4.7 Особенности организации синхронизации в цифровых телефонных сетях

В общем случае (при соединении в сеть трех и более цифровых АТС) возникает проблема синхронизации цифровой сети. Под синхронизацией цифровой сети понимается процесс ус­тановления и поддержания предопределенных временных соотношений между цифровыми потоками.

Различают тактовую синхронизацию сети, обеспечивающую одинаковую скорость ра­боты цифровых систем, и цикловую синхронизацию информации по группам символов, или циклам.

Проблема распределения частоты и времени, т.е. синхронизации внутри независимо рабо­тающей цифровой АТС не является чем-то особенно сложным. Решение этой проблемы сводится к соз­данию внутри цифровой АТС системы синхронизации, управляемой собственным станци­онным генератором (рис.4.21).

Рис.4.21. Синхронизация цифровой АТС независимым станционным генератором

Ничего принципиально нового не появится, если с помощью ЦСП в сеть будут соеди­нены две цифровые АТС. В этом случае синхронизация будет осуществляться по одному из двух станционных генераторов (рис.4.22) любой АТС. В передающей части (Пд) аппа­ратуры каждой ЦСП используется независимый генератор тактовой частоты F₀ или F₁. Именно по одному из этих генераторов может быть синхронизирована работа такой циф­ровой сети.

Рис.4.22. Синхронизация двух цифровых АТС

Однако уже в этом случае придется учитывать эффект запаздывания прохождения сигналов по ЦСП («пролетный эффект»). Для выравнивания значащих моментов сигналов (по сути, для фазовой синхронизации) на цифровых АТС вводится буферная память (рис.4.23).

Рис.4.23. Использование буферной памяти

С помощью буферной памяти удается за счет задержки цифрового сигнала синхронизи­ровать по времени цифровые потоки двух АТС, однако объем буферной памяти по эконо­мическим соображениям не может быть очень велик. Если объединенные в сеть цифровые АТС не будут синхронизированы, то возникнет эффект искаженного приема цифровых потоков, названный проскальзыванием. Когда вхо­дящий цифровой поток, записываемый в буферную память, имеет скорость выше скорости синхрогенератора АТС, то часть входящих бит будет теряться (нет места для их записи). Если скорость входящего потока будет ниже скорости синхрогенератора АТС, то при счи­тывании часть данных будет считываться дважды прежде чем придут данные из линии.

Численно проскальзывания определяются числом бит (неправильно принятых или по­терянных) на один канал за определенный отрезок времени.

Проскальзывания по-разному сказываются на качестве передаваемой информации в за­висимости от вида связи.

Наиболее сложным является обеспечение нормы проскальзывания для международной цифровой сети. Синхрогенератор должен иметь при этом стабильность порядка 10^-11 в те­чение 70 дней. Единственным генератором такого рода являются цезиевые атомные часы.

Очевидно, что если установить на каждой цифровой АТС атомные часы, то отпадет не­обходимость в синхронизации цифровой сети. В этом случае каждая цифровая АТС работа­ла бы в плезиохронном (почти синхронном) режиме. Но такое решение чрезвычайно дорого из-за высокой стоимости атомных часов. Поэтому было решено, что в плезиохронном ре­жиме будут работать относительно друг друга две любые национальные цифровые сети.

Для национальных СТС Администрация связи каждой страны должна построить свою сеть синхронизации, отдельную от сети передачи речи.

Для синхронизации цифровых сетей различного назначения (от военных до сетей обще­го пользования) было предложено большое количество методов построения, однако обще­принятым для цифровых сетей связи общего пользования стал метод «ведущий - ведомый»

Суть этого метода состоит в том, что сигнал эталонной частоты передается из одного узла, названного «ведущий» (mas­ter - М), в другие, названные «ведомыми» (slaves - S) (рис.4.24).

Рис.4.24. Метод синхронизации «ведомый - ведущий»

Обычно сеть синхронизации по методу «ведомый - ведущий» строится как иерар­хическая сеть. Синхрогенератор узла выс­шей ступени иерархии обеспечивает сигна­лами эталонной частоты определенное число узлов второй ступени иерархии, каждый из которых может, в свою очередь, обеспе­чить эталонной частотой другие узлы либо непосредственно, либо через транзитные узлы. Синхрогенераторы узлов сети, кроме высшего (эталонного), являются подстраиваемыми.

Благодаря использованию высокостабильного генератора на ведущем узле (обычно цезиевых атомных генераторов) и недорогих менее стабильных генераторов на ведомых уз­лах, а также использованию для передачи эталонных частот разговорных трактов, метод «ведомый - ведущий» является в настоящее время наиболее экономичным. Стабильность частоты в сети приближается к стабильности частоты ведущего узла и является достаточно высокой.

Этот метод позволяет осуществлять межсетевую синхронизацию на плезиохронной ос­нове.

К недостаткам метода следует отнести возможность «потери» ведущего генератора. При этом ведомый узел либо выбирает другой источник в качестве ведущего, либо исполь­зует собственный генератор в режиме независимой работы, пока не будет восстановлена связь с ведущим генератором. Для увеличения надежности используются различные мето­ды резервирования оборудования.

В настоящее время в различных странах (в США, Японии, Швеции и др.) для синхрони­зации сети используется множество модификаций метода «ведомый - ведущий» [9].

Планировать и строить магистральные транспортные цифровые сети связи необходимо од­новременно с созданием и совершенствованием системы тактовой сетевой синхронизации (ТСС). Необходимость в ней возникает, когда ЦСП транспортной сети интегрируются с цифровыми системами коммутации в единую сеть, способную передавать и коммутировать сигналы в цифровой форме. Для эффективной работы цифровой сети необходима организа­ция системы ТСС, обеспечивающей передачу цифровой информации с качеством, отвечаю­щим требованиям рекомендаций ITU-T, и практически не влияющей на надежность и живу­честь цифровой сети.

В отличие от синхронизации аппаратуры ЦСП СЦИ/SDH в системе ТСС не требуется обеспечивать определенные фазовые соотношения между сигналами синхронизации и ин­формационными сигналами. Для исключения влияния фазовых сдвигов между этими сиг­налами в цифровой сети используют эластичные буферные устройства (память), указатели и вставки (стаффинги). При сопряжении цифровых потоков разного уровня с тактовыми частотами 2 МГц и выше ТСС не требуется, так как имеется система согласования скоро­стей с помощью стаффинг-команд. И только при объединении сигналов ПЦИ уровня Е1 (2048 кбит/с) требуется их синхронизация и, следовательно, при использовании раз­несенных ЦСП необходима система ТСС. Последняя должна выдавать сигналы синхрони­зации с очень высокой точностью установки номинального значения и высокой стабильно­стью тактовой частоты. Для этого на цифровой сети устанавливают ПЭГ.

В настоящее время для взаимоувязанной сети связи Российской Федерации (ВСС Рос­сии) основой является система ТСС базовой сети, в качестве которой выбрана система ТСС ОАО «Ростелеком». Эта система способна обеспечить сигналами синхронизации надлежа­щего качества всех операторов связи, взаимодействующих с ВСС, так как на этой сети ус­тановлено достаточное число ПЭГ и обеспечивается необходимый контроль качества пере­даваемых синхросигналов. Базовая система ТСС позволяет подключить к ней любого оператора связи, гарантируя при этом требуемое качество синхронизации в соответствии с рекомендациями ITU-T и стандартами ETSI. Однако существует ряд ведомственных и больших корпоративных сетей, в которых в силу их специфических особенностей необхо­дима установка собственной системы ТСС и ПЭГ.

Сигналами синхронизации могут служить как специальные сигналы с частотой 2048 кГц, так и информационные сигналы полезной нагрузки уровня Е1 (2048 кбит/с) ЦСП ПЦИ, соответствующие Рекомендации G.703 ITU-T. Для передачи сигналов синхронизации по цифровой сети могут использоваться сигналы ЦСП СЦИ и ПЦИ. По сети ПЦИ синхросигналы передаются в составе сигнала уровня Е1.

По сети СЦИ синхросигналы передаются в составе цифровых потоков синхронных модулей STM-N (N=1,4,...). Цифровые потоки полезной нагрузки уровня Е1 (2048 кбит/с) ЦСП СЦИ практически не пригодны для применения в качестве носителей синхросиг­налов. В мультиплексорах ЦСП СЦИ из синхронных модулей STM-N формируются сигналы синхронизации с частотой 2048 кГц. Для восстановления качества сигналов син­хронизации, переданных с помощью синхронных модулей STM-N, используются генерато­ры сетевых элементов (ГСЭ), которые входят в состав мультиплексоров ЦСП СЦИ. На ГСЭ могут по­ступать синхросигналы, полученные по линейному потоку или потоку нагрузки. Сигналы синхронизации 2048 кГц могут поступать на ГСЭ непосредственно от ПЭГ, вторичного за­дающего генератора (ВЗГ), иногда от ГСЭ другого мультиплексора.

Рассмотренные принципы построения ТСС ВСС России используются и для построения систем ТСС ведомственной или корпоративной цифровой сети связи [7]. Для оптимальной демодуляции все цифровые приемники должны синхронизироваться с переходами поступающих цифровых символов. В этом случае применяется случайный двоичный узкополосный сиг­нал, и о реальной ин­формационной последовательности ничего не известно. Класс синхронизаторов, ис­пользуемых в подобном случае, называется синхронизаторами без применения дан­ных (nоn-data-aided — NDA). Существует еще один класс символьных синхронизато­ров, которые используют известную информацию об информационном потоке. Эта информация может извлекаться из переданных по обратной связи решений относи­тельно принятых данных или из введенной в информационный поток известной по­следовательности. В настоящее время доминирующими при выборе модуляций, эффективно использующих полосу, становятся методы с использованием Данных (data-aided — DA). Рассматриваемые символьные синхронизаторы можно разделить на две основные группы. Первая группа состоит из разомкнутых синхронизаторов. Данные схемы вы­деляют копию выхода генератора тактовых импульсов передатчика непосредственно из поступающего информационного потока. Вторая группа — это замкнутые синхро­низаторы, они синхронизируют локальный генератор тактовых импульсов с посту­пающим сигналом посредством сличения локального и поступающего сигналов. Замкнутые синхронизаторы, как правило, точнее, но при этом сложнее и дороже.

Разомкнутые символьные синхронизаторы также иногда называют нелинейными синхронизаторами на фильтрах. Синхро­низаторы этого класса генерируют частотный компонент со скоростью передачи сим­волов, пропуская поступающий узкополосный сигнал через последовательность фильтра и нелинейного устройства. Работа данного устройства аналогична восстанов­лению несущей в контуре сопровождения с подавленной несущей. В данном случае желательный частотный компонент, передаваемый со скоростью передачи символов, изолируется с помощью полосового фильтра, после чего насыщающий усилитель с высоким коэффициентом насыщения придает ему нужную форму. В результате вос­станавливается прямоугольный сигнал генератора тактовых импульсов. На рис.4.25 приведены три примера разомкнутых битовых синхронизаторов. В первом примере (рис.4.25, а) поступающий сигнал s(t) фильтруется с использовани­ем согласованного фильтра. На выходе этого фильтра — автокорреляционная функция ис­ходного cигналаю

Рис.4.25. Три типа разомкнутых битовых синхронизаторов

Например, для передачи с помощью прямоугольных импульсов, на выходе имеем сигнал, состоящий из равнобедренных треугольников. Затем получен­ная последовательность спрямляется с помощью некоторой нелинейности четного по­рядка, например квадратичного устройства. Полученный сигнал будет содержать пики положительной амплитуды, которые, с точностью до временной задержки, соответст­вуют переходам входных символов. Сигнал с выхода четного устройства будет со­держать спектральный компонент на собственной частоте тактового генератора. Данная час­тотная составляющая изолируется от остальных гармоник с помощью полосового фильтра (bandpass filter — BPF), и ей придается форма посредством насыщающего усилителя с передаточной функцией следующего вида.

sng

Во втором примере (рис. 4.25. б) спектральный компонент на частоте тактового генера­тора создается посредством задержки и умножения. Длительность задержки, показан­ной на рис.4.25 б, равна половине периода передачи бита, и это значение является оптимальным, поскольку оно дает наибольший спектральный компонент. Сигнал m(t) всегда будет положительным во второй половине любого периода передачи бита, но будет иметь отрицательную первую половину, если во входном потоке битов s(t) про­изошло изменение состояния. Это дает прямоугольный сигнал, спектральные компо­ненты и все гармоники которого совпадают с теми, что были у сигнала в схеме на рис.4.25. а. Как и ранее, требуемый спектральный компонент может быть отделен с помощью полосового фильтра, а затеми ему будет придана нужная форма.

Последний пример (рис.4.25, в) соответствует контурному детектору. Основными операциями здесь являются дифференцирование и спрямление (посредством использова­ния квадратичного устройства). Если на вход поступает сигнал прямоугольной формы, дифференциатор дает положительные или отрицательные пики на всех переходах симво­лов. При спрямлении получаемая последовательность положительных импульсов будет да­вать спектральный компонент на скорости передачи информационных символов. Потенциальной проблемой данной схемы является то, что дифференциаторы обычно весьма чувствитель­ны к широкополосному шуму. Это делает необходимым введение перед дифференциато­ром фильтра нижних частот (low-pass filter — LPF), как показано на рис.4.25, в. В то же время данный фильтр удаляет высокочастотные составляющие информационных симво­лов, что приводит к потере сигналом исходной прямоугольной формы. Это, в свою оче­редь, приводит к тому, что результирующий дифференциальный сигнал будет иметь ко­нечное время нарастания и спада и уже не будет последовательностью импульсов.

Основным недостатком разомкнутых символьных синхронизаторов является нали­чие неустранимой ошибки сопровождения с ненулевым средним. Эту ошибку можно снизить при больших отношениях сигнал/шум, но поскольку форма сигнала синхро­низации зависит непосредственно от поступающего сигнала, устранить ошибку не удастся никогда.

Замкнутые символьные синхронизаторы сравнивают входной сигнал с локально генерируемым с последующей синхронизацией локального сигнала с переходами во входном сигнале. По сути, процедура ничем не отличается от используемой в разомк­нутых синхронизаторах.

Среди замкнутых символьных синхронизаторов можно выде­лить синхронизатор с опережающим и запаздывающим стробированием (early/late-gate synchronizer) (рис.4.26).

Рис.4.26. Синхронизатор с опережающим и запаздывающим стробированием

Работа синхронизатора заключается в выполнении двух отдельных интегрирований энергии входного сигнала по двум различным промежуткам символьного интервала длительностью (Т - d) секунд. Первое интегрирование (опережающее) начинается в момент, определенный как начало периода передачи символа (условно — момент времени 0), и заканчивается через (T-d) секунд. Второе интегрирование (запаздывающее) начинается с задержкой на d се­кунд и заканчивается в конце периода передачи символа (условно — момент времени Т). Разность абсолютных значений выходов описанных интеграторов у₁ и у₂ является мерой ошибки синхронизации символов приемника и может подаваться обратно для после­дующей коррекции приема.

Работа синхронизатора с опережающим и запаздывающим стробированием пред­ставлена на рис.4.27. При идеальной синхронизации (рис.4.27, а) оба периода стробирования попадают в интервал передачи символа. В этом случае оба интегратора получат одинаковый объем энергии сигнала и разность соответст­вующих сигналов (сигнал рассогласования е на рис.4.26) будет равна нулю. Сле­довательно, если устройство синхронизировано, т.е. стабильно, нет тенденции к самопроизвольному выходу из синхронизации. На рис.4.27, б показан пример для приемника, генератор тактовых импульсов которого функционирует с опережением по отношению к входному сигналу. В данном случае начало интервала опережаю­щего интегрирования попадает на предыдущий интервал передачи бита, тогда как запаздывающее интегрирование по-прежнему выполняется в пределах текущего символа. При, запаздывающем интегрировании энергия накапливается за интервал времени (Т-d), как и в случае, изображенном на рис.4.27, а, но опережающее ин­тегрирование накапливает энергию всего за время [(T- d)-2∆], где ∆ — часть ин­тервала опережающего интегрирования, приходящаяся на предыдущий интервал передачи бита. Следовательно, для этого случая сигнал рассогласования будет равен е = -2∆, что приведет к снижению входного напряжения ГУН на рис.4.26. Это, в свою очередь, приведет к снижению выходной частоты ГУН и замедлит отсчет вре­мени приемника для согласования с входными сигналами.

Рис.4.27. Символьная синхронизация, а – точка синхронизации приемника,

б – синхронизация с опережением

Используя рис.4.27 как образец, можно видеть, что если таймер приемника опаздывает, объемы энергии, накопленные при опережающем и запаздывающем интегрировании, будут обратны к полученным ранее и, соответственно, поменяется знак сигнала рассогласования. Таким образом, запаздывание таймера приемника приведет к увеличению напряже­ния ГУН, что вызовет увеличение выходной частоты генератора и приближение скорости таймера приемника к скорости входного сигнала.

В примере, проиллюстрированном на рис.4.27 неявно подразумевалось, что до и после рассматриваемого символа происходит изменение информационного состояния. Если переходов нет, можно видеть, что опережающее и запаздываю­щее интегрирование приведет к одинаковым результатам. Следовательно, если не происходит изменения информационного состояния, сигнал рассогласования не генерируется. Это всегда следует иметь в виду при использовании любых сим­вольных синхронизаторов [10].