Мультиплексированный сигнал DS-1C

Главный фрейм сигнала DS-1C, при формировании которого использовалась импульсно-кодовая модуляция, содержит 1272 бита, которые разделены на четыре подкадра, содержащих по 318 битов, структура которых приведена на рис. 8.7.

Рис. 8.7.Формат кадра сигнала DS-1C, на котором приводятся вставляемые холостые биты

М обозначает ведущие биты каждого подкадра, а его шаблон 01 1Х определяет границы главного фрейма и подкадра. Бит, обозначенный как Х, всегда является логической 1, за исключением случаев, когда при передаче данных возникает ошибка, и тогда значение бита Х будет равным логическому 0. Стандартный (постоянный) битовый шаблон, представляющий комбинацию 01010101 для F0 и F1, определяет фреймы со вставляемыми в каждый подкадр холостыми битами.

Биты, определяемые в качестве вставляемых холостых, вставляются (и интерпретируются в качестве нуля), тогда как биты, обозначенные как «С биты», в подкадре всегда соответствуют логической 1. В противном случае вставляемые холостые биты будут интерпретированы в качестве битов данных. Следует отметить, что длина каждого фрейма для сигнала DS-1C, как и для сигналов более высокого порядка, не соотносится каким-либо закономерным образом с фреймами входящего сигнала DS-1. Мультиплексор интерпретирует входящий поток сигналов DS-1 просто в качестве последовательности битов, равнозначно пропуская данные и синхронизирующие импульсы в поток данных более высокого порядка.

Главный фрейм ИКМ сигнала DS-1C делится на четыре вспомогательных подкадра, каждый из которых отделяется кодом идентификатора образа (шаблона). Заполняющие холостые импульсы были добавлены в каждый подкадр с использованием набора правил, которые были определены ранее.

Мультиплексированные сигналы более высокого уровней имеют подобные битовые шаблоны, устанавливаемые для главных фреймов, подкадров, фреймов и положения вставляемых холостых битов, а также аналогичные правила для их вставки. Что касается сигнала формата DS-1, то биты, которые образуют шаблон, оказываются равномерно распределенными по фрейму, для того чтобы свести к минимуму вероятность потери более чем одного кода вставки из-за возникновения ошибки. Подобная потеря вызвала бы «проскальзывание» циклового импульса, что привело бы к потере синхронизации.

Синхронизация.Предыдущее обсуждение показало всю настоятельность проблемы предотвращения потери синхронизации или «проскальзывания» синхронизирующего импульса. Влияние этих эффектов на передачу речевого сигнала в цифровом виде не будет очень заметным до тех пор, пока рассогласование по синхронизации не достигнет очень больших значений (порядка одной стотысячной). Однако сигналы, поступающие в цифровом виде от модемов, работающих в голосовом канале, а также сигналы передачи данных или речи, которые в целях безопасности были закодированы (зашифрованы или скремблированы), оказываются очень чувствительными к потере синхронизации. Данные, передаваемые с использованием высокоскоростных модемов, являются,

как правило, фазомодулированными, и одиночное 8-битовое «проскальзывание» в цифровых данных вызывает смещение фазы на 81 градус. При этом в целях безопасности кодируются не только данные, но также производится дальнейшее скремблирование (перестановка и инвертирование участков спектра или отдельных групп сигнала), так как модем теряет синхронизацию и для ее восстановления может потребоваться время до нескольких секунд. Такие «проскальзывания» синхронизирующего импульса производят короткие жесткие звуки в речевом сигнале, а также приводят к многочисленным проблемам при работе декодирующего оборудования.

Передача с высокими скоростями данных с фазовой модуляцией оказывается весьма уязвимой с точки зрения синхронизации.

Пригодными для синхронизации сети, состоящей из независимых коммутирующих устройств, подобных тем, например, что используются в телефонной связи, оказались несколько различных методов. Один из методов заключается в том, чтобы оснастить каждое устройство высокоточным генератором синхронизирующих импульсов, чтобы отклонения в частоте между ним и другими генераторами оказались настолько малыми, что «проскальзывание» импульсов практически не наблюдалось бы.

Такой прием получил название плезиохронной синхронизации (или почти синхронного метода). Этот метод оказался очень дорогостоящим для практического использования из-за высокой стоимости синхронизирующих генераторов и необходимости их установки в каждом коммутирующем устройстве. Однако именно этот метод является выбранным Консультативным комитетом по вопросам международной телефонной и телеграфной связи (CCITT) для международной цифровой передачи на территории Европы и межсетевых шлюзов со странами Востока. Точность поддержания частоты в этом методе не должна быть хуже значения отношения единицы к ста миллиардам (1 : 1011).

В методе плезиохронной синхронизации во всей сети используются очень точные, и поэтому дорогие, синхронизирующие генераторы, в силу чего погрешности синхронизации очень незначительны.

Второй метод заключается в использовании метода вставляемых холостых битов на уровне всей сети, как это делается в системах мультиплексирования высокого уровня. Такой подход потребовал бы для каждого канала в каждой системе коммутации вставки собственных холостых битов при передаче.

Но такой подход из-за больших массивов вставляемых холостых импульсов оказался бы неэффективным с экономической точки зрения.

При синхронизации в режиме «ведущий–ведомый» внутренняя сеть привязана к ведущему (главному) синхронизирующему генератору.

Метод, используемый в сетях Северной Америки, заключается в использовании режима синхронизации типа «ведущий–ведомый». Эталонная или опорная частота задается главным синхронизирующим генератором, установленным в местечке Хилсборо (Hillsboro), штат Миссури, которое является примерно географическим центром всей сети. Из этой точки эталонное значение частоты синхронизации передается в ряд коммутирующих центров, которые становятся ведущими центрами синхронизации для ряда выделенных технических центров и средств передачи. Из этих ведомых (подчиненных) центров опорное значение частоты синхронизации передается в центры более низкого уровня и для всех остальных существующих центров и оборудования цифровой передачи. На рис. 8.8 в схематичном виде изображена схема организации синхронизации сетей в режиме «ведущий–ведомый», эксплуатирующихся в Северной Америке, на которой центральная точка эталонной частоты обозначена буквой М.

Рис. 8.8.Сеть, в которой используется режим синхронизации «ведущий–ведомый»

Цифры в кружочках на схеме обозначают классы телефонных станций сети.

Коды линий связи

Структура (шаблон) аналогового сигнала токов или напряжений, который используется для представления единиц и нулей цифрового сигнала в линии связи, называется кодом линии связи. На практике используется большое количество кодов линий, часть из них более детально будет рассмотрена позже, однако прежде всего необходимо сформулировать основные требования, которые предъявляются к коду линии связи:

1. Уровень постоянного тока в среде, используемой для передачи сигналов, должен оставаться постоянным и, если это представляется возможным, стремиться к нулевому значению.

2. Спектральный состав и форма сигналов должны быть такими, чтобы избежать появления сигналов, частота которых будет выходить за границы установленного диапазона.

3. В сигнале должна содержаться адекватная синхронизирующая информация, поэтому необходимо, чтобы синхронизирующий сигнал мог быть восстановлен восстанавливающими повторителями сигнала, расположенными по пути его распространения.

4. Ошибки передачи должны определяться достаточно простыми методами, а возможность их распознавания должна использоваться для характеристики производительности линии связи (частота возникновения ошибок).

5. Ошибки не должны «размножаться» в линии связи, то есть ошибка в одиночном разряде, возникшая в линии, не должна приводить к многоразрядным ошибкам при декодировании сигнала в декодере.

6. Применяемая схема кодирования должна эффективно использовать выделенный для кодирования временной интервал, то есть, если возможно, схема должна использовать только два возможных состояния для представления логических единицы и нуля.

7. Схема кодирования должна сводить к минимуму перекрестные помехи между каналами.

Формат кодирования для линии связи, который используется для пересылки состояния логической 1 и логического 0 по линии, должен способствовать достоверности и эффективности передачи информации.

Типы кодов, применяемых в линиях связи.На рис. 8.9 более детально представлены различные типы кодов, используемых в линиях связи.

Относительно битового потока, изображенного на рис. 8.9а, форма обычного бинарного сигнала представлена на рис. 8.9б. Данный код представляет собой самый простой, так как в нем используется всего два уровня напряжений: в рассматриваемом примере используются значения +3 В и 0 В. Такой код называется униполярным, так как он не является симметричным относительно нулевого уровня напряжений. Если же форма сигнала оказывается симметричной относительно нулевого уровня напряжения, как это показано на рис. 8.9в, то такой код получил название полярного кода.

Если уровень сигнала, представляющий каждый бит (например, +1,5 В для единицы и –1,5 В для нуля), сохраняет задаваемое значение в течение всего промежутка времени, выделенного для данного бита (отрезок времени Т), то такой код также получил название кода «без возврата к нулевому уровню» (NRZ-кода).

Наиболее часто используемыми кодами в линии связи являются униполярные, полярные и биполярные коды. Униполярными состояниями являются, например, ноль и положительные значения величины, полярными состояниями являются положительные и отрицательные значения величины, и биполярными состояниями являются такие, когда положительное и отрицательное значения величины являются эквивалентными, а нулевое значение используется для представления второго логического состояния.

Код, который используется в основном в мультиплексированном сигнале DS-1C, представляет биполярный код, представленный на рис. 8.9г. Он также получил название кода с чередованием полярности импульсов (AMI-кода). При таком методе кодирования, когда подряд следует несколько логических единиц, периодически чередуются положительные и отрицательные импульсы, симметричные относительно нулевого уровня напряжения.

В методе кодирования с чередованием полярности импульсов фактически используется три уровня напряжения или тройной сигнал, при котором логическая единица представлена либо положительным, либо отрицательным импульсом в интервале времени действия сигнала, тогда как логический ноль представлен отсутствием импульса в интервале времени действия сигнала. Эта схема, впервые использованная в компании Bell Systems на территории Соединенных Штатов, удовлетворяет большинству вышеперечисленных основных требований. В передаваемом сигнале отсутствует постоянная составляющая, поэтому на низких частотах энергия, передаваемая с сигналом, невелика, и, по сравнению с методом униполярного кодирования сигнала, код с чередованием полярности импульсов имеет существенное преимущество, заключающееся в стойкости к воздействию перекрестных помех (порядка 23 дБ).

Форма импульсов при кодировании с чередованием полярности установлена таким образом, что импульс занимает только половину промежутка времени, отведенного для импульса.

Это сделано с целью упрощения схемы, которая восстанавливает синхронизирующую информацию в регенерирующих (восстанавливающих форму сигнала) повторителях. Форма полного сигнала не занимает 50% рабочего цикла, как показано на диаграмме сигнала синхронизации, приведенной на рис. 8.10а, однако симметричные импульсы, как принято считать, занимают 50% рабочего цикла.

Рис. 8.10. Дрейф постоянной составляющей