0,4713
W2		0,0	0,0	0,0	0,2499	0,4191
W3		0,0	0,0	0,0	0,0043	0,0845
	В2	0,0	0,0	0,0
Pш	нВт	0,276	0,276	0,276	0,369	346
aш	дБ	15,41	20,67	40,59	59,33	34,60

График зависимости помехозащищенности от уровней передаваемого сигнала приведен на рисунке 1.



Рисунок 2 - График зависимости a(p).

В заключение необходимо рассчитать уровень шумов в незанятом канале, используя окончательное значение шага квантования в первом сегменте.

дБ

В соответствии с исходными данными, уровень шумов в незанятом канале не должен быть хуже, чемдБ - как видим, это условие выполняется.

3. Проектирование подсистемы преобразований дискретных сигналов.

3.1 Расчет параметров подсистемы преобразования дискретных сигналов

3.1.1 Способ кодирования амплитуды сигнала

Способ кодирования амплитуды называют способом стробирования или наложения. Этот способ состоит в том, что кодовые импульсы дискретного сигнала стробируются импульсами тактовой частоты канала, поступающими от генераторного оборудования ЦСП, а импульсы, полученные стробированием, вводятся в коллектор импульсных потоков. После выделения этих импульсов селектором выделяется огибающая пакетов импульсов, полученных стробированием. Число битов в кодовых группах канального цифрового сигнала ЦСП при использовании в кодере способа кодирования амплитуды равно единице. На кодер поступает только одна управляющая последовательность, частота следования импульсов которой равна .

Максимальная абсолютная величина фазовых дрожаний равна длительности тактового интервала канального сигнала:

Минимальное значение частоты следования кодовых групп зависит от заданной величины фазовых дрожаний:

,

где - частота следования символов дискретных сигналов, для двоичных сигналов она численно равна скорости:

Гц = 24 кГц

Коэффициент использования пропускной способности цифрового канала равен:

0,2

3.1.2 Способ скользящего индекса

Способ основан на передаче информации о временных положениях фронта дискретного сигнала в двоичном коде. Эта информация передается с помощью кодовых групп, состоящих не менее чем из трех символов.

На кодер, в котором реализуется способ СИ, поступают две управляющие последовательности импульсов, частоты следования которых равны: и .

Первый символ в кодовой группе равен «единице» при появлении любого фронта импульса дискретного сигнала, один символ используется для передачи характера фронта сигнала, остальные символы - для передачи расположения фронта дискретного сигнала по отношению к тактовым импульсам канального цифрового сигнала. Номер подинтервала, в котором наблюдается фронт импульса дискретного сигнала, кодируется натуральным арифметическим кодом. Если для передачи расположения фронта используется один символ, то точность передачи и максимальная величина фазовых дрожаний равны половине тактового интервала, если два, то максимальная величина фазовых дрожаний равна четвертой части тактового интервала и т.д. Начало кодовой группы - это всегда «единица». Положения этих стартовых символов не синхронизированы с последовательностью тактовых импульсов канального сигнала. Это вызывает скольжение стартового символа по временной оси, отсюда название способа.

При использовании в кодере способа СИ максимальная абсолютная величина фазовых дрожаний при передаче дискретного сигнала равна:

,

где - период следования тактовых импульсов канального цифрового сигнала.

Способ СИ может быть реализован в кодере при условии, что: .

Относительная величина фазовых дрожаний будет равна:

.

Примем , тогда .

Минимальное значение количества битов в кодовом слове равно трем.

Как видно, в этом случае рассчитанное значение фазовых дрожаний получилось меньше допустимого (равного 0,2), поэтому для реализации способа СИ примем количество бит в кодовых группах равным 3.

Минимальное значение частоты следования кодовых групп следует принять равным:

= 4800 Гц

Коэффициент использования пропускной способности цифрового канала может быть рассчитан по формуле:

.

Коэффициент размножения ошибок при средней длительности импульса дискретного сигнала равен:

+ 3 = 6.

3.1.3 Способ фиксированного индекса

Способ ФИ также основан на передаче информации о временных положениях фронта дискретного сигнала с помощью кодовых групп, состоящих не менее чем из трех символов. Но кодовые группы формируются в фиксированные моменты времени, определяемые управляющими сигналами ЦСП. При этом на кодер, в котором реализуется способ ФИ, должны поступать от генераторной аппаратуры ЦСП три управляющие последовательности, частоты следования импульсов которых равны:

, и .

Допустим, число битов в кодовой группе в кодере равно трем. При передаче информации о положении фронта дискретного сигнала первый символ в кодовой группе имеет значение «1», если наблюдался передний фронт сигнала, и «0», если наблюдался задний фронт сигнала. Следующие два символа передают в простом двоичном коде информацию о номере подинтервала, в котором наблюдался фронт дискретного сигнала, таких подинтервалов только три. При отсутствии фронта импульса дискретного сигнала формируется кодовая группа, первый символ которой совпадает по своему значению со значением дискретного сигнала («0», если в дискретном сигнале пробел, и «1», если передавался импульс дискретного сигнала). Последующие два символа кодовой группы равны при этом «единицам».

Относительная величина фазовых дрожаний при использовании способа ФИ равна:

; =0,33

При сравнении рассчитанного значения с допустимым, видим, что качество передачи не соответствует требованиям, поэтому увеличим число битов до четырех и снова рассчитаем значение фазовых дрожаний:

= 0,143

Этого достаточно, т.е. при количестве битов, равном 4, качество передачи соответствует требованиям.

Минимальное значение частоты следования кодовых групп следует принять равным: . Коэффициент использования пропускной способности цифрового канала может быть рассчитан по формуле:

По сравнению со способом СИ способ ФИ характеризуется меньшим значением коэффициента размножения ошибок (равен значению = 4), но требует меньшей длины регенерационного участка.

3.1.4 Выбор способа передачи

Наиболее сильное влияние на параметры проектируемой ЦСП оказывают численные значения частот следования кодовых групп и числа битов в кодовых группах. С их увеличением увеличивается тактовая частота группового цифрового сигнала ЦСП и уменьшается длина регенерационного участка. При незначительном уменьшении длины регенерационного участка можно считать допустимым использование способа кодирования амплитуды как наиболее простого в реализации. В противном случае предпочтение должно быть отдано способам СИ или ФИ, требующим узлов примерно одинаковой сложности. Но эти способы различаются коэффициентами ошибок, поэтому выбор способа СИ или ФИ рекомендуется выполнять на втором этапе сравнения.

Рассчитаем ориентировочные значения тактовых частот группового цифрового сигнала проектируемой ЦСП для случаев использования способов кодирования амплитуды, СИ и ФИ:

, , .

кГц

кГц

кГц

0,01

Как видно из расчета, соотношение выполняется. Целесообразно отдать предпочтение способу наложения. Для него =0,2.

4. Проектирование циклов передачи

В этой части работы нам необходимо провести разработку структуры цикла и сверхцикла и расчет тактовой частоты группового цифрового сигнала проектируемой системы передачи.

Цикл передачи группового цифрового сигнала ЦСП состоит из канальных интервалов, причем обычно в двух из них размещаются импульсы синхросигналов, сигналов управления и взаимодействия СУВ, вспомогательные сигналы.

Сигнал цикловой синхронизации обеспечивает согласованное с передающей станцией распределение отсчетных значений аналоговых сигналов по отдельным каналам, которые будут декодированы на приемном конце. Цикловой синхросигнал размещается в начале цикла. Число бит в слове циклового синхросигнала рекомендуется принимать равным 7-12.

Кроме цикловой синхронизации предусматривается также синхронизация устройств распределения сигналов СУВ между АТС и другими потребителями информации. Для обеспечения необходимого числа каналов передачи СУВ циклы ЦСП объединяются в сверхциклы. Для придания отличий этим сигналам по частоте следования, предусматривается передача кодовых групп сверхцикловой синхронизации (СЦС), отличающихся еще и своей структурой. Число бит в кодовой группе СЦС рекомендуется принимать равным 4-8.

Массив исходных данных для проектирования цикла и сверхцикла образуется исходными данными и результатами проектирования подсистем аналого-цифрового преобразования и передачи дискретных сигналов. Будем считать, что все преобразователи являются одноканальными. Цифровые потоки на выходах преобразователей следует полагать состоящими из кодовых групп, следующих друг за другом через интервалы, определяемые структурой проектируемого цикла. Следовательно, цифровые потоки удобно характеризовать частотой повторения кодовых групп и числом битов в кодовых группах.

На основании всего вышеизложенного в курсовом проекте к циклу и сверхциклу предъявляются следующие требования:

· Длительность сверхцикла не должна превышать 2-3 мс из-за ограничения

максимального времени восстановления синхронизма в ЦСП.

· Число битов в цикле и число циклов в сверхцикле ограничены:

2000 ,

70,

где - число битов в цикле; - число циклов в сверхцикле.

Желательно, чтобы эти числа разлагались на целочисленные сомножители возможно меньшей величины, при этом упрощается генераторная аппаратура ЦСП.

· В цикле и сверхцикле должны быть предусмотрены тактовые интервалы для передачи сигналов синхронизации. Число битов в слове циклового синхросигнала рекомендуется принимать равным 7-12, а в слове сверхциклового синхросигнала - 4-8.

· Групповой цифровой сигнал ЦСП должен быть получен в результате объединения цифровых сигналов по кодовым группам. Кодовые слова каждого канального сигнала должны располагаться в цикле (сверхцикле) по возможности регулярней, ритмичней. Чем регулярнее поток кодовых групп, тем проще аппаратура объединения и разделения цифровых потоков, так как можно использовать устройства буферной памяти с меньшим объемом и более простой алгоритм формирования управляющих импульсных последовательностей в генераторной аппаратуре. Для регулярного размещения битов цифровых сигналов можно цикл разделить на группы, частота повторения которых выше и кратна цикловой.

· Допустимо в цикле и сверхцикле иметь тактовые интервалы, не занятые передачей информации. Наличие таких интервалов может быть использовано для повышения регулярности цифровых потоков, а в дальнейшем - как резерв передачи сигналов данных, служебных переговоров и др.

· Тактовые интервалы в цикле и циклы в сверхцикле рекомендуется нумеровать, начиная с единицы. Первые тактовые интервалы в цикле рекомендуется использовать для передачи сигналов цикловой синхронизации.

· Для оценки качества проектирования цикла и сверхцикла рекомендуется рассчитать коэффициент использования пропускной способности группового цифрового тракта системы передачи по формуле:

,

где - число битов в сверхцикле;

- число битов сигнала цикловой синхронизации в сверхцикле;

- число битов сигнала сверхцикловой синхронизации в сверхцикле;

- число свободных тактовых интервалов в сверхцикле.

Коэффициент использования пропускной способности проектируемой ЦСП должен удовлетворять условию 0,94. Если в ЦСП групповой цифровой сигнал имеет только цикловую структуру, то формулу для расчета коэффициента использования пропускной способности необходимо изменить.

· Окончательное значение тактовой частоты группового цифрового сигнала проектируемой системы передачи может превышать значение этой частоты, рассчитанное при выборе способа передачи дискретных сигналов, не более, чем на 10%.

Примем в качестве ориентировочного значения тактовой частоты группового цифрового сигнала значение этой частоты, рассчитанное при выборе способа передачи дискретных сигналов. =54292 кГц.

В качестве частоты повторения циклов примем наименьшее значение частоты следования кодовых групп:

кГц

Рассчитаем ориентировочное значение числа тактовых интервалов в цикле как ближайшее большее целое отношения

Исходя из этого расчета, можно сделать вывод, что в данной ситуации обязательно наличие сверхциклов, так как результат расчета числа битов в цикле лежит в диапазоне

2000 2000 70

Определим области предполагаемых значений частот повторения циклов и сверхциклов. Области разрешенных значений этих частот определяются требованиями к циклу и сверхциклу, изложенными выше.

Для циклов:

Для сверхциклов:

Таблица 7 Параметры ЦСП

№	Тип канала	Число каналов	Частота повторения кодовых групп , кГц	, бит			Номера тактовых интервалов в цикле	Номера циклов
			Min	Max	Оконч
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
1	Телеф.	10	7,6		8,0	11		220	850-885 850-851	1,2,5-8 3,4
2	Широкополосный	4	510	600	512	10	640	5120	530-849, 886-1205	1-8
3	ПДС-4,8	10	24		32	1	10	80	520-529	1-8
4	ПДС-2048	16	2048		2048	1	1024	8192	8-519, 1206-1717	1-8
			3	6	4	1		16	1718-1719	1-8
5	Групп.СУВ	1	7	10	8	1		2	885	3-4
6	Цикл. синхр.	1	27	210	32	7	7	56	1-7	1-8
7	Сверх-цикл. синхр.	1	3	24	4	4		4	1720	3,4,7,8
8	Своб. такт. инт.							70	852-884, 1720	3,4 1,2,5,6

Затем проведем выбор окончательных значений частот следования кодовых групп, частот повторения циклов и сверхциклов. Они не обязательно должны быть равны целому числу в килогерцах или герцах. Их значения должны быть записаны шестью цифрами, поскольку относительная погрешность установки частоты задающего генератора в ЦСП не больше .

Примем частоту повторения циклов, а частоту повторения сверхциклов . Тогда число циклов в сверхцикле определится по формуле:

;

Затем выберем значения частот следования кодовых групп, принятые значения должны удовлетворять требованиям:

, для ,

, для ,

где - целые числа;

.

Выберем значения частот следования кодовых групп для каналов с частотой выше :

 кГц ;

кГц ;

кГц ;

А также для каналов с частотой ниже , но выше :

кГц ;

кГц ;

кГц ;

Как видно, все необходимые условия выполняются, поэтому внесем результаты выбора частот в соответствующий столбец таблицы 7.

Определим число битов в кодовых словах цикловой и сверхцикловой синхронизации. Увеличение числа битов в сигнале синхронизации сокращает время восстановления синхронизма, повышает его устойчивость, но уменьшает коэффициент использования пропускной способности группового тракта ЦСП.

Примем число бит в кодовом слове цикловой синхронизации равным и в слове сверхцикловой синхронизации и также внесем эти величины в таблицу.

Рассчитаем число тактовых интервалов в цикле и сверхцикле, необходимых для организации каналов каждого типа по формулам:

 для ;

, для .

Для каналов с частотой выше :

кГц ; ;

кГц ; ;

кГц ; ;

А также для каналов с частотой ниже , но выше :

кГц ; ;

кГц ; ;

кГц ;

Результаты расчета занесем в таблицу 7.

Рассчитаем минимально необходимое число тактовых интервалов в цикле. Количество тактовых интервалов в цикле должно превышать минимальное значение.

,

Примем и рассчитаем число свободных тактовых интервалов:



Разместим кодовые слова и биты сигналов по тактовым интервалам цикла и сверхцикла, заполнив при этом столбцы 10 и 11 таблицы 7.

Рассчитаем точное значение тактовой частоты цифрового группового сигнала проектируемой частоты по одной из формул:

или

кГц

Как уже оговаривалось в требованиях к циклу и сверхциклу, окончательное значение тактовой частоты группового цифрового сигнала проектируемой системы передачи может превышать значение этой частоты, рассчитанное при выборе способа передачи дискретных сигналов, не более, чем на 10%. Проверим выполнение этого условия:

%

Условие выполнено - частота превышена только на 1.37 процентов.

Для оценки качества проектирования цикла и сверхцикла рекомендуется рассчитать коэффициент использования пропускной способности группового цифрового тракта системы передачи по формуле:

,

При этом коэффициент использования пропускной способности проектируемой ЦСП должен удовлетворять условию 0,94.

Условие 0,94 выполняется.

Приведем основные параметры ЦСП:

= 32 кГц, =4 кГц, =8,

=1720, =13760,

=55040 кГц, =0,99.

Рисунок 4 - Структура циклов.

5. Проектирование линейного тракта

Исходные данные для проектирования линейного тракта приведены в таблицах 4 и 5. Из них нам известно, что для построения линейного тракта проектируемой ЦСП должен использоваться коаксиальный кабель нормального диаметра.

При расчетах полагается, что:

· Все виды помех в линии, включая переходные, имеют нормальный или гауссовский закон распределения вероятностей мгновенных значений;

· Потери помехозащищенности регенератора не зависят от характеристик используемого корректора (т.е. от фактической длины регенерационного участка).

Однополярная двухуровневая последовательность импульсов, сформированная нами выше, по ряду причин не может быть применена для непосредственной передачи по цифровому линейному тракту. Среди этих причин - значительное изменение плотности токов импульсов, особенности спектра (сильно выраженная низкочастотная часть, непосредственно примыкающая к постоянной составляющей, существенные высокочастотные составляющие) и т.д., поэтому перед расчетом мы должны осуществить выбор кода линейного тракта.

К кодам, используемым для передачи по линейному тракту ЦСП, предъявляются следующие требования:

Спектр линейного цифрового сигнала не должен содержать постоянной составляющей, что позволяет применять симметрирующие трансформаторы и обеспечивать дистанционное питание регенераторов постоянным током;

Энергетический спектр сигнала должен занимать как можно более узкую полосу частот, причем желательно, чтобы его максимум был на возможно более низких частотах - это позволяет получить большие участки регенерации;

Необходимо обеспечивать возможность выделения сигнала тактовой частоты для правильной работы регенератора;

Структура кода должна быть такой, чтобы в случае ее нарушения за счет возникновения ошибок в процессе регенерации можно было бы осуществлять контроль коэффициента ошибок в процессе эксплуатации.

В цифровых металлических линиях используются в основном трехуровневые коды. В таблице 8 приведены параметры некоторых кодов в цифровых линиях.

Параметры кодов в цифровых линиях

Таблица 8

Наименование кода	Количество уровней в линии,	Тактовая частота в линии,	Коэффициент размножения ошибок
AMI (ЧПИ)	3		1
HDB-3 (МЧПИ)	3		1
4B3T (алфавитный)	3		1,25
6B4T (алфавитный)	3

· ЧПИ - код с чередованием полярности импульсов (он же AMI). Основная энергия кода с ЧПИ сосредоточена в области частот, близких к половине тактовой, поэтому расчет затухания участка регенерации и оценка взаимных влияний должны осуществляться на этой частоте. Достоинство кода - он позволяет использовать наиболее простые устройства для преобразования кодов и обнаружения ошибок. Недостаток - полное подавление тактовой частоты, вследствие чего в регенераторах требуются высокооборотные выделители тактовой частоты для ее восстановления; низкая плотность единиц в линии (сохраняется такое же количество нулей, как и в исходном коде), что вынуждает использовать специальные устройства, повышающие случайность статистики передаваемого цифрового сигнала.

· КВП-3 - код с высокой плотностью единиц (модификация ЧПИ, он же HDB-3). Энергетический спектр его близок к ЧПИ (расчеты необходимо проводить также на половине тактовой частоты). Существенно улучшаются условия работы устройств хронирования регенераторов;

· 4В-3Т - код «4 Binary - 3 Ternary». Каждым четырем двоичным символам ставится в соответствие три троичных согласно специальной таблице кодирования. Тактовая частота понижается на треть. Это позволяет увеличить длину регенерационного участка примерно на 18%, однако при этом усложняются преобразователи кодов и регенераторы.

Все приведенные выше коды - это избыточные коды. Избыточность для кодов AMI и HDB-3 равна 0,58. Значение тактовой частоты в линии зависит от выбранного кода. Коды AMI и HDB-3 не изменяют тактовую частоту. Алфавитные коды понижают тактовую частоту в линии, что позволяет увеличить длину регенерационного участка при высокой тактовой частоте системы. На практике при преобразовании кодов не всегда стремятся к снижению частоты передаваемого сигнала, так как зачастую сокращение необслуживаемых регенерационных пунктов не компенсирует требуемого усложнения оконечного и промежуточного оборудования. Наиболее распространены на практике код ЧПИ и его модификация КВП-3.

Сравнивая коды, отдадим предпочтение КВП-3, как более простому в реализации и характеризующемуся меньшим коэффициентом размножения ошибок. Тактовая частота сигнала в линии будет равна рассчитанной ранее тактовой частоте группового цифрового сигнала =55040 кГц.

5.1 Эффективное напряжение помех на входе регенератора

Помехи, приведенные ко входу регенератора, складываются из шумов термического происхождения участка линии и внешних помех. Эквивалентная шумовая полоса помех при обычной трехуровневой передаче близка к .

Средняя мощность этих помех равна

(Вт),

где (Дж/град. К) - постоянная Больцмана;

К - абсолютная температура кабеля.

Тогда эффективное напряжение помех, приведенное ко входу регенератора, определится по формуле:

,

где выражена в мегагерцах.

В

5.2 Требования к защитному интервалу

Защитный интервал или полураскрыв глаз-диаграммы определяющим образом влияет на вероятность ошибок в передаче символов в пределах одного регенерационного участка. С другой стороны, допустимое значение вероятности ошибок в пределах одного регенерационного участка зависит от принятых норм на достоверность передачи битов по линейному тракту и от числа регенераторов, установленных в тракте. Чрезмерно сложный характер обеих зависимостей ведет к необходимости проведения расчетов итерационного характера. Номера этапов итерации =1, 2, … На первом этапе итерации (=1) примем:

.

Регенератор может обеспечивать такую вероятность ошибок, если

, то есть .

В

На последующих этапах итерации отношение защитного интервала и напряжения помех, приведенных ко входу регенератора, уточняется и определяется по значению вероятности ошибок, определяемому требованиями, которые предъявляются к достоверности передачи.

5.3 Амплитуда на входе регенератора

При идеально точном выполнении всех узлов регенератора, отсутствии межсимвольных помех в трехуровневой передаче амплитуду импульса на входе регенератора, определенную с учетом действия корректора, можно принять равной .

Для реального регенератора, для которого известны потери помехозащищенности, эта величина должна быть увеличена и определена по формуле:

0,0429 В

5.4 Затухание импульсного сигнала на регенерационном участке наибольшей длины

Предельно допустимое наибольшее затухание импульсов на участке регенерации может быть рассчитано по формуле:

(дБ),

где - амплитуда импульсов в кабеле на выходе регенератора ;

- амплитуда импульсов на входе регенератора, значение которой рассчитано выше.

39,39 дБ

С увеличением затухания сигнала в линии возрастают требования к конструкции усилителя регенератора. На практике значение затухания импульсного сигнала на регенерационном участке ограничивают сверху. В курсовом проекте рекомендовано принимать

80 дБ (рассчитанное нами значение удовлетворяет этому условию).

5.5 Предельно допустимая длина регенерационного участка

Затухание импульсов в кабеле примерно равно затуханию кабеля на частоте (0,5 - 0,6) значения тактовой частоты сигнала в линии. Примем этот коэффициент равным 0,5:

 (км),

где - километрическое затухание кабеля, рассчитанное по формуле, приведенной в таблице 5, для заданного типа кабеля, на частоте (МГц).

км

5.6 Допустимая вероятность ошибок в передаче символов на регенерационном участке предельно допустимой длины

Проектирование линейных трактов ЦСП может выполняться из расчета, что суммарная, результирующая вероятность ошибок на трактах длиной 10000 км не должна превышать .

,

где к - коэффициент размножения ошибок, величина которого зависит от кода в линии.

5.7 Требования к защитному интервалу на этапе итерации (+1)

Чтобы фактическое значение вероятности ошибок не превысило полученного выше значения, необходимо, чтобы защитный интервал в достаточной мере превышал действующее напряжение помех. Вероятность превышения абсолютными значениями помех напряжения защитного интервала равна:

.

Соотношение между и зависит от структуры регенератора и вероятности появления символов в регенерируемом сигнале. Обычно . Принимая , из вышеприведенной формулы для очередного этапа итерации можно получить:

Тогда на втором этапе итерации по тем же формулам получим:

В

В

дБ

км

Смену кода с целью увеличения длины участка регенерации будем считать нецелесообразной, так как при этом эффект от сокращения необслуживаемых регенерационных пунктов не компенсирует требуемых затрат на усложнение оконечного и промежуточного оборудования.

5.8 Завершение расчета

Расчет можно считать законченным, если точность вычисления длины регенерационного участка в процессе итерационных расчетов окажется не хуже 2%, что примерно эквивалентно критерию:

При расчете количества регенераторов на магистрали длиной 300 км следует помнить, что длины регенерационных участков не могут превышать предельно допустимое значение, рассчитанное выше, но могут иметь меньшие значения, поэтому:

В соответствии с этим значением скорректируем длину участка регенерации:

км

В результате расчетов выяснили, что при длине магистрали между двумя оконечными станциями в 200 км, длина регенерационного участка составляет 2,82 км, а количество этих участков 71. В таком случае количество необслуживаемых регенерационных пунктов составит 70 (на один меньше количества участков, так как последним будет станционный регенератор).

Число ОРП определяется возможностями дистанционного питания (На ОС и ОРП для питания НРП предусматриваются блоки ДП - дистанционного питания. Ток ДП передается по искусственной цепи через «средние точки» линейных трансформаторов.), и зависит от нескольких факторов, в том числе и от типа применяемого кабеля. В нашем случае (при достаточно большой протяженности трассы - 200 км) целесообразна установка ОРП в середине трассы.

Рисунок 5 - Схема размещения регенерационных пунктов на магистрали.

5.9 Регенератор

Рисунок 6 - Структурная схема регенератора.

Опишем принцип работы регенератора:

После прохождения участка линии на вход регенератора подается искаженный и задержанный на некоторое время сигнал. Через линейный трансформатор (ЛТР1) этот сигнал подается на вход линейного корректора (ЛК), в состав которого входит регулируемая искусственная линия (РИЛ), корректирующий усилитель (КУс) и схема АРУ. Корректирующий усилитель производит коррекцию импульсов, искаженных на предыдущем участке кабеля, и усиление их до величины, обеспечивающей надежную работу РУ. Коррекция формы импульсов осуществляется с целью полного или частичного устранения влияния одних импульсных посылок на другие за счет концентрации энергии импульсов в их тактовых интервалах. Это позволяет уменьшить вероятность ошибочной регенерации символов. К выходу (ЛК) через трансформатор (ТР) подключен блок выделения тактовой частоты (ВТЧ), узкополосным фильтром которого из выпрямленной последовательности импульсов выделяется колебание тактовой частоты (для управления работой РУ), и на выходе которого формируется последовательность коротких стробирующих импульсов. Формирователь стробимпульсов создает две сдвинутые на полпериода тактовой частоты последовательности узких стробирующих импульсов. Одна из них определяет моменты решения и определяет передние фронты регенерируемых импульсов. Необходимые временные соотношения для принятия решения подбираются с помощью фазовращателя (ФВ) - стробирующие импульсы фазируются относительно входных символов таким образом, что оказываются в середине тактовых интервалов, где амплитуда входных символов максимальна. Это также способствует уменьшению вероятности ошибки в процессе регенерации. Вторая последовательность стробирующих импульсов определяет задние фронты регенерированных импульсов. Стробирующие импульсы подаются на решающие устройства (РУ1 и РУ2). Так как в кабельных цифровых системах используют трехуровневую передачу, для выделения колебания тактовой частоты цифровой сигнал нужно предварительно выпрямить, поэтому регенератор содержит два решающих устройства - для положительных и отрицательных импульсов. Кроме того, на РУ через ТР подаются скорректированные импульсы, смещенные на величину порогового напряжения, вырабатываемого устройством формирования порога (ФП). Последнее содержит выпрямитель, работающий на инерционную нагрузку, и вырабатывает постоянное напряжение, равное половине амплитуды выходных импульсов ЛК. В РУ осуществляется стробирование (опробывание) в каждом такте поступающих импульсов. Если в момент прихода на РУ стробирующего импульса выходной сигнал имеет положительную полярность (т.е. разность между выходным сигналом ЛК и пороговым напряжением положительна), то на входе РУ формируется импульс, поступающий на вход соответствующего формирователя выходных импульсов (ФВИ). Если указанная разность отрицательна, то импульс на выходе РУ не формируется. То есть, если на вход РУ одновременно поступают последовательность тактовых импульсов с частотой f_т (от ВТЧ) и импульс сигнала ИКМ с амплитудой, равной или большей порогового значения U_пор, то на его выходе появится импульс. В этом случае на выходе РУ появится единица. Если амплитуда импульса на входе РУ меньше U_пор, то на выходе РУ появится нуль. Следовательно, если амплитуда помехи на входе РУ меньше U_пор, то на выход РУ она не пройдёт. Помеха вызовет появление импульса на выходе РУ только в том случае, если её амплитуда будет больше U_пор. При поступлении на вход генератора Г управляющего импульса от РУ, на его выходе появляется прямоугольный импульс с заданными параметрами. В ФВИ, который может быть реализован в виде ждущего блокинг-генератора, при поступлении импульсов с выхода РУ, формируются импульсы стандартной формы, амплитуды и длительности, следующие с тактовой частотой, то есть происходит объединение сформированных двумя РУ импульсов в биполярный сигнал и его усиление. Таким образом, кодовые группы на выходе регенератора содержат такие же прямоугольные импульсы, как в начале линии. Поскольку ФВИ1 и ФВИ2 подключены к линии через дифференциальный трансформатор, то импульсы на выходе ЛТР2 будут иметь разную полярность.

6. Разработка структурной схемы аппаратуры оконечной станции ЦСП

Исходными данными для разработки структурной схемы являются данные таблицы 1, результаты проектирования подсистем АЦП, передачи дискретных сигналов, результаты разработки цикла и сверхцикла и проектирования подсистем линейного тракта. Структурная схема аппаратуры оконечной станции содержит АЦП и ЦАП, преобразователи дискретных сигналов, устройства временного объединения и разделения цифровых сигналов, оконечную аппаратуру линейного тракта передачи и приема, аппаратуру формирования импульсных управляющих последовательностей (ГО) и устройства синхронизации.

Мультиплексор.

Для организации аналоговых каналов мультиплексор должен содержать АЦП. Каждый аналого-цифровой преобразователь включает: при использовании ИКМ - фильтр, АИМ-2, кодер.

Телефонный сигнал, пройдя дифференциальную систему и фильтр 0,3-3,4 кГц, поступает на амплитудно-импульсный модулятор 2 рода (АИМ-2), где подвергается дискретизации с частотой 8 кГц. Далее сигнал квантуется и кодируется в кодере поразрядного сравнения симметричным двоичным десятиразрядным кодом

Широкополосный сигнал также поступает на АИМ-2, где подвергается дискретизации с частотой 512 кГц. Далее сигнал квантуется и кодируется в кодере поразрядного сравнения симметричным двоичным одиннадцатиразрядным кодом.

Для передачи дискретных сигналов со скоростью 4,8 кбит/с используются кодеры; со скоростью 2048 кбит/с также применяются кодеры, но при этом используется кодирование скорости входного сигнала, и кодеры имеют два выхода: ПДС осн. и ПДС доп.

Выходы кодеров подключаются к входам формирователя группового сигнала (ФГС), который содержит устройства памяти для записи входных сигналов и считывания символов этих сигналов при формировании группового сигнала в соответствии с циклом.

Демультиплексор.

На вход демультиплексора поступает двоичный сигнал с тактовой частотой. Далее включается разделитель группового сигнала (РГС), который содержит буферные устройства памяти, в которые сигналы записываются в соответствии с циклом и из них считываются в приемные устройства каналов.

Для организации аналоговых каналов демультиплексор должен содержать ЦАП. Каждый цифрово-аналоговый преобразователь включает: при использовании ИКМ - декодер, фильтр, усилитель. Для каналов ПДС включаются декодеры. Для каналов со скоростями передачи не меньше 1024 кбит/с декодеры имеют два входа для подключения ПДС осн. и ПДС доп.

В схему демультиплексора включаются: приемники сигналов цикловой и сверхцикловой синхронизации. Входы приемников подключены к общему, единственному входу демультиплексора, выходы - к генераторной аппаратуре приемной части ЦСП.

Оконечная аппаратура линейного тракта.

Передающая часть оконечной аппаратуры линейного тракта подключается к выходу мультиплексора. В ее состав входит кодер линейного тракта. На выходе кодера линейного тракта формируется сигнал с параметрами, оптимальными для данного кабеля в соотношении качества передачи и стоимости. Приемная часть оконечной аппаратуры линейного тракта приема подключается к входу демультиплексора. В ее состав входят: станционный регенератор и декодер линейного тракта.

Станционный регенератор должен иметь значение вероятности ошибок не более допустимого значения вероятности ошибок в передаче символов на регенерационном участке, рассчитанного при разработке линейного тракта. В его состав входят: усилитель с корректором, два решающих устройства, выделитель тактовой частоты с полосовым фильтром или устройством фазовой автоподстройки частоты, выходное устройство.

Генераторная аппаратура.

Генераторная аппаратура включает: задающий генератор и аппаратуру формирования управляющих импульсных последовательностей для всех функциональных устройств аппаратуры ЦСП

Рисунок 7 - Структурная схема мультиплексора.



Рисунок 8 - Структурная схема демультиплексора.

Рисунок 8 - Структурная схема генераторного оборудования.

7. Таблица важнейших технических параметров проектируемой системы

Важнейшие технические параметры проектируемой системы приведены в таблице 8.

Таблица 8

Заключение

В данном курсовом проекте произведен расчет многоканальной цифровой системы передачи с соблюдением всех технических требований. Приведены структурные схемы построения системы передачи. Рассчитано минимальное расстояние между РП. По этому принципу можно спроектировать ЦС и для других передаваемых информационных сигналов с произвольным числом каналов, организовать любой цифровой поток. В данном курсовом проекте коэффициент использования пропускной способности группового тракта ЦСП равен 0,99, но в связи с быстрым развитием потребности у потребителя в качественной связи и ростом информатизации этот коэффициент возрастет в очень короткий период.

Список литературы

1. Кулева Н.Н., Сосновский И.Е., Федорова Е.Л. Цифровые системы передачи. Методические указания к курсовому проектированию. - Санкт-Петербург 2009.

2. Многоканальные системы передачи: Учебник для вузов. Под ред. Баевой Н.Н. и Гордиенко В.Н. - М.: Радио и связь, 2010.

Размещено на Allbest.ru