Основы построения многоканальных систем передач

Рисунок 3.2.3 - Диаграмма уровней

где Р_ПЕР, Р_ПР - уровни сигнала на передаче и приеме, Р_ПОМ - уровень помехи

Аппаратура ОУП и НУП служит не только для усиления аналогового сигнала, но и для коррекции (выравнивания) амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик линейного тракта. Аппаратура НРП и ОРП предназначена для восстановления амплитуды, длительности и временного интервала между импульсами сигнала цифровых систем.

Остаточное затухание канала - рабочее затухание (усиление) канала, определяемое в условиях замыкания входа и выхода канала на активные сопротивления нагрузок, равные номинальным значениям входного и выходного сопротивлений канала как четырёхполюсника. При согласовании всех элементов, образующих канал передачи, по входным сопротивлениям остаточное затухание можно определить как разность суммы затуханий и суммы усилений в канале:. Остаточное затухание канала ТЧ составляет 7 дБ. Максимальное отклонение во времени на одном транзитном участке не должно превышать 2.2 дБ с вероятностью 0.95.

Эффективно передаваемая полоса частот канала ТЧ - полоса, на крайних частотах которой (0.3 и 3.4 кГц) остаточное затухание на 8.7 дБ превышает остаточное затухание на частоте 800 Гц. Частотная характеристика отклонения канала ТЧ от номинала 7 дБ должна оставаться в пределах шаблона (рисунок 3.2.4) при максимальном числе транзитов, т.е. при 12 переприемных участках.

Рисунок 3.2.4 - Шаблон отклонения остаточного затухания аналогового канала ТЧ

Фазочастотные искажения не являются столь существенным при передаче речи. Но так как каналы ТЧ используются также для передачи данных и факсимильной связи, большие фазочастотные искажения недопустимы. Поэтому нормируется отклонение группового времени передачи (ГВП) от его значении на частоте 1900 Гц на одном транзитном участке длиной 2500 км (рисунок 3.2.5).

Рисунок 3.2.5 - Допустимые отклонения ГВП канала ТЧ

Коэффициент нелинейных искажений канала ТЧ на одном транзитном участке не должен превышать 1.5% (1% по третьей гармонике) при номинальном уровне передачи тока частотой 800 Гц. Амплитудная характеристика при этом нормируется следующим образом: остаточное затухание канала на одном транзитном участке должно оставаться постоянным с точностью 0.3 дБ при изменении уровня измерительного сигнала от минус 17.5 дБ до плюс 3.5 дБ в точке с нулевым измерительным уровнем на любой частоте пределах 0.3… 3.4 кГц. При повышении уровня измерительного сигнала до 8.7 и 20 дБ остаточное затухание должно уменьшиться не менее чем на 1.75 и 7.8 дБ соответственно.

Помехи в каналах ТЧ. На выходе канала ТЧ кроме информационного сигнала присутствуют помехи, которые определяются на приемном конце в точке с относительным уровнем -7 дБ. Средняя величина псофометрического (взвешенного) напряжения помех в канале в течение любого часа на одном переприемном участке длиной 2500 км не должна превышать 1.1 мВ псоф. (10000 пВт псоф. В точке относительного нулевого уровня).

Стандартные каналы ТЧ, организованные с помощью цифровых и оптических систем передачи, являются более высококачественными. Поэтому ряд характеристик цифровых каналов ТЧ имеют следующие отличия:

Нормы на амплитудно-частотные искажения заданы МСЭ-Т в виде шаблона (рисунок 3.2.6). Если сравнить допустимые отклонения остаточных затуханий цифровых и аналоговых каналов ТЧ, можно отметить, что нормы для цифровых каналов более жесткие. То же можно сказать и о фазочастотных искажениях (рисунок 3.2.7).

Рисунок 3.2.6 - Шаблон отклонений остаточного затухания цифрового канала ТЧ

Рисунок 3.2.7 - Шаблон на допустимую неравномерность ГВП цифрового канала ТЧ

Для цифровых каналов ТЧ вводится дополнительная характеристика, которая оценивает шумы квантования. Эта характеристика задается в виде зависимости отношения сигнал-шум (ОСШ) от уровня сигнала (рисунок 3.2.8).



Рисунок 3.2.8 - Зависимость отношения сигнал/шум квантования от уровня сигнала

Широкополосные каналы. Современные системы передачи позволяют организовать каналы с более высокой, чем канал ТЧ пропускной способностью. Увеличение пропускной способности достигается расширением эффективно передаваемой полосы частот (ЭППЧ), причем широкополосные каналы образуются объединением определённого количества каналов ТЧ.

Рабочие полосы частот сетевых трактов и каналов приведены в таблице 3.2.1. Полосы частот широкополосных каналов несколько уже за счёт полосовых фильтров КФО: внутри рабочих полос имеются области «всплесков» затухания и фазы из-за содержания в КОТ и КФО заграждающих фильтров на частотах контрольных сигналов.

Таблица 3.2.1 - Рабочие полосы частот сетевых трактов и каналов

Вид канала или тракта	Тракт	Канал
Предгрупповой	12,3…23,4
Первичный	60,6…107,7	65…103
Вторичный	312,3…551,4	330…530
Третичный	812,6…2943,7	900…1900

3.3 Организация двусторонних каналов

К большинству систем связи предъявляется требование обеспечения одновременной и независимой передачи сигналов в двух направлениях - требование двусторонней связи. Для организации двусторонней связи используются два канала однонаправленного действия, образующих двунаправленный четырехпроводный канал (рисунок 3.3.1). Проходящие через однонаправленный канал сигналы усиливаются (S_А-Б и S_Б-А).

Рисунок 3.3.1 - Канал двустороннего действия

Двунаправленный двухпроводный канал образуется из четырехпроводного при помощи развязывающих устройств (РУ) [1]. Зажимы 1-1 РУ называют линейными. Прохождение сигналов от линейных зажимов РУ станции А к линейным зажимам РУ станции Б, а также в противоположном направлении показаны на рисунке 3.3.1 с помощью сплошной и штриховой линий.

Затухание сигналов между линейными зажимами станций А и Б называется остаточным затуханием двухпроводного канала а_ОСТ = а_1-2 - S_А-Б(Б-А) + a_4-1. Желательно, чтобы а_1-2 и a_4-1 были минимальны.

Основная трудность при организации перехода от четырех- к двухпроводному каналу с помощью РУ состоит в появлении петли обратной связи (ОС). Сигнал, попадая в двухпроводный канал, начинает циркулировать по петле ОС, что приводит к искажениям формы сигналов и в пределе - к самовозбуждению канала.

Затухание, которое претерпевает сигнал, проходя от зажимов 4-4 к зажимам 2-2 РУ, называется переходным a_ПЕР.

Затухание по петле ОС, равное сумме всех затуханий и усилений, a_ОС = a_ПЕР1 + a_ПЕР2 - S_А-Б - S_Б-А носит специальное название - запас устойчивости. Если a_ОС ? 0, то канал неустойчив и самовозбуждается.

В качестве РУ в современных системах передачи широко используется дифференциальная система (ДС), выполненная на основе симметричного трансформатора со средней точкой (рисунок 3.3.2) (полуобмотки II и III идентичны). В состав ДС входит сопротивление Z₃, называемое балансным. Оно приближенно отражает свойства входного сопротивления абонентской линии [5].

Рисунок 3.3.2 - Схема трансформаторной ДС

К ДС предъявляются требования минимального затухания в рабочих направлениях и максимального переходного затухания. Данные требования выполняются при соблюдении так называемого условия баланса ДС. Условием баланса ДС в направлении 4-4 - 2-2 является равенство входного сопротивления абонентской линии и балансного сопротивления Z_ВХ=Z₃. Условием баланса ДС в направлении 1-1 - 3-3 является равенство входного сопротивления первой полуобмотки дифференциального трансформатора и входного сопротивления направления приема четырехпроводного канала Z_ВХ.ТР.=Z₄.

В случае сбалансированной ДС мощность входных сигналов, подводимых к зажимам 1-1 и зажимам 4-4, передается на соответствующие выходные зажимы 2-2 и 1-1 не полностью, а лишь частично, и входные сигналы испытывают так называемые рабочие затухания ДС а_4-1 = а_1-2 = 10lg2 = 3дБ. В реальных ДС за счет не идеальности трансформатора рабочие затухания несколько больше.

Переходное затухание а₄₂ реальной ДС также является конечной величиной. Оно зависит, в основном, от точности равенства входного сопротивления абонентской линии и балансного сопротивления. Точно выполнить это равенство на практике не представляется возможным, поскольку к одной и той же ДС могут подключаться абонентские линии с существенно различающимися характеристиками при неизменной величине балансного сопротивления. Величина переходного затухания а₄₂ трансформаторных ДС может быть определена по формуле:

,

где - балансное затухание трансформаторной ДС.

3.4 Схемы организации двусторонних трактов

Различают две основные схемы:

Однополосная четырехпроводная (рисунок 3.4.1, а). Линейные тракты имеют совпадающие спектры. При использовании симметричных кабелей во избежание значительных взаимных влияний линейные тракты размещаются в различных кабелях. Такая схема называется двухкабельной. При использовании коаксиального кабеля взаимные влияния практически отсутствуют, поэтому коаксиальные пары могут размещаться в одном кабеле. Такая схема называется однокабельной.

Двухполосная двухпроводная (рисунок 3.4.1, б). Используется один и тот же линейный тракт. При этом связь в противоположных направлениях передачи организуется в разных полосах частот при помощи пары направляющих фильтров ФВЧ и ФНЧ (рисунок 3.4.2).

Рисунок 3.4.1 - Однополосный четырехпроводный (а) и двухпоплосный двухпроводный (б) линейные тракты

Рисунок 3.4.2 - Разделение спектров направлений передачи в двухполосных системах.

3.5 Коммутация каналов, сообщений и пакетов

Известны три способа коммутации: коммутация каналов, коммутация сообщений, коммутация пакетов [27].

На телефонных сетях наиболее распространенным способом коммутации является коммутация каналов (линий). Он характеризуется тем, что по переданному адресу представляется тракт между передатчиком и приемником на все время передачи информации в реальном масштабе времени. Недостатком этого способа является неэффективное использование тракта, так как информация (речевое сообщение) прерывается длительными паузами. В таких системах коммутации качество обслуживания вызовов оценивается вероятностью отказов в установлении соединения из-за занятости каналов (линий) и приборов коммутации (системы с потерями) или временем ожидания обслуживания вызова (в системах с ожиданием). Перечисленные показатели нормируются.

Способ коммутации сообщений характеризуется тем, что тракт между приемником и передатчиком заранее не устанавливается, а канал в нужном направлении предоставляется (по адресу, приписываемому в начале сообщения), только на время передачи сообщения, а в паузах этот канал используется для передачи других сообщений. Системы коммутации сообщений являются системами с ожиданием. Качество обслуживания вызовов оценивается по среднему времени задержки сообщения. Способ коммутации сообщений используется, когда не требуется работа в реальном масштабе времени. По сравнению с коммутацией каналов коммутация сообщений имеет следующие преимущества: повышается использование каналов; возможно использование разных типов каналов на разных участках; регистрируются и хранятся проходящие через узел сообщения.

При коммутации пакетов сообщение разбивается на части одинакового объема, называемые пакетами. Каждому пакету присваивается номер пакета и адрес получателя. Передача пакетов одного сообщения происходит аналогично передаче в системе с коммутацией сообщений и может осуществляться по одному или разным путям. В оконечном пункте пакеты собираются и выдаются адресату.

Каждый из способов коммутации имеет свои преимущества и недостатки и может быть эффективно использован в определенных условиях и для определенных видов информации.

3.6 Элементы теории телетрафика

Теория телетрафика - раздел теории массового обслуживания. Основы теории телетрафика заложил датский учёный А.К. Эрланг. Термин «трафик» соответствует термину «телефонная нагрузка». Последовательность сообщений (занятий) создает нагрузку на системы передачи и коммутации. Она определяется потоком вызовов и длительностью занятий канала.

Вызов - требование источника на установление соединения или передачу сообщения.

Поток вызовов - последовательность моментов поступления вызовов.

Длительность занятия - среднее время, в течение которого занят обслуживающий прибор при одном занятии.

В общем случае потоки вызовов являются случайными процессами. Точное математическое описание потоков невозможно, поэтому используются их модели.

Наиболее распространена модель в виде простейшего потока вызовов - это стационарный ординарный поток без последействия.

В большинстве случаев поток вызовов в ЧНН от группы источников численностью > 100 удовлетворительно описывается простейшим потоком.

В том случае, если число источников меньше 100, используют модель примитивного потока.

Примитивный поток - ординарный поток, параметр которого прямо пропорционален числу свободных источников.

Телефонная нагрузка - общая длительность занятия обслуживающих приборов в течение некоторого промежутка времени.

Единица измерения нагрузки 1 часо-занятие.

Интенсивность телефонной нагрузки - величина нагрузки в единицу времени, измеряется в Эрлангах

1 Эрл = 1 часо-занятие / час

Интенсивность телефонной нагрузки имеет сильные колебания, в том числе и в течение дня.

Час наибольшей нагрузки [ЧНН] - период суток, в течение которого нвгрузка имеет наибольшее значение

Потери - часть поступающей нагрузки, которая не обслуживается из-за занятости обслуживающих приборов [16].

Различают виды коммутационных систем: коммутационные системы без потерь; коммутационные системы с потерями; коммутационные системы с ожиданием.

Дисциплиной обслуживания без потерь называется такая, при которой поступающий вызов немедленно обслуживается, и с потерями, если поступающий вызов либо получает отказ в обслуживании, либо обслуживание его задерживается на некоторое время.

По экономическим соображениям реальные коммутационные системы обычно проектируются с потерями. Различают следующие виды потерь: явные, условные и комбинированные.

Дисциплиной обслуживания с явными потерями называется такая, при которой поступающий на коммутационную систему вызов, получая отказ в обслуживании, покидает систему и в дальнейшем не оказывает на систему никакого влияния. При такой дисциплине обслуживания абонент, получив сигнал «занято», отказывается от дальнейших попыток установить соединение.

Дисциплиной обслуживания с условными потерями называется такая, при которой поступающий на коммутационную систему в момент отсутствия соединительных путей вызов не теряется, а обслуживается с ожиданием (дисциплина обслуживания с ожиданием). Если вызов обслуживается после многократных повторений попыток установить соединение, то имеет место дисциплина обслуживания с повторением.

Структура коммутационной системы характеризуется большим числом параметров: числом звеньев, числом, емкостью и способами связи коммутаторов и так далее. Наиболее удобной функцией распределения длительности обслуживания с точки зрения аналитического описания и анализа пропускной способности коммутационных систем является показательное распределение, так как оно не обладает последействием.

,

где в =1/М(t) - параметр длительности обслуживания;

М(t) - математическое ожидание длительности обслуживания.

Одной из важнейших характеристик коммутационных систем является их эффективность. В качестве показателей эффективности наряду с экономическими (капитальными затратами, эксплуатационными расходами) широко используется и такой технический показатель, как пропускная способность.

Под пропускной способностью коммутационной системы понимается интенсивность обслуженной коммутационной системой нагрузки при заданном качестве обслуживания. Пропускная способность коммутационной системы зависит от величины потерь, емкости пучков линий, включенных в выходы коммутационной системы, от способа (схемы) объединения этих выходов, класса потока вызовов, структуры коммутационной системы. Распределения длительности обслуживания и дисциплины обслуживания.

Для количественной оценки качества обслуживания с явными потерями рассчитываются следующие величины: потери по вызовам - р_Н; потери по времени - р_t..

Потери по вызовам на отрезке времени [t₁, t₂) - это отношение числа потерянных за этот отрезок времени вызовов к числу поступивших за то же время вызовов.

Потери по нагрузке на отрезке времени [t₁, t₂) - это отношение потерянной за этот отрезок времени нагрузки к поступающей за то же время нагрузке.

Потери по времени за отрезок времени [t₁, t₂) - это доля времени, в течение которого все соединительные пути, доступные группе источников, заняты.

Если в выражения для потерь по вызовам, нагрузке и времени подставить математические ожидания соответствующих случайных величин, то можно говорить о вероятности потерь по вызовам, нагрузке и времени. Тогда формула для расчета р_в будет иметь вид:

, (3.6.1)

где л - интенсивность потока вызовов; х - количество каналов;

Формула 3.6.1 называется распределением Эрланга. Она показывает, что вероятность р_i зависит только от числа занятых линий i, емкости пучка х и величины параметра потока вызовов л. По этим соображениям вероятность р_i принято обозначать Е_i,х(л), а вероятность р_х - через Е_х,х(л) или Е_х(л).

Р_в = р_t = р_х = Е_х(л).

При выводе формулы средняя длительность занятия принята равной единице; отсюда и параметр длительности занятий при показательном законе распределения в = 1. В общем случае при измерении длительности занятий в любых единицах времени (в 1) распределение Эрланга имеет следующий вид:

, (3.6.2)

В частности, вероятность того, что в полнодоступном пучке заняты все х линий (i = х), равна

, (3.6.3)

где y - интенсивность поступающей нагрузки

y = м = м/в = л/в;

м - интенсивность потока вызовов; - средняя длительность занятия.

Для простейшего потока, который является ординарным и стационарным, м = л. Тогда распределение Эрланга имеет вид:

, (3.6.4)

При распределение Эрланга преобразуется в распределение Пуассона:

, (3.6.5)

Для количественной оценки качество обслуживания с ожиданием рассчитываются характеристики: вероятность ожидания обслуживания для поступившего вызова - p(г>0); вероятность ожидания для любого поступившего вызова свыше времени t, равна p(г>t); среднее время ожидания по отношению ко всем поступившим вызовам - и по отношению только к задержанным вызовам - ; вероятность того, что длина очереди превышает заданную величину r, p(R>r); средняя длина очереди - . Основными характеристиками являются p(г>0) и p(г>t).

Для систем с ожиданием вероятность ожидания для поступившего вызова P(г>0) - это отношение математических ожиданий числа задержанных в обслуживании за отрезок времени [t₁,t₂) вызовов к числу поступивших за рассматриваемый промежуток времени вызовов находится из выражения:

, (3.6.6)

Выражение (3.6.6) называется второй формулой Эрланга. Формула табулирована. Таблицы позволяют по любым двум из трех параметров y, х, p_t - определить третий.

Выражение (3.6.6) показывает, что потери по времени p_t, численно равные условным потерям p(г>0), могут быть определены и с помощью таблиц первой формулы Эрланга [17]. Используя эти таблицы, p_t можем определить из следующего соотношения:

, (3.6.7)

Потери измеряются в процентах или в промилле [0.1%].

Нормативы:

На ГТС между двумя ТА на одной ГТС р ? 0.03; на ЗТС между двумя ТА разных местных сетей одной зоны р ? 0.03 - 0,13; на МТС между двумя ТА разных зон семизначной нумерации р ? 0.1.

Если потери меньше 10 %, то абоненты на них не реагируют.

Основная задача инженерных расчетов - установление оптимального количества обслуживающих приборов при заданной интенсивности нагрузки и качестве обслуживания:

V = f [Y,р].

3.7 Принципы построения систем коммутации

Точка коммутации - группа коммутационных элементов, осуществляющих коммутацию одновременно при подаче одного управляющего сигнала.

Звено коммутации - группа коммутаторов, обеспечивающих одну и ту же функцию в коммутационной станции

Коммутационный блок - часть ступени искания, представляющая собой совокупность точек коммутации, обслуживающих определенную группу входов

Ступень искания - часть коммутационной станции, реализующая один вид искания

Коммутационное поле (КП) - совокупность коммутационных приборов всех ступеней искания станции

Коммутационная станция - совокупность технических средств, обеспечивающая коммутацию абонентских и соединительных линий и каналов при осуществлении оконечных и транзитных соединений во вторичной сети связи.

Пространственная коммутация. В пространственных КП коммутируемые цепи разделены в пространстве. Простейшим коммутационным устройством КП является коммутатор (рисунок 3.7.1) - это коммутационная схема с n входами и m выходами.



Рисунок 3.7.1 - Схема коммутатора nЧm и его символическое изображение.

В точке пересечения входа с выходом может быть установлен коммутационный элемент (КЭ) - металлический контакт или полупроводниковый переключатель. Если в квадратном коммутаторе nЧn на пересечении всех входов с выходами установлены КЭ, то в нём всегда можно установить соединение заданного входа с любым свободным выходом. Коммутатор с таким свойством является неблокирующим, то есть все его выходы доступны любому входу и даже при занятости n - 1 выходов последний свободный выход доступен входу. Если n > m, то в коммутаторе возникают блокировки.

Если к входам и выходам одного квадратного коммутатора NЧN подключить абонентские линии одной АТС, то количество необходимых КЭ Q = N² - N = N(N - 1), так как КЭ по диагонали слева направо не нужны. Стоимость такого КП будет велика. Использование многозвенных структур, в которых коммутаторы соединены каскадно, позволяет построить КП с существенно меньшим количеством КЭ при заданном количестве абонентов станции и с приемлемыми потерями. Схема такого КП показана на рисунке 3.7.2.



Рисунок 3.7.2 - Трёхступенчатая (трёхзвенная) коммутационная схема.

Каждая ступень коммутации связана с совокупностью соединительных путей (звеньев). Общее число КЭ в этой схеме существенно меньше, чем в схеме квадратного коммутатора с N-входами и N-выходами:

Q = 2nm (N/n) + m (N/n)² = 2Nm + m (N/n)²

Коммутационные поля современных ЦСК относятся к КП блокирующего типа, однако в них число звеньев и параметры коммутаторов выбирают такими, чтобы вероятность блокировки была очень мала (не больше 0,1%) [1].

Трёхзвенная схема может быть и не блокирующей, если будет выполнено условие: m = 2n - 1. Использование неблокирующих схем в ЦСК большого объёма неэффективно, так как требует значительно большего количества КЭ, чем в блокирующих, при прочих равных условиях.

Временная коммутация. Временное разделение может реализоваться, например с помощью импульсно-кодовой модуляции. В ТФ-ОП России, как и в сетях Европы, используются тридцатиканальные ЦСП с ИКМ. В групповом тракте одного направления передачи (например, в двухпроводной кабельной физической линии) такой ЦСП организуется 30 разделённых во времени каналов (ВК) для передачи речевой информации или данных и двух специальных канала. Такое разделение 30 каналов, предоставляемых пользователям, показано на рисунке 3.7.3, а. Коммутационные поля цифровых станций и узлов строятся с использованием пространственно-временной коммутации [24]. Пусть для каждого ВК существует ячейка памяти, где код данных хранится в течение цикла. На рисунке 3.7.3, б ячейки, закреплённые за одной линией ИКМ, показаны вертикальными линиями. Также имеются промежуточные линии (горизонтальные), по которым содержимое любой ячейки может быть прочитано в любом нужном временном положении. Процесс такого считывания и называется временной коммутацией.

А) б)

Рисунок 3.7.3 - а) Формат цикла ЦСП с ИКМ и схематичное изображение временного разделения каналов, б) Схема пространственного эквивалента временной коммутации.

Пример КП с пространственно-временной коммутацией показан на рисунке 3.7.4. В ней на первой ступени и третьей ступенях используется временная, а на второй - пространственная коммутация.

Рисунок 3.7.4 - Схема трёхзвенного КП типа В - П - В.

Тип коммутации, приведённой на схеме, называют время - пространство - время (В - П - В). Как и на рисунке 3.7.2, здесь число входящих и исходящих каналов равно N. Эти каналы представлены в N/n входящих и исходящих линиях ИКМ. Работа такой коммутационной схемы аналогична работе трёхзвенной пространственной коммутационной (смотри рисунок 3.7.2). В пространственных коммутаторах второй ступени устанавливаются соединения временных каналов исходящих и входящих линий ИКМ [1].

Это значит, что КЭ, разделённые в пространстве и установленные на пресечении вертикали с горизонталью, должны открываться в выбранном свободном временном положении коммутации, которое выбирается управляющим устройством. Оно же обеспечивает считывание кода данных из требуемой ячейки (например, второй) информационной памяти входящей линии ИКМ (например, первой) в ячейку (например, n) информационной памяти некоторой исходящей линии ИКМ (например, N/n-й).

Контрольные вопросы

1. Дайте определение канала тональной частоты

2. Для чего служит дифсистема?

3. Для чего нужны усилительные и регенерационные пункты?

4. Какая дополнительная характеристика вводится в цифровых каналах ТЧ?

5. Как организуется двунаправленный двухпроводный канал?

6. Какие методы коммутации используются в сетях связи?

7. В чём отличие метода коммутации сообщений и метода коммутации пакетов?

8. Каким главным недостатком обладает метод коммутации каналов? В чём его достоинство?

9. Дайте определение телефонной нагрузке.

10. Дайте определение ЧНН.

11. Какая величина потерь (блокировок) не замечается абонентами?

12. Каковы принципы пространственной коммутации?

13. К чему сводится работа схемы временной коммутации?

14. Приведите пример трёхзвенной коммутационной схемы.

15. В чём преимущество многозвенных (многоступенных) коммутационных схем по сравнению с однозвенными?

16. Постройте трёхзвенную коммутационную схему типа В - П - В.1

4. Принципы многоканальной передачи

4.1 Основы теории многоканальной передачи сообщений

Используемые методы разделения каналов (РК) можно классифицировать на линейные и нелинейные (комбинационные).

В большинстве случаев разделения каналов каждому источнику сообщения выделяется специальный сигнал, называемый канальным. Промодулированные сообщениями канальные сигналы объединяются, в результате чего образуется групповой сигнал (ГС). Если операция объединения линейна, то получившийся сигнал называют линейным групповым сигналом.

Для унификации многоканальных систем связи за основной или стандартный канал принимают канал тональной частоты (канал ТЧ), обеспечивающий передачу сообщений с эффективно передаваемой полосой частот 300…3400 Гц, соответствующей основному спектру телефонного сигнала.

Многоканальные системы образуются путем объединения каналов ТЧ в группы, обычно кратные 12 каналам. В свою очередь, часто используют «вторичное уплотнение» каналов ТЧ телеграфными каналами и каналами передачи данных [6].

На Рисунке 4.1.1 приведена обобщённая структурная схема системы многоканальной связи.

Рисунок 4.1.1 - Обобщённая структурная схема системы многоканальной связи

Реализация сообщений каждого источника а₁(t), а₂(t),…,а_N(t) с помощью индивидуальных передатчиков (модуляторов) М₁, М₂, …, М_N преобразуются в соответствующие канальные сигналы s₁(t), s₂(t),…,s_N(t). Совокупность канальных сигналов на выходе аппаратуры объединения каналов (АОК) образует групповой сигнал s(t). Наконец, в групповом передатчике М сигнал s(t) преобразуется в линейный сигнал s_Л(t), который и поступает в линию связи ЛС. Допустим, что линия пропускает сигнал практически без искажений и не вносит шумов. Тогда на приемном конце линии связи линейный сигнал s_Л(t) с помощью аппаратуры разделения каналов (АРК) может быть вновь преобразован в групповой сигнал s(t). Канальными или индивидуальными приемниками П₁, П₂, …, П_N из группового сигнала s(t) выделяются соответствующие канальные сигналы s₁(t), s₂(t), …,s_N(t) и затем преобразуются в предназначенные получателям сообщения а₁(t), a₂(t), …, a_N(t) [1].

Канальные передатчики вместе с суммирующим устройством образуют аппаратуру объединения. Групповой передатчик М, линия связи ЛС и групповой приемник П составляют групповой канал связи (тракт передачи), который вместе с аппаратурой объединения и индивидуальными приемниками составляет систему многоканальной связи.

Индивидуальные приемники системы многоканальной связи П_K наряду с выполнением обычной операции преобразования сигналов s_K(t) в соответствующие сообщения а_K(t) должны обеспечить выделение сигналов s_K(t) из группового сигнала s(t). Иначе говоря, в составе технических устройств на передающей стороне многоканальной системы должна быть предусмотрена аппаратура объединения, а на приемной стороне - аппаратура разделения.

Чтобы разделяющие устройства были в состоянии различать сигналы отдельных каналов, должны существовать определенные признаки, присущие только данному сигналу. Такими признаками в общем случае могут быть параметры переносчика, например амплитуда, частота или фаза в случае непрерывной модуляции гармонического переносчика. При дискретных видах модуляции различающим признаком может служить и форма сигналов. Соответственно различаются и способы разделения сигналов: частотный, временной, фазовый и другие [6].

4.2 Частотное разделение каналов

Функциональная схема простейшей системы многоканальной связи с разделением каналов по частоте представлена на рисунке 4.2.1

Рисунок 4.2.1 Функциональная схема многоканальной системы с частотным разделением каналов

В зарубежных источниках для обозначения принципа частотного разделения каналов (ЧРК) используется термин Frequency Division Multiply Access (FDMA).

Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные (индивидуальные) сигналы, имеющие энергетические спектры G₁(щ), G₂(щ), …, G_N(щ) модулируют поднесущие частоты щ_K каждого канала соответственно. Эту операцию выполняют модуляторы М₁, М₂, …, М_N канальных передатчиков.[6].

Модуляторы - это четырёхполюсники с нелинейной амплитудной характеристикой, которая в общем случае аппроксимируется полиномом n-ой степени.

,

где а₁, … а_n - коэффициенты аппроксимации

Для простоты возьмём полином 2-й степени, то есть:

,

Подадим на такой четырёхполюсник сигналы двух частот, то есть

,

где щ > Щ. Тогда

После соответствующих преобразований получим:

, (4.2.1)

Спектр сигнала на выходе четырехполюсника будет иметь вид (рисунок 4.2.2)



Рисунок 4.2.2 - Спектр сигнала на выходе четырехполюсника

Таким образом, на выходе четырёхполюсника наряду с частотами входных сигналов (щ,Щ) появились: постоянная составляющая ; вторые гармоники входных сигналов (2щ,2Щ); составляющие суммарной (щ + Щ) и разностной (щ - Щ) частот.

Если предположить, что в сигнале с частотой Щ содержится информация, то она будет иметь место и в сигналах с частотами (щ_н + Щ) и (щ_н - Щ), которые расположены зеркально по отношению к щ и называются верхней (щ + Щ) и нижней (щ - Щ) боковыми частотами.

Если на четырёхполюсник подать сигнал несущей частоты U₁(t) = U_m•Cosщ_нt и сигнал тональной частоты в полосе Щ_н … Щ_в (где Щ_н = 0.3 кГц, Щ_в = 3.4 кГц), то спектр сигнала на выходе четырёхполюсника будет иметь вид (рисунок 4.2.3)

Рисунок 4.2.3 - Спектр сигнала на выходе четырехполюсника

Полезными продуктами преобразования (модуляции) являются верхняя и нижняя боковые полосы. Для восстановления сигнала на приёме на вход демодулятора достаточно подать несущую частоту (щ_н) и одну из боковых частот.

В многоканальных системах передачи с частотным разделением каналов (МСП-ЧРК) по каналу передаётся только сигнал одной боковой полосы, а несущая частота берётся от местного генератора. Таким образом, на выходе каждого канального модулятора включается полосовой фильтр с полосой пропускания ?щ = Щ_в - Щ_н = 3.1 кГц. Спектры G₁(щ), G₂(щ) … G_N(щ) после транспонирования (переноса) на различные частотные интервалы и инверсирования (эта операция в принципе необязательна, но обычно выполняется для упрощения оборудования) складываются и образуют групповой спектр G_гр(щ).

С целью уменьшения влияния соседних каналов (уменьшения переходных помех) обусловленного неидеальностью АЧХ фильтров, между спектрами сигнальных сообщений вводятся защитные интервалы. Для каналов ТЧ они равны 0.9 кГц. Таким образом, ширина полосы канала ТЧ с учётом защитного интервала равна 4 кГц (рисунок 4.2.4)

Рисунок 4.2.4 - Спектр группового сигнала с защитными интервалами

4.3 Принципы построения аппаратуры ЧРК

В системах ЧРК с числом каналов 12 и более реализуется принцип многократного преобразования частоты [6]. В основу построения многоканальной системы положен стандартный канал тональной (ТЧ). В соответствии с рекомендациями МККТТ оконечное оборудование (включающее АОК и АРК) строится с таким расчётом, чтобы на каждом этапе преобразования частоты с помощью унифицированных блоков формировались всё более и более укрупнённые группы каналов ТЧ. Причём в любой группе число каналов кратно 12.

Вначале каждый из каналов ТЧ «привязывается» к той или иной 12-канальной группе, называемой первичной группой (ПГ). Разнесение сигналов 12 различных телефонных сообщений по спектру (формирование ПГ) осуществляется с помощью индивидуального преобразования частоты в стандартном 12-канальном блоке. Эти блоки обеспечивают как прямую, так и обратную связь в каждом из 12 дуплексных каналов (рисунок 4.3.1, а).

Каждый канал содержит следующие индивидуальные устройства: на передаче ограничитель амплитуд ОА, модулятор М и полосовой фильтр ПФ; на приёме полосовой фильтр ПФ, демодулятор ДМ, фильтр нижних частот ФНЧ и усилитель низкой частоты УНЧ.

Для преобразования исходного сигнала на модуляторы и демодуляторы каждого канала подаются несущие частоты, кратные 4 кГц.

Рисунок 4.3.1 - Структурная схема блока индивидуального преобразования (а) и схема формирования первичной группы (б)

Спектр группового сигнала ПГ представлен на рисунке 4.3.1, б.

В приведённом варианте формирования ПГ использован принцип однократного преобразования спектра канала ТЧ (рисунок 4.3.2, а)

Поскольку индивидуальное оборудование во всех 12 каналах однотипно, на данном рисунке приведены лишь устройства, относящиеся к одному каналу (первому). Как отмечалось ранее, при организации телефонной связи можно использовать либо двухполосную двухпроводную, либо однополосную четырёхпроводную систему передачи. Схема, изображённая на рисунке 4.3.1, относится ко второму варианту. Здесь каждый канал имеет отдельные тракт передачи и тракт приёма (действующие в одной и той же полосе частот), то есть каждый канал является четырёхпроводным. Если канал используется для телефонной связи, то двухпроводный участок цепи от абонента соединяется с четырёхпроводным каналом через дифференциальную систему (ДС). В случае передачи других сигналов (телеграфных, данных, звукового вещания и тому подобное), для которых необходим один или несколько односторонних канала, ДС отключается [5].

В режиме передачи сообщение от абонента (Аб) через ДС и амплитудный ограничитель (ОА) поступает на один из входов индивидуального преобразователя частоты (модулятор М₁₁). На другой вход М₁₁ подаётся сигнал поднесущей с частотой F₁₂. В результате перемножения этих сигналов образуется сигнал, спектр которого состоит из двух боковых (относительно F₁₂) полос. Сигнал нижней из этих полос выделяется фильтром ПФ₁₂ и подаётся на один из входов сумматора. На другие входы сумматора поступают сигналы с выхода аналогичных трактов передачи 11 других каналов.

Амплитудные ограничители предотвращают перегрузку групповых усилителей (а, следовательно, уменьшают вероятность возникновения нелинейных помех) в моменты появления пиковых значений напряжений нескольких речевых сигналов.

В режиме приёма канальный сигнал выделяется с помощью полосового фильтра ПФ₁₂ из спектра первичной группы (с полосой 60 … 108 кГц) и подаётся на индивидуальный преобразователь ДМ₁₂. На другой вход ДМ₁₂ поступает тот же сигнал поднесущей частоты F₁₂, который питает и М₁₁. Спектр выходного сигнала ДМ₁₂ состоит из двух боковых (относительно F₁₂) полос. Сигнал нижней из этих полос выделяется ФНЧ, усиливается и через ДС поступает к абоненту. Приёмные тракты 11 других каналов построены аналогично. В аппаратуре с числом каналов 60 и более индивидуальное оборудование размещается в специальных стойках индивидуальных преобразователей СИП-60 или СИП-300 [5].

На практике используется и другой вариант: формирование первичной группы из четырёх предварительных групп (рисунок 4.3.3), каждая из которых объединяет по три канала ТЧ. Здесь реализуется двухкратный принцип преобразования (рисунок 4.3.2, б)

Рисунок 4.3.2 - структурные схемы и диаграммы однократного (а) и двухкратного (б) преобразования спектра канала ТЧ

Рисунок 4.3.3 - Структурная схема формирования ПГ с использованием двухкратного преобразования

Дальнейший процесс укрупнения групп каналов происходит в групповом оборудовании и поясняет рисунок 4.3.4. Одинаковые полосы частот пяти ПГ с помощью первичного группового преобразования разносятся по частоте в полосе 312 … 552 кГц и образуют 60-канальную (вторичную) группу (ВГ). На рисунке 4.3.4 изображена упрощённая структурная схема группового оборудования ВГ. Сообщения пяти первичных групп ПГ₁ - ПГ₅ подаются на пять групповых преобразователей ГП₁ - ГП₅, на вторые входы которых из генераторного оборудования поступают сигналы поднесущих частот.

Рисунок 4.3.4 - Структурная схема группового оборудования ВГ

С помощью полосовых фильтров ПФ₁ - ПФ₅, подключенных к выходам групповых преобразователей, образуются сигналы вида ОБП с полосой частот 48 кГц каждый. В результате сложения этих неперекрывающихся по спектру пяти сигналов образуется спектр ВГ с полосой частот 240 кГц (312 … 552 кГц).

Для снижения переходных влияний между сигналами ВГ, передаваемыми по смежным трактам, в спектре ВГ могут использоваться как прямые, так и инверсные спектры ПГ₂ - ПГ₅. В первом случае на ГП₂ - ГП₅ подаются несущие частоты 468, 516, 564, 612 кГц, а соответствующие полосовые фильтры выделяют нижние боковые полосы (как показано на рисунке 4.3.4). Во втором случае на ГП₂ - ГП₅ подаются несущие частоты 300, 348, 396, 444 кГц, а полосовыми фильтрами ПФ₂ - ПФ₅ выделяются верхние боковые полосы. Несущая частота для ПГ₁ в обоих случаях одинаковая (420 кГц), и спектр ПГ₁ не инверсируется. Оборудование первичного группового преобразования размещается в специальных стойках первичных преобразователей УСПП или СПП. Следующие ступени группового преобразования выполняются аналогично.

Аппаратура образования групповых трактов может состоять из различных комбинаций стандартных блоков, в которых осуществляется тот или иной этап преобразования частоты. Например, в широко используемой в настоящее время аппаратуре системы К-1920 каналы ТЧ объединяются в две 60-канальные группы (ВГ) и шесть 300-канальных групп (ТГ). При этом общее число каналов N = 60 • 2 + 300 • 6 = 1920 [5].

После того как путём последовательного объединения достигается номинальное число каналов, обычно осуществляется ещё одно преобразование частоты: суммарный (групповой) спектр преобразуется в линейный спектр, то есть в ту полосу частот, в которой многоканальный сигнал этой системы передаётся по линии. При этом учитываются особенности каждой линии.

Если индивидуальное и групповое преобразование обычно осуществляется в типовых блоках и стойках, то сопряжение этой аппаратуры (в частности, формирование линейного спектра) с линейным трактом выполняется в оборудовании, специфичном для каждой данной проводной или радиосистемы.

Рассмотрим основные характеристики групповых сообщений. При проектировании и разработке многоканальных систем передачи возникает необходимость количественной оценки параметров групповых сообщений на различных ступенях преобразования, в частности сигналов на входе линейного тракта. Эти параметры как и для любых сигналов связи определяются соответствующими частотными, информационными и энергетическими характеристиками.

По рекомендации МККТТ средняя мощность сообщения в активном канале в точке с нулевым относительным уровнем устанавливается равной 88 мкВт0 (- 10.6 дБм0). Однако при расчёте P_ср МККТТ рекомендует принимать величину P₁ = 31.6 мкВт0 (- 15 дБм0) (при этом кроме активности каналов учитываются и другие факторы, например, организация в некоторых ТЧ каналах каналов ТТ, не идеальность индивидуального оборудования и тому подобное). Если N ? 240, то средняя мощность группового сообщения в точке нулевого относительного уровня P_ср = 31.6N, мкВт, а соответствующий уровень средней мощности p_ср = - 15 + 10 lg N , дБм0.

По нормам, принятым в РФ при N ? 240

Р₁ = 50 мкВт0 (- 13 дБм0); р_ср = - 13 + 10 lg N, дБм0.

Если N < 240, то приходится учитывать существенную зависимость коэффициента активности от N. В этом случае Р₁ представляют как функцию N, и уровень средней мощности группового сообщения определяют иначе:

Рср = - 1 + 4 lg N, дБм0.

Некоторые параметры и область применения типовой аппаратуры кабельных систем передачи с ЧРК приведены в таблице 4.3.1.

Таблица 4.3.1 - Параметры типовой аппаратуры кабельных систем передачи с ЧРК

Система передачи	Область применения	Кабель	Число каналов	Длина усилительного участка, км	Линейный спектр, кГц
К-60П	Внутризоновая сеть	Симметричный	60	19	12 … 252
К-120	То же	Коаксиальный	120	10	60 … 552; 812 … 1304
К-300	Магистральная и зоновые сети	То же	300	6	60 … 1300
ВК-960-2	Магистральная сеть		960	4	60 … 4028
К-1020Р	То же		1020	3	312 … 4636
К-1800	---		1800	6	312 … 8204
К-1920П	---		1920	6	312 … 8544
К-3600	---		3600	3	812 … 17596
К-5400	---		5400	3	4300 … 31000
К-10800	---		10800	1.5	4300 … 60000

4.4 Временное разделение каналов (ВРК), аналоговые методы передачи

Формирование сигнала линейного тракта систем передачи при ВРК и аналоговых методах передачи. При ВРК на передающей стороне непрерывные сигналы от абонентов передаются поочерёдно (рисунок 4.4.1)

Рисунок 4.4.1 Принцип временного разделения каналов

Для этого эти сигналы преобразуются в ряд дискретных значений, периодически повторяющихся через определённые интервалы времени Т_д, которые называются периодом дискретизации (смотри рисунок 4.4.2). Согласно теореме В.А. Котельникова период дискретизации непрерывного, ограниченного по спектру сигнала с верхней частотой F_в >> F_н должен быть равен

T_д = 1/F_д, F_д ? 2F_в, (4.4.1)

Рисунок 4.4.2 - Преобразование сигналов при ВРК

Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала Т_к называется канальным интервалом или тайм-слотом (Time Slot).

Из принципа временного объединения сигналов следует, что передача в таких системах осуществляется циклами, то есть периодически в виде групп из N_гр = N + n импульсов, где N - количество информационных сигналов, n - количество служебных сигналов (импульсов синхронизации - ИС, служебной связи, управления и вызовов). Тогда величина канального интервала

?t_к = Т_д/N_гр

Таким образом, при ВРК сообщения от N абонентов и дополнительных устройств передаются по общему каналу связи в виде последовательности импульсов, длительность каждого из которых ф_и < ?ф_к (смотри рисунок 4.4.2 и 4.4.3) [1].

Рисунок 4.4.3 - Групповой сигнал при ВРК с ФИМ

При временном разделении каналов возможны следующие виды импульсной модуляции (рисунок 4.4.4): АИМ - амплитудно-импульсная модуляция; ШИМ - широтно-импульсная модуляция; ФИМ - фазоимпульсная модуляция.



Рисунок 4.4.4 - Модуляция канальных импульсов при ВРК: а) непрерывное сообщение; б) АИМ; в) ШИМ; г) ФИМ

Каждый из перечисленных методов импульсной модуляции имеет свои достоинства и недостатки. АИМ - проста в реализации, но плохая помехоустойчивость. Используется как промежуточный вид модуляции при преобразовании аналогового сигнала в цифровой [1], [6].

При ШИМ спектр сигнала меняется в зависимости от длительности импульса. Минимальному уровню сигнала соответствует минимальная длительность импульса и, соответственно, максимальный спектр сигнала. При ограниченной полосе канала такие импульсы сильно искажаются.

В аппаратуре с ВРК и аналоговыми методами модуляции наибольшее применение получила ФИМ, так как при её использовании можно уменьшить мешающее действие аддитивных шумов и помех путём двухстороннего ограничения импульсов по амплитуде, а также оптимальным образом согласовать неизменную длительность импульсов с полосой пропускания канала. Поэтому в системах передачи с ВРК используется, в основном, ФИМ.

Характерной особенностью спектров сигналов при импульсной модуляции является наличие составляющих с частотами Щ_н…Щ_в передаваемого сообщения u_к (t) (рисунок 4.2.2). Эта особенность спектра указывает на возможность демодуляции АИМ и ШИМ фильтром нижних частот (ФНЧ) с частотой среза, равной Щ_в. Демодуляция не будет сопровождаться искажениями, если в полосу пропускания ФНЧ не попадут составляющие нижней боковой полосы (щ_д - Щ_в) … (щ_д - Щ_н), а это условие будет выполняться, если выбрать

F_д > 2F_в ,

что соответствует условию (4.4.1). Обычно принимают щ_д = (2.3 … 2.4)Щ_в и при дискретизации телефонного сообщения с полосой частот 0.3 … 3.4 кГц частоту дискретизации F_д = щ_д/2р выбирают равной 8 кГц, а период дискретизации Т_д = 1/F_д = 125 мкс.

При ФИМ составляющие спектра модулирующего сообщения (Щ_н…Щ_в) зависят от его частоты и имеют малую амплитуду, поэтому демодуляция ФИМ производится только путём преобразования в АИМ или ШИМ с последующей фильтрацией в ФНЧ.

4.5 Принципы построения аппаратуры с ВРК

На рисунке 4.5.1 приведена упрощённая структурная схема оконечной станции многоканальной системы с ВРК [5]. Непрерывное сообщение от каждого из абонентов u₁(t) … u_N(t) через соответствующие дифференциальные системы ДС₁ … ДС_N подаются на входы канальных модуляторов КМ₁ … КМ_N. В канальных модуляторах в соответствии с передаваемым сообщением производятся модуляции импульсов, следующих через период дискретизации Т_д, по одному из параметров, например, ФИМ. В соответствии со значением передаваемого непрерывного сообщения (рисунок 4.3.2а) в момент отсчёта при ФИМ происходит изменение положения импульса постоянной амплитуды и длительности относительно середины канального интервала от +?t_m до - ?t_m (рисунок 4.4.4, г). Промодулированные импульсы с выхода КМ, импульсы синхронизации от генератора синхронизации (ГИС), а также импульсы датчика служебной связи (ДСС), датчика сигналов управления и вызовов (ДУВ) объединяются. В результате получается групповой сигнал u_гр (t). Для обеспечения работы канальных модуляторов и дополнительных устройств последовательности импульсов с частотой дискретизации F_д, сдвинутые относительно первого канала на i?t_к, где i - номер канала. Таким образом, моменты начала работы КМ определяются запускающими импульсами от РК, который определяет моменты подключения к общему широкополосному каналу соответствующего абонента или дополнительного устройства.

Полученный групповой сигнал u_гр(t) подаётся на вход регенератора (Р), который придаёт дискретным сигналам различных каналов одинаковые характеристики, например одинаковую форму импульса. Все устройства, предназначенные для образования сигнала u_гр(t): КМ₁ … КМ_N, РК, ГИС, ДУВ, ДСС, Р - входят в аппаратуру объединения сигналов (АО), которая осуществляет объединение во времени всех сигналов и формирует групповой сигнал. Далее сигнал может передаваться на следующую станцию по проводным соединительным линиям или с помощью радиосвязи.

Рисунок 4.5.2 - Упрощённая структурная схема оконечной станции системы связи с ВРК

На приёме выделенный сигнал u^*_гр(t) подаётся на входы всех канальных демодуляторов КД₁ … КД_N и приемников служебной связи (ПСС), управления и вызова (ПУВ).

Канальные демодуляторы осуществляют разделение u^*_гр(t) на отдельные канальные сигналы, представляющие собой дискретные отсчёты, и восстановление по этим отсчётам непрерывных сообщений u^*₁(t) … u^*_N(t), соответствующих поданным на входы КМ в АО. Для обеспечения временного разделения канальных сигналов необходимо, чтобы каждый из КД открывался поочерёдно только в соответствующие данному каналу интервалы времени ?t_к. Это обеспечивается импульсами, снимаемыми с выходов РК? аппаратуры разделения сигналов (АР), работающего аналогично РК в АО на передающем конце линии связи. Для обеспечения правильного разделения каналов РК?, который находится в АР, должен работать синхронно и синфазно с РК АО, что осуществляется с помощью импульсов синхронизации (ИС), выделяемых соответствующими селекторами (СИС) и блоком синхронизации (БС). Сообщения с выходов КД поступают к соответствующим абонентам через дифференциальные системы.

Помехоустойчивость систем передачи с ВРК во многом определяется точностью и надёжностью работы системы синхронизации и распределителей каналов, установленных в аппаратуре объединения и разделения каналов [27]. Для обеспечения точности работы системы синхронизации импульсы синхронизации (ИС) должны иметь параметры, позволяющие наиболее просто и надёжно выделять их из последовательности импульсов группового сигнала u^*_гр(t). Наиболее целесообразным при ФИМ оказалось применение сдвоенных ИС, для передачи которых выделяют один из канальных интервалов ?t_к в каждом периоде дискретизации Т_д (смотри рисунок 4.4.3).