Тема 6:Объединение цифровых потоков.

6. Объединение цифровых потоков.
...6.1Стандартизация цифровых систем передачи.
Для рационального построения ЦСП необходимо, чтобы число каналов ТЧ, на которые они рассчитываются, было кратно мини­мальному стандартному числу. Это дает возможность использо­вать стандартное каналообразующее оборудование. Аналогично строятся и аналоговые системы передачи с ЧРК, где стандартные первичные, вторичные, третичные группы каналов позволяют при­менять унифицированное индивидуальное и групповое оборудова­ние. Цифровые системы передачи также строятся согласно опре­деленной иерархии. При этом учитываются следующие требова­ния:

Таблица 1.2 Общее характеристики ОЦК и сетевых трактов ПЦИ/PDH.

Рисунок 1.53 Пошаговое мультиплексирование в ПЦИ/PDH.

Рисунок 1.55 Формирование группового цифрового сигнала по канальным способом объединения цифровых потоков.

...Объединение цифровых потоков осуществляется в оборудова­нии временного группообразования, принцип построения которого показан на рисунке 1.56. В состав оборудования входят: блоки цифро­вого сопряжения тракта передачи и приема (БЦС_пер), (БЦС_пр); уст­ройства объединения (УО) в тракте передачи и разделения (УР) в тракте приема потоков; передатчик и приемник синхросигнала (Пер. СС), (Пр. СС); выделитель тактовой частоты (ВТЧ) линейного цифрового сигнала; генераторное оборудование (ГО) передающей и приемной станции.

Рисунок 1.56 Принцип построения оборудования группообразования.

...Сигналы с выходов БЦС_пер совместно с сигналами цикловой синхронизации поступают на вход схемы объединения. Временной сдвиг между импульсными последовательностями на выходах БЦС_пер обеспечивается управляющими импульсами с ГО. На при­еме УР распределяет импульсы группового сигнала по своим БЦС_пр, а также сигналы Пр. СС.
...Генераторное оборудование систем передачи более низкого порядка может работать либо независимо от оборудования объедине­ния и разделения цифровых потоков, либо должна обеспечиваться синхронизация общим задающим генератором. В зависимости от этого объединение цифровых потоков будет асинхронным или син­хронным.
.. При синхронном объединении цифровых потоков скорость записи в БЦС и скорость считывания этой информации из БЦС будут постоянными и кратными, так как вырабатываются одним и тем же ГО. В данном случае между командами записи и считывания должен быть установлен требуемый временной сдвиг, чтобы считы­вание информации происходило после ее поступления в БЦС_пер.
...При асинхронном объединении цифровых потоков, когда ГО устройств объединения цифровых потоков и ГО устройств формирования цифровых потоков низшего порядка работают независимо, возможно некоторое расхождение между скоростями записи и считывания. Для согласования этих скоростей необходимо прини­мать соответствующие меры.
...При объединении цифровых потоков производится запись информационных символов в запоминающее устройство ЗУ с частотой f_з и последующее их считывание с частотой f_сч.и. При синхронном объединении цифровых потоков f_з= f_сч.и. При асинхронном объеди­нении цифровых потоков частоты записи и считывания могут изме­няться в некоторых пределах и иметь значения
f_з.н - ∆f_{з max} ≤ f_з ≤ f_з.н + ∆f_{з max} , (1.25)
f_{сч.и. н} - ∆f_{сч.и. max} ≤ f_сч.и. ≤ f_{сч.и. н}+ ∆f_{сч.и. max}, (1.26)

где f_з.н, f_{сч.и. н} —номинальные значения частоты записи и считыва­ния информационных символов; ∆f_{з max}, ∆f_{сч.и. max} —максимальное отклонение частот записи и считывания от номинального значе­ния, вызванное нестабильностью работы ГО.

При таких ситуациях могут возникнуть моменты, когда f_з. > f_сч.и. и память ЗУ будет заполнена или когда f_з. < f_сч.и и память ЗУ будет пуста и в очередной момент считывать будет нечего. В обеих си­туациях передача цифрового потока будет происходить с искаже­ниями, так как в первом случае часть информационных символов пропадает, а во втором - появляются дополнительные временные позиции, которые в исходном цифровом потоке отсутствуют. Чтобы избежать этих нарушений, требуется обеспечить согласование ско­ростей.

При f_з. < f_сч.и производится положительное выравнивание скоро­стей: в считанную последовательность вводится дополнительный балластный тактовый интервал, который на приеме должен быть изъят из передаваемой последовательности информационных сим­волов. Если        f_з. > f_сч.и. производится отрицательное согласование ско­ростей; из считываемой последовательности изымается один так­товый интервал, информация которого передается по специальному временному каналу и на приеме вводится в передаваемый поток на свое место.

При асинхронном объединении цифровых потоков находят при­менение системы как с односторонним, так и двусторонним согла­сованием скоростей.

В системах с односторонним согласованием скоростей частота f_сч.и выбирается заведомо большей или меньшей, чем f_з. (в зави­симости от положительного или отрицательного согласования ско­ростей). При этом в системах с положительным согласованием скоростей должно выполняться условие
f_{сч.и. н} - ∆f_{сч.и. max}  > f_з.н + ∆f_{з max}.(1.27)

Тогда при согласовании скоростей в считанную последователь­ность вводится дополнительный неинформационный (балластный) тактовый интервал (запретом одного импульса считывания), ко­торый на приеме исключается из нее по соответствующей команде согласования скоростей.

В системах с отрицательным согласованием скоростей должно выполняться условие
f_{сч.и. н} + ∆f_{сч.и. max}  < f_з.н - ∆f_{з max}.  (1.28)

Тогда при согласовании скоростей в этих системах на передаче из информационной последовательности изымается один тактовый интервал (дополнительное считывание), который передается по до­полнительному каналу и на приеме по команде согласования скоростей снова вводится в информационную последовательность.

В системах с двусторонним согласованием скоростей частота  f_{сч.и. н}  выбирается равной f_з.н. При этом должно выполняться ус­ловие
f_{сч.и. н} ± ∆f_{сч.и. max}  = f_з.н ± ∆f_{з max}.(1.29)

В зависимости от знака разности частот f_з. и f_сч.и. при возникно­вении неоднородности необходимо либо вводить в считанную по­следовательность дополнительный тактовый интервал, либо изымать его и передавать по дополнительному каналу.

В реальной аппаратуре объединения потоков необходимо пере­давать еще служебные сигналы (цикловую синхрокомбинацию, ко­манды согласования скоростей, импульсы служебной связи, аварийные сигналы и др.), поэтому частота считывания выбирается больше частоты записи:
f_с.ч. = f_сч.и.  + f_сл,  (1.30)

Рисунок 1.57 Временные диаграммы поясняющие принцип возникновения временных сдвигов и неоднородностей.

Число информационных импульсов между соседними времен­ными сдвигами будет R=П[Т_сч/(Т_з-Т_сч)], где символ П означает округление до ближайшего целого. При синхронном объединении потоков отношение Т_сч/(Т_з-Т_сч) есть целое число. Например, при Т_сч/Т_з = 12/16 символ П=3, т. е. временной сдвиг будет после каж­дых трех позиций передачи информации. Тогда в считанной после­довательности импульсов интервалы между временными сдвигами будут постоянными. Такую последовательность импульсов называ­ют однородной, так как временные сдвиги формируются на строго определенных позициях в цикле передачи и могут использоваться для передачи служебных сигналов. Частота следования последних постоянна, что позволяет выделить их на приеме. При асинхрон­ном объединении цифровых потоков из-за нестабильности задаю­щих генераторов, вырабатывающих тактовые частоты, отношение Т_сч/(Т_з-Т_сч) - дробное число и его величина будет меняться во времени. В этом случае (рисунок 1.57, в) через определенное число временных сдвигов число импульсов между соседними времен­ными сдвигами изменяется и появляется неоднородность. Период возникновения подобных неоднородностей определяется разностью

[Т_сч/(Т_з-Т_сч)] - П [Т_сч/(Т_з-Т_сч)]=±1 (1.31)

Рисунок 1.58 Структурная схема оборудования временного группообразования с асинхронным сопряжением цифровых потоков, построенного по системе с двусторонним согласованием скоростей передачи.

При положительном согласовании скоростей на одной из временных позиций цикла передачи информация из ЗУ не считывается и на этой позиции пере­дается балластный символ. На приеме данная позиция должна быть вычеркнута. Тем самым реальная скорость считывания информации из ЗУ несколько уменьшается. Такое согласование ско­ростей осуществляется путем запрета с помощью ячейки НЕТ од­ного импульса считывания. При отрицательном согласовании скоростей производится дополнительное считывание информации из ЗУ. Считывание происходит соответствующим импульсом, который подается от Пер. КСС через ячейку ИЛИ в строго определенные временные позиции цикла, на которых формируется временной ка­нал отрицательного согласования скоростей.

Объединенный цифровой поток с выхода схемы объединения по­ступает в линейный тракт. В приемном устройстве объединенный цифровой поток распределяется через схему распределения по сво­им ЗУ блоков асинхронного сопряжения тракта приема БАС_пр. Работой ячеек УР и БАС_пр управляют импульсные последователь­ности от генераторного оборудования ГО_пр, синхронная работа ко­торого с ГО_пер обеспечивается ВТЧ. После считывания с частотой, равной средней частоте записи, восстанавливается первоначальная скорость каждого из асинхронных цифровых потоков, объединяе­мых в оборудовании временного группообразования. Средняя час­тота считывания устанавливается устройством фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которое включает в себя генератор, уп­равляемый напряжением (ГУН), временной детектор (ВД) и схему управления (СУ). На выходе СУ формируется управляющий сигнал, соответствующий текущему значению временного интервала меж­ду моментами записи и считывания.

В запоминающем устройстве (рисунок 1.59.) информационные символы через ячейки И записываются в ячейки памяти Я₁ – Я_L. Процессом записи управляет распредели­тель записи, работающий с частотой f_з, равной тактовой частоте поступающих информационных сигналов. Считывание осуществ­ляется импульсными последовательностями с соответствующих вы­ходов распределителя считывания, который управляется сигналом от ГО_пер аппаратуры объединения цифровых потоков. Информация, считанная с ячеек Я₁ – Я_L,объединяется логическим элементом ИЛИ. Число ячеек памяти выбирается таким, чтобы момент считыва­ния всегда отставал от момента записи. Минимальное число ячеек памяти зависит от нескольких факторов. Рассмотрим некоторые из них.

Число ячеек памяти зависите от количества следующих подряд служебных символов в цикле передачи, относящихся к одному цифровому потоку. Служебные символы передаются на импульс­ных позициях временных сдвигов, которые, в свою очередь, организуются путем запрета считывания информации в соответствующие моменты времени.

Однако информационные символы продолжают поступать на вход ЗУ, поэтому должно быть предусмотрено соот­ветствующее число дополнительных ячеек памяти. Для уменьше­ния числа ячеек памяти ЗУ желательно, чтобы служебные символы были равномерно рассредоточены в цикле передачи. Но в неко­торых случаях, например при передаче синхросигнала, целесооб­разно формировать сосредоточенные служебные символы. Так, во вторичной ЦСП сосредоточиваются восемь служебных символов подряд - по два на каждый цифровой поток, а в третичной и чет­веричной ЦСП - 12 служебных символов (по три на каждый циф­ровой поток).

Так как согласование скоростей можно производить в строго определенный момент времени, определяемый импульсными пози­циями КСС в цикле объединенного цифрового потока, необходимо учитывать относительное время ожидания. Последнее зависит так­же и от длительности самого цикла (числа символов в цикле). Это требует соответствующего увеличения объема памяти.

Дополнительный объем памяти определяется значением времен­ных колебаний, изменений частоты записи и считывания, вносимый как оборудованием асинхронного объединения/разделения цифро­вых потоков, так и оборудованием ЦСП объединяемых цифровых потоков. Обычно в зависимости от особенности построения цикла передачи, главным образом структуры и распределения символов синхросигнала, минимально необходимое число ячеек памяти со­ставляет от пяти до восьми.

К одноименным выходам распределителей записи и считывания (на рисунке 1.59 используются выходы L) подключается ВД.

. . .Временной детектор.

Временные интервалы между моментами записи и считывания контролируются ВД. В оборудовании времен­ного группообразования используются цифровой и аналоговый временные детекторы. Цифровой детектор применяется в переда­ющей части для определения момента возникновения неоднород­ности. В системах с двусторонним согласованием скоростей ВД должен не только обнаруживать моменты возникновения неодно­родности, но и определять ее знак. В цифровом детекторе (рисунок 1.60) одноименные выходы распределителей записи и считы­вания подключены к раздельным выходам триггера DD₁. Выходы триггера соединены с логическими элементами DD₂ и DD₃, на дру­гие входы которых подаются контрольные импульсные последова­тельности с распределителя записи. Временное положение конт­рольных последовательностей выбирается таким образом, чтобы при нормальном режиме работы ЗУ на схемах И импульсы с триг­гера не совпадали по времени с контрольными импульсами. Если временной интервал между импульсами записи и считывания до­стиг величины, при которой необходимо согласование скоростей, на выходе соответствующей ячейки И появится импульс, который поступит в передатчик КСС.

При рассмотрении работы ВД примем число ячеек памяти в ЗУ равным четырем, тогда:

При отсутствии согласования скоростей сигналы на выходах DD₂ и DD₃ отсутствуют. При отрицательном согласо­вании скоростей импульсная последовательность с 3-го выхода распределителя записи совпадает с единичным состо­янием выхода триггера Q, в результате чего формируется сигнал на выходе логического элемента И₁. При положительном согласо­вании скоростей импульсная последовательность с 1-го выхода распределителя записи совпадает с единичным состоянием выхода Q триггера и формируется сигнал на выходе логического элемента И₂.

Аналоговый детектор используется в приемной части для опре­деления текущего значения временного интервала между момен­тами записи и считывания. В аналоговом детекторе (рисунок 1.61), как и в цифровом, импульсные последовательности с одноименных выходов распределителей записи и считывания подаются на раз­дельные входы R и S триггера, скважность сигнала, на выходе ко­торого характеризует взаимное временное положение импульсов записи и считывания. Сигнал с выхода триггера подается на вход фильтра нижних частот ФНЧ, который выделит постоянную со­ставляющую напряжения сигнала. Величина этого напряжения зависит от скважности сигнала. При нормальной ра­боте ЗУ импульсы записи и считывания сдвинуты относительно друг друга на половину периода их следования. В этом случае скважность сигнала на выходе триггера будет равна двум, а на­пряжение постоянной составляющей на выходе ФНЧ — среднему значению, что соответствует номинальной скорости считывания. При увеличении или уменьшении временного интервала между мо­ментами записи и считывания изменяются скважность сигнала на выходе триггера и значение постоянной напряжения сигнала. Эго напряжение подается на схему управления ГУН, которая плавно изменяет частоту считывания, увеличивая или уменьшая ее в за­висимости от согласования скоростей.

Команды согласования скоростей должны обладать практиче­ски такой же помехозащищенностью, как и цикловые синхросиг­налы. Это объясняется тем, что ошибка при опознавании КСС рав­носильна изменению на один такт длительности цикла передачи (в ту или иную сторону в зависимости от вида ошибки) и вызовет сбой цикловой синхронизации в соответствующем объединяемом потоке. Последнее, в свою очередь, может вызвать сбой цикловой синхронизации во всех системах более низкого порядка этого циф­рового потока. Однако между синхросигналами и КСС есть су­щественная разница, которая заключается в том, что первые обла­дают периодичностью, так как передаются в каждом цикле пере­дачи, тогда как вторые несут информацию об однократных изме­нениях этого состояния. Поэтому помехозащищенность синхросиг­нала достигается методом накопления, и ошибка в одном или даже нескольких синхросигналах не вызывает сбоя цикловой синхрони­зации, а помехозащищенность КСС обеспечивается кодами, ис­правляющими ошибки.

В системах с односторонним согласованием скоростей необходимо передавать информацию о двух состояниях передающего устройства: отсутствии или наличии КСС. Для передачи этой инфор­мации достаточно одного двоичного разряда. Тогда для защиты от искажений одного символа КСС достаточно использовать трехраз­рядную кодовую группу, для защиты двух символов - пятиразряд­ную кодовую группу и т. д. Обычно в системах с односторонним согласованием скоростей для передачи соответствующих команд используются кодовые группы вида 00...0 - для передачи инфор­мации об отсутствии согласования скоростей и 11...1 для передачи информации о наличии согласования скоростей. Число символов в кодовой группе выбирают нечетным. При этом правильное опозна­вание КСС осуществляется, если число искаженных символов не превышает половины общего числа символов в команде.

В системах с двусторонним согласованием скоростей необходи­мо передавать информацию о двух состояниях переда­ющего устройства: отсутствии согласования скоростей, положительном согласовании скоростей и отрицательном согласовании скоростей. Для передачи этой информации необходимо уже два двоичных разряда. Тогда для защиты от искажений одного сим­вола КСС необходимо использовать пятиразрядную кодовую ком­бинацию, для защиты от искажения двух символов - семиразряд­ную кодовую комбинацию и т. д. Увеличение числа КСС и числа разрядов в кодовой комбинации приводит к возрастанию объема передаваемой информации.

Таким образом, по объему передаваемой информации системы с двусторонним согласованием скоростей и передачей трех команд менее экономичны, чем системы с односторонним согласованием скоростей, так как требуют большего объема передаваемой инфор­мации.

— Стремление реализовать достоинства систем с двусторонним согласованием скоростей и вместе с тем обеспечить такую же помехозащищенность, как в системе с односторонним согласованием скоростей при одинаковом числе разрядов кодовых групп команд, привело к созданию системы с двусторонним согласованием ско­ростей с исключением передачи команды об отсутствии согласования. Такие системы называются системами с двусторонним согласованием скоростей и двухкомандным управлением. По числу передаваемых команд подобные системы идентичны системам с односторонним согласованием ско­ростей.  Структура  двухкомандного  сигнала  показана  на рисунке 1.62,а. При отсутствии согласования скоростей с передающей станции будет поступать чередование положительных и отрица­тельных команд согласования скоростей. Если временной интервал ∆Т между моментами записи и считывания достигнет значения Т_сч, то необходимо произвести согласование скоростей. В этом слу­чае передаются подряд две команды положительного или отрица­тельного согласования скоростей (рисунок 1.62, а). Такая структура передачи КСС позволяет выявить одиночные ошибки в передавае­мых командах. Для рассмотрения возможности определения оши­бок интервал времени передачи чередующихся команд назовем пассивным, а интервал времени передачи команд положитель­ного или отрицательного согласования скоростей (две одинаковые команды подряд) активным.
На рисунке 1.62, б, в показаны ошибки в пассивном интервале пере­дачи команд. Эти ошибки легко обнаружить, так как подряд сле­дуют три одинаковые команды, что при нормальной работе невоз­можно.  Сложнее  выявить  ошибки в активном интервале (рисунок 1.62, г, д), поскольку в данном случае положительная команда трансформируется в отрицательную и наоборот. С учетом возможности коррекции ошибок в пассивном интервале или в обоих слу­чаях и строятся приемники команд согласования скоростей.

Рисунок 1.62 Структура двухкомандного сигнала при двустороннем согласовании скоростей.

Приемник КСС с коррекцией ошибки в пассивном интервале показан на рисунке 1.63. Он содержит три узла: опознаватель, анали­зирующее устройство, корректор ошибок. Опознаватель определяет знак согласования скоростей. Анализатор выявляет положитель­ную или отрицательную КСС. Он содержит триггер Тг, на один вход которого подаются импульсы команд положительного согла­сования скоростей, а на другой - отрицательные, и две схемы И.
При появлении подряд двух импульсов одинаковых команд второй импульс пройдет через свою схему И. Корректор оши­бок служит  для выявления ошибки в пассивном интерва­ле времени. Он содержит два счетчика команд: положитель­ных и отрицательных.

Рисунок 1.63 Приемник команд согласования скоростей с коррекцией ошибок на пассивном интервале передачи КСС.

Емкость счетчиков - три единицы. Счетчики подключены к опознавателю знака так, что появление команды определенно­го знака записывается в свой счетчик, а для другого счетчи­ка он является сигналом сбро­са.

Если в счетчик подряд по­ступило три команды, необхо­димо осуществить коррекцию. При коррекции производится вставка или изъятие из цифро­вого потока одного из времен­ного интервала в зависимости от прошедшей команды согласования скоростей. Такая коррекция не позволяет восстановить передаваемую кодовую комбинацию потока, но дает возможность со­хранить длительность его цикла, что не повлечет за собой срыва цикловой синхронизации в этом потоке.

Для коррекции ошибок в активном интервале передачи команд с передающей станции поступает знак промежуточного значения изменения временного интервала между сигналами записи и счи­тывания. Необходимо учесть, что команды согласования скоростей будут передаваться довольно редко. Это определяется стабиль­ностью частоты задающего генератора, используемого при форми­ровании низовых потоков и в оборудовании временного группообразования. Рассмотрим это на примере системы передачи ИКМ-120. Как будет показано далее, расхождение частот может дости­гать 120 Гц, т. е. за 1 с максимальное число КСС равно 120, а число циклов за 1 с - 8000, т. е. в 67 раз больше. В каждом цикле имеются временные позиции для передачи информационных сим­волов при отрицательном согласовании скоростей. При отсутствии команд согласования скоростей эти временные позиции можно использовать для передачи знака промежуточного значения изме­нения временного интервала между сигналами записи и считыва­ния. Из этого видно, что информация о знаке промежуточного значения изменения временного интервала будет передаваться зна­чительно чаще, чем сами КСС.
При использовании такого способа коррекции каждая сдвоен­ная команда несет в себе информацию только о наличии согласо­вания скоростей, в то время как решение о знаке этого согласова­ния принимается на основе многократно передаваемой информации о знаке изменения временного интервала между сигналами записи и считывания. Как показано на рисунке 1.62, г, д при одиночном иска­жении сдвоенных команд последовательности (++) преобразуют­ся в последовательности (- -), а последовательности (- -) (на рисунке не показаны) - в последовательности (++); при этом момент передачи сдвоенных команд сдвигается на один времен­ной интервал передачи КСС. Это и используется в приемнике со­гласования скоростей для коррекции ошибок.

В схему приемника команд согласования скоростей добавляют­ся узлы определения знака промежуточного состояния скоростей и устройство сравнения, определяющее несоответствие информации о знаке согласования скоростей виду сдвоенной команды.Устройство фазовой автоподстройки частоты. Схема устройства ФАПЧ приведена на рисунке 1.64. В состав ее входят временной детек­тор (ВД), схема управления (СУ) и генератор, управляемый напря­жением, (ГУН). Работа аналогового ВД была рассмотрена ранее. Схема управления, содержащая ФНЧ, выделяет из сигнала с вы­хода ВД постоянную составляющую напряжения. Для идеального восстановления первоначальной скорости цифрового потока ФНЧ должен иметь бесконечно малую полосу пропускания.

Это позволит значительно уменьшить временные флуктуации импульсов пере­даваемого цифрового потока, вносимые оборудованием временного группообразования. Однако при этом не обеспечивается необходи­мая полоса захвата устройства ФАПЧ, которая не может быть меньше максимального расхождения частот записи в передающем устройстве f_з.пер и считывания в приемном устройстве f_cч.пр. Сле­довательно,

∆F_ФНЧ> f_з.пер δ _{f з.пер}+ f_з.перδ _{f сч.пр} (1.33)

где ∆F_ФНЧ - полоса пропускания ФНЧ; δ - относительная нестабильность частоты f. Так, при объединении цифровых потоков сформированных аппаратурой ИКМ-30:f_з = f _сч =2048 кГц, δ _{f з} =δ _{f сч} = 3·10^-5, ∆F_ФНЧ =120 Гц.
На вход ГУН будут проходить все составляющие сигнала с вы­хода ВД, попадающие в полосу ∆F_ФНЧ, что приводит к времен­ным флуктуациям передаваемого цифрового потока. Для уменьше­ния этих флуктуаций в схемах ФАНЧ применяются специальные устройства.