Крухмалев В.В., Гордиенко В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей, 2004

Дельта-модуляция с инерционным компандированием (ДМИК) изменение шага квантования происходит медленно, за время, соизмеримое с временем изменения огибающей кодируемого сигнала. Иногда ДМИК называют ДМ со слоговым компандированием, так как скорость изменения шага квантования соответствует скорости изменения слогов речи. Структурная схема ДМИК приведена на рис. 7. Так же, как и в случае ДММК, схема ДМИК содержит в цепи обратной связи АИМ (ШИМ) модулятор, изменяющий амплитуду или длительность импульсов, формирующих копию сигнала на выходе интегратора. Отличие этой схемы от предыдущей состоит в том, что управление амплитудой импульсов осуществляется не безынерционно, а сравнительно медленно, в соответствии с изменением огибающей кодируемого сигнала. Сигнал управления может выделяться из выходного сигнала или его копии. Структурная схема, приведенная на рис. 7, соответствует первому способу. В этом случае цепь управления содержит интегратор, детектор, выделяющий низкочастотную огибающую сигнала, и ФНЧ.

Рис. 7. Структурная схема кодека ДМИК

Инерционность адаптации кодека ДМИК близка к периоду основного тона речевого сигнала и равна примерно 10 мс, в то время как средний интервал следования слогов превышает 100 мс.

При ДМИК шаг квантования зависит от уровня входного сигнала, возрастая с его увеличением. Если при этом в некотором диапазоне изменения сигнала обеспечивается прямая пропорциональность между его напряжением и шагом квантования, отношение сигналшум квантования на выходе ФНЧ в данном диапазоне будет оставаться постоянным. Тем самым устраняется зависимость отношения сигнал-шум от уровня входного сигнала, свойственная ДМ с постоянным шагом. Эксперименты показали, что при использовании ДМИК и тактовой частоты 48 кГц отношение сигнал-шум квантования превышает 25 дБ при изменении уровня входного сигнала на 40 дБ. Следо-

вательно, ДМИК обеспечивает такое же качество передачи, как и ИКМ при восьмиразрядном кодировании, но при требуемой скорости передачи в 1,5...2 раза более низкой, чем ИКМ.

В заключение отметим, что влияние ошибок в линейном тракте при передаче ДМ сигнала вызывает ошибку, равную двум шагам квантования, а при ИКМ ошибка зависит от того, в каком разряде кодовой комбинации произошел сбой под воздействием помехи. Следовательно, требования к линейному тракту по достоверности передачи при ДМ на несколько порядков ниже, чем при ИКМ.

При ИКМ для демодуляции сигнала требуются два вида синхронизации: тактовая и цикловая по кодовым группам. При ДМ принципиально отсутствуют кодовые группы и для работы требуется только синхронизация по тактам.

Иерархия цифровых систем передачи на основе импульснокодовой модуляции

Цифровые системы передачи, используемые на телекоммуникационных сетях, строятся на основе определенной иерархии, которая должна удовлетворять следующим основным требованиям:

передача по каналам и трактам ЦСП всех видов аналоговых, дискретных и цифровых сигналов;

соответствующая кратность скоростей обработки и передачи сигналов на различных ступенях иерархии;

возможность достаточно простого объединения, разделения, выделения и транзита передаваемых цифровых потоков;

параметры ЦСП должны выбираться с учетом характеристик существующих и перспективных направляющих систем;

возможность взаимодействия ЦСП с аналоговыми системами передачи и различными системами коммутации;

при передаче сигналов типовых сообщений пропускная способность ЦСП должна использоваться наилучшим образом.

Формирование иерархии ЦСП осуществляется на основе объединения цифровых потоков низкого порядка, называемых компонентными, в единый цифровой, который называется групповым

или агрегатным.

При формировании группового цифрового сигнала-потока возможны следующие способы объединения цифровых потоков: посимвольное (рис. 8, а) и поканальное (рис. 8, б). В обоих случаях объединяются четыре потока.

При посимвольном объединении импульсы цифровых сигналов объединяемых цифровых потоков укорачиваются и распределяются во времени так, чтобы в освободившихся интервалах могли разместиться объединяемые импульсы других потоков. При поканальном объединении цифровых потоков сужаются и распределяются во времени интервалы, отводимые для кодовых групп. Синхросигнал необходим для правильного распределения цифровых потоков на приемном конце.

б)

Рис. 8. Структура цикла цифровой системы передачи с посимвольным (а) и с поканальным (б) объединением цифровых потоков

Возможно объединение цифровых потоков по циклам, которое аналогично поканальному объединению, только обрабатывается (сжимается) во времени и передается полностью цикл одного цифрового потока, а потом следующих. Наиболее простым и широко применяемым способом является способ посимвольного объединения.

Объединение цифровых потоков осуществляется в оборудовании временного группообразования, или мультиплексирования, принцип построения которого приведен на рис. 9.

Рис. 9. Принцип построения оборудования временного группобразования-мультиплексирования

В состав оборудования входят: блоки цифрового сопряжения тракта передачи и приема БЦСпер, БЦСпр; 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 станций.

Сигналы с выходов БЦСпер совместно с сигналами цикловой синхронизации поступают на вход УО. Временной сдвиг между импульсными последовательностями на выходах БЦСпер обеспечивается управляющими импульсами с ГО. На приеме УР распределяет импульсы группового сигнала по своим БЦСпр, 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 может быть асинхронным или синхронным.

При синхронном объединении цифровых потоков скорости записи в БЦС и скорости считывания этой информации из БЦС будут постоянными и кратными, так как вырабатываются одним и тем же ГО. При этом между командами записи и считывания должен быть установлен требуемый временной сдвиг, чтобы считывание информации происходило после ее поступления В БЦСпер-

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.

В настоящее время приняты два вида иерархии ЦСП: плезиохронная цифровая иерархия (ПЦИ), или Plesiochronous

Digital Hierarchy (PDH);

синхронная цифровая иерархия (СЦИ), или Synchronous Digital Hierarchy (SDH).

Иерархический принцип построения ЦСП позволяет унифицировать каналообразующее оборудование, упростить процессы производства, внедрения и технической эксплуатации соответствующего оборудования и в целом повысить технико-экономические показатели телекоммуникационных систем и сетей. При построении ЦСП в качестве исходного используется сигнал основного цифрового канала ОЦК (или DSO - Digital Signal of level 0) со скоростью 64 кбит/с.

Объединение цифровых потоков в плезиохронной цифровой иерархии

Плезиохронная цифровая иерархия включает в себя три стандарта скоростей, сложившихся к началу 80-х годов. Первый стандарт, называемый североамериканским (принятый в США и Канаде), где скорость первичного цифрового потока ПЦК (или DS1 - Digital Signal of level 1) была выбрана равной 1544 кбит/с, соответствующая 24 DS0 (ОЦК). Второй стандарт, принятый в Японии, использует ту же скорость первичного цифрового потока, что и североамериканский стандарт, т.е. DS1. В третьем стандарте, принятом в Европе и Южной Америке, скорость первичного цифрового потока - ПЦК была выбрана равной скорости 2048 кбит/с. Такая скорость соответствует 32 ОЦК. Фактически используются 30 ОЦК плюс два канала синхронизации и управления со скоростью передачи 64 кбит/с.

Первый стандарт ПЦИ включает в себя следующую иерархическую последовательность скоростей 1544 (или DS1) - 6312 (или DS2) - 44 736 (или DS3) - 274 176 (или DS4) кбит/с (округленно: 1,5 - 6 - 45 - 274 Мбит/с). Такая последовательность соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования: п = 24 для формиро-

вания сигнала DS1 из 24 сигналов DSO, m = 4 для формирования сигнала DS2 из 4 сигналов DS1, I = 7 для формирования сигнала DS3 из 7 сигналов DS2 и к = 6 для формирования сигнала DS4 из 6 сигналов DS3. Данный стандарт ПЦИ позволяет организовать 24, 96, 672 и 4032 канала DS0 (или ОЦК).

Цифровые сигналы уровней DS1 - DS2 - DS3 - DS4 обычно называют первичным цифровым каналом (потоком) - ПЦК (П), вторичным цифровым каналом (потоком) - ВЦК (П), третичным цифровым каналом (потоком) - ТЦК (П) и четверичным цифровым каналом (потоком) - ЧЦК (П) соответственно.

Второй стандарт ПЦИ, порожденный скоростью 1544 кбит/с, давал последовательность 1544 (или DS1) - 6312 (или DS2) - 32 064 (или DSJ3) - 97728 (или DSJ4) кбит/с (ряд приближенных величин составляет 1,5 - 6 - 32 - 98 Мбит/с). Коэффициенты мультиплексирования для данного стандарта, соответственно, равны п = 24, m = 4, I = 5, к = 3. Указанная иерархия позволяет организовать 24, 96, 480 и 1440 каналов DS0 (или ОЦК). Здесь сигналы DSJ3 и DSJ4 называются цифровыми каналами (или потоками) 3-го и 4-го уровней японской ПЦИ.

Третий стандарт ПЦИ, основанный на скорости 2048 кбит/с, порождает последовательность 2048 (или Е1: первичный цифровой канал-поток) - 8448 (или Е2: вторичный цифровой канал-поток) - 34 368 (или ЕЗ: третичный цифровой канал-поток) - 139 264 (или Е4: четверичный цифрой канал поток) - 564992 (или Е5: пятиричный цифровой канал-поток) кбит/с или приближенно 2 - 8 - 34 - 1 4 0 - 565 Мбит/с, что соответствует коэффициентам мультиплексирования, равным п = 30, m = I = к = 4. Указанный стандарт позволяет передавать, соответственно, 30, 120, 480, 1920 и 7680 ОЦК, что обычно ассоциируется в названии цифровых систем передачи ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480 и ИКМ-1920,

Схема мультиплексирования цифровых потоков ПЦИ различных стандартов представлена на рис. 10.

Параллельное развитие трех различных стандартов ПЦИ сдерживало развитие глобальных телекоммуникационных сетей в мире и поэтому Международным союзом электросвязи по телекоммуникациям (МСЭ-Т) были сделаны шаги по их унификации и возможному объединению. В результате был разработан стандарт согласно которому:

во-первых, были стандартизованы три первых уровня первого стандарта ПЦИ (DS1-DS2-DS3), четыре уровня второго стандарта (DS1-DS2-DSJ3-DSJ4) и четыре уровня третьего стандарта ПЦИ

Как и в ПЦИ, на каждом уровне СЦИ стандартизированы скорости передачи группового сигнала и структуры циклов. МСЭ-Т принял рекомендации по следующим уровням: первый уровень со скоростью передачи 155,52 Мбит/с; четвертый уровень со скоростью передачи 622,08 Мбит/с; шестнадцатый уровень со скоростью передачи 2488,32 Мбит/с. Скорости соответствующих уровней получаются умножением скорости первого уровня на число, соответствующее наименованию уровня.

В качестве основного формата сигнала в СЦИ принят синхронный транспортный модуль - СТМ (или Synchronous Transport Modul -STM), имеющий скорость передачи 155,52 Мбит/с и включающий в себя цифровые потоки европейского и североамериканского стандартов ПЦИ. Синхронный транспортный модуль представляет собой блочную циклическую структуру с периодом повторения 125 мкс. Основной модуль STM-1, модули высших уровней STM-4, STM-16, STM-64 и STM-256 кроме основной информационной нагрузки, несут значительный объем избыточных сигналов, обеспечивающих функции контроля, управления и обслуживания и ряд вспомогательных функций.

Структурная схема временного группообразования или мультиплексирования для STM-N потоков ПЦИ европейского и североамериканского стандартов приведена на рис. 11.

Рис. 11. Схема преобразований в синхронной цифровой иерархии

Пояснения по принятым обозначениям дадим в процессе изложения принципа группообразования.

Исходная информационная нагрузка пакуется в контейнеры С (Container) соответствующего уровня, представляющие базовые элементы структуры мультиплексирования SDH, соответствующих

уровням ПЦИ. Рассмотрим пример формирования синхронного транспортного модуля N-ro уровня.

Четверичный цифровой поток европейского стандарта Е4 со скоростью передачи 140 Мбит/с, что соответствует 2176 байтам на длительности цикла Тц = 125 мкс, путем добавления выравнивающих байт преобразуется в контейнер уровня С-4; третичный цифровой поток ЕЗ с числом 537 байт на длительности Тц = 125 мкс путем добавления выравнивающих байт преобразуется в контейнер уровня С-3. Аналогично цифровой поток североамериканского стандарта ПЦИ уровня DS3 со скоростью передачи 45 Мбит/с преобразуется также в контейнер уровня С-3. Первичный цифровой поток Е1 путем добавления выравнивающих бит преобразуется в контейнер типа С-12, а североамериканский DS1 - в контейнер С—11.

Затем контейнеры С-4, С-3, С-12 или С—11 посредством операции размещения преобразуются в виртуальные контейнеры VC (Virtual Container - VC) соответствующего уровня с периодом 125 или 250 мкс. Виртуальный контейнер VC получается из контейнера С путем добавления в структуру последнего байт трактового заголовка РОН (Path Over Head), обеспечивающего контроль качества тракта и передачу аварийной и эксплуатационной информации. Условно операция размещения заключается в том, что информация, содержащаяся в контейнере С, размещается на определенных позициях виртуального контейнера, чередуясь с битами трактового заголовка.

Для европейского стандарта СЦИ имеют место следующие типы виртуальных контейнеров:

VC-12, содержащий контейнер С-12 и трактовый заголовок - РОН, который путем выравнивания, заключающегося в добавлении байт указателя PTR (PoinTeR - указатель), преобразуется в компонентный блок уровня TU-12 (Tributary Unit - TU);

VC-3 - виртуальный контейнер высшего уровня, содержащий контейнер С-3, трактовый заголовок - РОН, и далее выравниванием и добавлением байт указателя PTR преобразуется в компонентный блок уровня TU-3;

понентных блоков TUG (Tributary Unit Group) второго TUG-2 и третьего (высшего) TUG-3 уровней.

Как следует из рис. 11, виртуальный контейнер VC-4 формируется либо на основе контейнера С-4, либо путем мультиплексирования с коэффициентом мультиплексирования, равным 3, из компонентных блоков TUG-3. Виртуальный контейнер VC-4 преобразуется в административный блок AU-4, а последний с помощью мультиплексирования преобразуется в группу административных блоков AUG.

Формирование синхронного транспортного модуля уровня N STM-N осуществляется путем мультиплексирования группы административных блоков с коэффициентом мультиплексирования, равным N порядку STM, и добавлением в его структуру заголовка регенерационной секции RSOH (Regeneration Section Over Head) и

заголовка мультиплексной секции MSOH (Multiplex Section Over Head).

Рассмотрим пример формирования модуля STM-1 на основе компонентного потока Е1.

Шаг 1. Все начинается с формирования контейнера С-12, наполняемого компонентным цифровым потоком Е1 со скоростью 2,048 Мбит/с. Этот поток, для удобства последующих пояснений, лучше представить в виде цифровой 32-байтной последовательности, циклически повторяющейся с периодом 125 мкс, т.е. с периодом STM-1 (это так, если учесть, что 2,048-10® 125-10"6 /8 = 32 байта).

К этой последовательности в процессе формирования контейнера С-12

добавляются выравнивающие, фиксирующие, управляющие и упаковы-

вающие биты, составляющие два байта. Следовательно, размер контейнера С-12 равен 34 байтам.

Шаг 2. Далее к контейнеру С-12 добавляется трактовый заголовок РОН длиной в один байт с указанием маршрутной информации, используемой, в основном, для сбора статистики прохождения контейнера по трактам передачи. В результате формируется виртуальный контейнер VC-12 размером 35 байт.

Шаг 3. Добавление указателя PTR длиной в один байт преобразует виртуальный контейнер VC-12 в субблок (трибный блок) TU-12 размером 36 байт.

Шаг 4. Последовательность субблоков TU-12 в результате байтмультиплексирования с коэффициентом мультиплексирования, равным 3, преобразуется в группу субблоков (трибных блоков) TUG-2 с суммарной длиной последовательности 3 х 36 = 108 байтов.