Скалин Цифровые системы передач
.pdfББК 32.88 С 42
УДК 621.395.4:621.376.56(075)
Скалин Ю. В. и др.
С 42 Цифровые системы передачи: Учебник для техникумов / Ю. В. Скалин, А. Г. Бернштейн, А. Д. Финкевич.— М.: Радио и связь, 1988.— 272 с: ил.
ISBN 5—256—00J25—6.
Излагаются основы методов передачи сигналов и временного объединения цифровых потоков в цифровых системах передачи. Рассматриваются принципы построения аппаратуры оконечных станций и линейного тракта. Даются основные характеристики и схемы построения систем передачи ИК.М-15. «Зона-15», ИКМ-30, ИКМ-120. ИКМ-480.
Излагаются основы их проектирования и эксплуатации.
Для учащихся техникумов связи, обучающихся по специальности «Многоканальная связь».
2402040000-081
С -' Свод, план для сред. спец. учеб. заведений, 141—88 046(01)88
ББК 32.88
Рецензенты: С. Н. Матвеев, В. М. Фидель Редакция литературы по электросвязи Учебник
Скалин Юрий Васильевич., Бернштейн Анатолий Гершевич, Финкевич Александр Дмитриевич
ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ Заведующий редакцией В. Н. Вяльцев. Редакторы Е. В. Комарова, Н. Я.
Липкина. Художественный редактор А. В. Проценко. Обложка художника
Архангельского. Технический редактор А. Н. Золотарева. Корректор О. А.
Коршунова
ИБ № 1214
Сдано в набор 13.08.87 Подписано в печать 16.02.88 Т-08612 Формат 60х88/,о
Бумага офсетная № 2 Гарнитура литературная Печать офсетная Усл. печ. л. 16,66 Усл. кр.-отт. 16.66 Уч.-изд. л. 18,72 Тираж 20 000 экз. Изд. №
21207 Зак. № 597 Цена 1 р.
Издательство «Радио и связь». 101000, Москва, Почтамт, а/я 693.
Московская типография № 4 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 129041, Москва, Б. Переяславская, д. 46.
1SBN 5—256—00125—6 © Издательство «Радио и связь», 1988
ПРЕДИСЛОВИЕ
В задачах развития Единой автоматизированной сети связи страны,
поставленных перед работниками связи, большое внимание уделяется цифровым системам передачи (ЦСП) и увеличению их пропускной способности. Широкое внедрение ЦСП на первичной сети связи требует соответствующей подготовки специалистов, выпускаемых техникумами связи. С этой целью для специальности 0734 вводится новый предмет
«Цифровые системы передачи», а для специальностей 0708, 0709, 0733, 0736
— соответствующие разделы в предмете «Многоканальная электросвязь».
Данный учебник является первым специализированным изданием по предмету «Цифровые системы передачи». В нем достаточно подробно разобраны основы построения ЦСП, рассмотрены системы передачи,
которые уже широко используются на местных сетях (ИКМ-15, ИКМ-30,
«Зона-15») будут введены в действие на внутризоновых (ИКМ-120, ИКМ-
480) и магистральных (ИКМ-1920) сетях. Особое внимание уделено вопросам проектирования и эксплуатации ЦСП, так эти разделы входят в учебные программы «Цифровые системы передачи» и «Техническая эксплуатация».
При подготовке учебника было использовано большое число литературных источников, а также опыт проведения занятий по данному предмету во Всесоюзном заочном, а также Кишиневском электротехническом техникумах связи. В списке литературы указаны лишь основные книги, которые рекомендуется прочесть учащимся, желающим расширить знания по отдельным разделам программы.
Главы 1, 2 написаны Ю. В. Скалиным, 4, 6, 7, 10,11 — А. Г.
Бернштейном, 3, 5, 8 и 9 — А. Д. Финкевичем.
Глава 1 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
1.1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ
В зависимости от способа обработки и передачи сообщений системы передачи разделяются на аналоговые и цифровые. К аналоговым относятся системы передачи: с частотным разделением каналов (ЧРК), в которых для передачи сигналов по каждому каналу передачи в диапазоне частот линейного тракта отводится определенная полоса частот;
с временным разделением каналов (ВРК), в которых для передачи сигналов по каждому каналу передачи в линейном тракте отводятся определенные интервалы времени.
К цифровым относятся системы передачи, в которых все виды сообщений передаются посредством цифровых сигналов.
Источники сообщений и соответствующие этим сообщениям сигналы подразделяются на непрерывные и дискретные. К непрерывным относятся такие сигналы, которые могут принимать в некоторых пределах любые значения и являются непрерывными функциями времени (сигналы телефонии, радиовещания и т. д.). дискретным относятся сигналы, которые состоят из отдельных (дискретных) элементов, имеющих конечное число различных значений (телеграфные сообщения, разовые команды и т. д.).
В аналоговых системах с ЧРК как непрерывные, так и дискретные сигналы с помощью различных видов модуляции АМ, АМ— ОБП, ЧМ преобразуются в групповой линейный сигнал, который является непрерывной функцией времени. Аналоговые дискретные сигналы можно получить из непрерывных, используя дискретизацию по времени, амплитуде,
времени и амплитуде одновременно.
При дискретизации непрерывного сигнала по времени (рис. 1.1)
передается не весь сигнал, а его амплитудные значения, взятые через промежутки времени, называемые периодом дискретизации Тд. При определенном выборе периода дискретизации непрерывный сигнал,
передаваемый дискретными по времени отсчетами, может быть восстановлен в дальнейшем практически без искажений. Полученный сигнал дискретен по времени, но непрерывен по амплитуде, так как в пределах динамического диапазона непрерывного
При дискретизации непрерывного сигнала по амплитуде (рис. 1.2)
передаются только определенные заранее выбранные его амплитудные значения, отличающиеся друг от друга на постоянную величину, которую называют шагом квантования по уровню. Как видно, квантованный по амплитуде сигнал отличается от исходного непрерывного сигнала тем, что приводит к ошибке квантования, определяемой разностью между первона-
чальным и квантованным по уровню сигналами.
Рис. 1.3 Сигнал, дискретный по вре мени и амплитуде
Сигнал, дискретный по времени и амплитуде (рис. 1.3), можно получить, осуществив квантование по уровню сигнала, дискретного по времени. Амплитудные отсчеты полученного сигнала отличаются от истинных значений дискретных отсчетов, что, как и в предыдущем случае,
приводит к ошибке квантования по уровню.
При цифровом представлении сигнала, дискретного по времени и амплитуде (рис. 1.4), каждому из уровней квантования по амплитуде присваивается свой номер, а его величина из десятичной системы счисления преобразуется в двоичную. Поэтому в дальнейшем можно передавать не сами отсчеты сигнала с их амплитудой, а группу импульсов,
соответствующих номеру уровня квантования, выраженного в двоичной системе счисления, т. е. цифровой сигнал, который состоит из по-
следовательности импульсов, причем наличие импульса свидетельствует о передаче единицы, а его отсутствие о передаче нуля. Цифровые сигналы по сравнению с аналоговыми обладают высокой помехоустойчивостью, так как при их обнаружении на фоне шумов необходимо определить лишь наличие импульса или его отсутствие.
Рис. 1.5. Структурная схема цифровой системы передачи
Таким образом, с точки зрения преобразования сигналов структурная схема цифровой системы передачи может быть представлена в виде рис. 1.5.
Непрерывный аналоговый сигнал от источника информации ИИ поступает на дискретизатор Д, в котором преобразуется в дискретные по времени отсчеты.
В квантующем устройстве КУ осуществляется квантование временных отсчетов сигнала по амплитуде. Аналого-цифровой преобразователь АЦП осуществляет преобразование дискретного по времени и амплитуде аналогового сигнала в цифровой.
На приеме в цифро-аналоговом преобразователе ЦАП происходит обратное преобразование цифрового сигнала в дискретный по времени и амплитуде аналоговый сигнал, а устройство восстановления УВ восстанавливает непрерывный сигнал, поступающий в приемник информации ПИ.
Преобразование непрерывных сигналов в цифровую форму и цифровых сигналов в непрерывные сопровождается искажениями передаваемых сообщений, возникающими при дискретизации непрерывных сигналов ошибок квантования в КУ и искажений УВ непрерывных сигналов.
1.2. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Теорема Котелынкова. Возможность передачи непрерывного сигнала его дискретными отсчетами была обоснована В. А. Котельниковым в 1933 г.
В соответствии с его теоремой любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой FB, полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчетов, взятых через промежуток времени Tд 
Рис. 1.6 Отклик ФНЧ на Рис. 1.7. Формирование непрерывного сигнала короткий прямоугольный фильтром нижних частот импульс
Таким образом, если требуется передать непрерывный сигнал U (г) с
ограниченным спектром, то не обязательно передавать весь сигнал, а
достаточно передать лишь его мгновенные значения, отсчитанные через интервалы времени 7Д (см. рис. 1.1). В соответствии с этим частота следования дискретных отсчетов сигнала, т.е. частота дискретизации Fд 2FB.
Для восстановления непрерывного сигнала из последовательности его дискретных отсчетов в пункте приема используется фильтр нижних частот
(ФНЧ) с частотой среза, равной Fa.
Как известно, отклик идеального ФНЧ с граничной частотой среза FB
на очень короткий прямоугольный импульс, поданный на его вход, имеет вид, изображенный на рис. 1.6.
Если на вход такого фильтра поступает последовательность коротких импульсов, соответствующих дискретным отсчетам непрерывного сигнала
(рис. 1.7), то на выходе фильтра в результате суммирования отдельных откликов переданный непрерывный сигнал вновь восстанавливается.
Параметры импульсной последовательности. Последовательность прямоугольных импульсов одного знака (рис. 1.8, а) характеризуется следующими параметрами: амплитудой U, длительность импульса Ти,
периодом следования Тс, частотой следования Fc — 1/Тс, круговой частотой следования юс == 2nFc — 2л/Тс, скважностью <? = 7Ути.
Частотный спектр такой последовательности импульсов при постоянных параметрах является дискретным, т. е. состоящим из отдельных частот, кратных частоте следования импульсов (рис. 1.8, б), а также содержит постоянную составляющую, значение которой зависит от скважности Q и
амплитуды импульсов U и определяется как U0= UxJTc.
Ширина частотного спектра импульсной последовательности при допустимых искажениях их формы может быть ограничена частотой,
зависящей от длительности импульса ω0 = 2π/τи или ƒо=l/τи. Таким образом,
чем короче импульс, т. е. чем меньше его длительность, тем шире его частотный спектр и тем больше гармоник частоты следования содержится в его спектре.
Амплитуда частоты следования или ее гармоник может быть определена из формулы
Ur |
2Uo |
|
sin |
n |
n |
|
n |
tc |
|||||
|
|
|
||||
Пример. Задана импульсная последовательность с параметрами τи = 1
мкс, τс=4 мкс, l/0 = 4 В. Определить: частоту следования FC; ширину спектра
.F= ƒ0; постоянную составляющую U0; дискретные составляющие спектра.
Нарисовать частотный спектр последовательности и частотный спектр, если ти=2мкс.
По приведенным выше формулам находим: FC = 1/T с =250 кГц; F = l/τи = МГц; Uo=Uτn/Tc=1 В; дискретные составляющие спектра Fс = 250кГц,
2FC=500 кГц; 3Fc=750 кГц (рис. 1.9). При τн=2 мкс, ΔF1 = 500 кГц и FC = 250
кГц (см. рис. 1.9).
Амплитудно-импульсная модуляцияю. При изменении амплитуды,
длительности, частоты следования или положения каждого импульса во времени по отношению к моментам отсчета (дискретизации) получают тот или иной вид импульсной модуляции. При амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) по закону модулирующего сигнала изменяется амплитуда импульсов, а длительность и частота следования остаются постоянными.
Различают АИМ первого и второго рода (АИМ-1, АИМ-2). При АИМ-1
амплитуда импульса изменяется в пределах его дли тельности в соответствии с огибающей непрерывного сигнала (рис. 1.10, а). При АИМ-2 амплитуда импульса в пределах его длительности постоянна и соответствует значению модулирующего сигнала в момент начала отсчета (рис. 1.10, б). Частотный спектр АИМ-1 для однополярных прямоугольных импульсов длительностью
, модулированных синусоидальным сигналом с частотой QM, показан на рис. 1.11. Как видно, в отличие от немодулированной импульсной последовательности (см. рис. 1.8,6), в спектре появляются боковые частоты около частоты дискретизации и ее гармоник, а также спектр модулирующего сигнала. Таким образом, задача восстановления непрерывного сигнала из последовательности его дискретных отсчетов заключается в фильтрации спектра модулирующего сигнала Qc с помощью ФНЧ с частотой среза