Структура и иерархия ЦСП

Цифровой системой передачи (ЦСП) называют разновид­ность многоканальной системы передачи первичной сети, в ко­торой передача многоканального сигнала по линейному трак­ту этой системы ведется в цифровой форме.

ЦСП, как и любая многоканальная система передачи, со­стоит из оконечных станций ОС, промежуточных станций ПС и среды распространения (рис.1.1).

Рис. 1.1

Основные узлы оконечной станции ОС: АЦО-п — аналого-цифровое оборудование на п каналов ТЧ, ВГ₀ — аппаратура временного группообразования и ОЛТ — оконечная аппаратура линейного тракта.

В АЦО происходит объединение каналов ТЧ в групповой сигнал и кодирование этого сигнала, в результате которого он из аналогового или импульсного преобразуется в цифро­вую двоичную форму. Обычно такое кодирование осуществля­ется с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Объединение каналов ТЧ в передатчике и разъединение их в приемнике АЦО осуществляют чаще всего путем ВРК. В СССР и большинстве европейских стран узаконен способ построения АЦО, в котором количество каналов ТЧ n =30.

Соответствующее аналого-цифровое оборудование называют АЦО-30. Это оборудование используется для построения ап­паратуры ЦСП на 30 каналов ТЧ (ИКМ-30) и на большее число каналов (ИКМ-120 и др.). При разработке аппаратуры ЦСП для сельского участка ЕАСС было разработано аналого-цифровое оборудование на 12 каналов ТЧ (двенадцатиканальный универсальный блок — ДУБ), которое будем в даль­нейшем сокращенно обозначать АЦО-12, и на 15 каналов ТЧ (блок уплотнения каналов — БУК), которое будем также, унификации ради, сокращенно обозначать АЦО-15.

Рассмотрим назначение основных узлов функциональной схемы аналого-цифрового оборудования на примере АЦО-30 (рис. 1.2). АЦО-30 состоит из следующих блоков: приемопере­датчик, КОДЕК — кодирующее и декодирующее устройство, ПК — преобразователь кода, УО — устройство объединения сигналов (в аппаратуре ИКМ-30 УО названо ФЛС ­— формирователь линейного сигнала.), УР — устройство разъединения сигналов, СУ — согласующее устройство, ДИ —устройство ввода цифровой информации в групповой тракт.

Рис. 1.2

В приемопередатчике (ПП) путем переключений организуется либо четырехпроводное, либо, с помощью дифсистемы ДС, двухпроводное окончание канала ТЧ. В передатчике ПП осуществляется формирование канальных сигналов и объединение их методом ВРК. В приемнике ПП осуществляется выделение канальных сигналов из группового и последующее преобразование их в исходную аналоговую форму. Ограничение пикового значения передаваемого сигнала и полосы частот его спектра в передатчике осуществляется с помощью ограничителя амплитуд ОА и фильтра нижних частот ФНЧ соответственно. Дискретизация непрерывного сигнала по времени осуществляется ключом передатчика КЛ.

В соответствии с теоремой Котельникова, частота дискретизации где f_cм — частота среза ФНЧ (максималь­ная частота спектра передаваемого по каналу сигнала). Для канала ТЧ максимальная частота спектра сигнала f_cм = 3,4 кГц. С целью упрощения ФНЧ частоту дискретизации выбирают f_д= 8 кГц. Выделение данного сигнала и группового сигнала в приемнике ПП осуществляют с помощью ключа приемника КЛ. На выходе этого ключа формируется импульсный сигнал. Если выполняются условия теоремы Котельникова, то выделение непрерывного сигнала из импульсного сигнала типа АИМ можно осуществить с помощью ФНЧ. Фор­мирование необходимого номинального уровня на выходе четырехпроводного окончания тракта приема канала ТЧ осуществляется УНЧ. С помощью кодирующего устройства кодека, групповой АИМ сигнал преобразуется в двоичный сиг­нал. При этом используется 8-разрядный симметричный двоичный код с законом компандирования А = 87,3/13.

Аппаратура ИКМ-30 предназначена для работы на соединительных линиях между АТС. Поэтому в состав АЦО-30 включены согласующие устройства СУ (в аппаратуре ИКМ-15, ЗОНА-15 блоки СУ и ДС располагаются в КНО и в состав БУК не входят), с помощью которых осуществляется передача сигналов управления взаимодействия (СУВ) между АТС. Это — занятие приборов АТС, набор номера, отбой, посылка, контроль посылки вызова и др. В СУ СУВ преобразуются в импульсные последовательности с тактовой частотой 500 Гц. СУВ всех 30 каналов передаются в ЦСП по общему канальному сигналу (ОКС) с использованием ВРК. Для этого выделяется 16-й канальный интервал в цикле передачи. СУВ передаются в 15 циклах сверхцикла, который состоит из 16 циклов с номерами 0, 1, 2,..., 15. СУВ 1-го и 16-го каналов передаются в 1-м цикле, 2-го и 17-го каналов — во 2-м цикле и т. д., 15-го и 30-го канала — в 15-м цикле. В нулевом цикле передается сигнал сверхцикловой синхронизации и дискретной информации, которую че­рез устройство ДИ вводят непосредственно в групповой сигнал 30-канального цикла передачи. Групповой сигнал с выхода кодера, импульсы с выходов СУ и ДИ объединяются в общий групповой сигнал устройством УО. Сигнал с выхода УО поступает на преобразователь кода передачи ПКпер. В ПКпер. формируется биполярный сигнал (подробнее см. раздел 2.1) в виде последовательности прямоугольных импульсов чередующейся полярности. На первичной и более высокой ступенях иерархии, как правило, формируют импульсы с амплитудой 3 В и длительностью Т _И = 0,5Т _Т, где Т _Т = 1/f_Т — дли­тельность тактового интервала. Биполярный сигнал не содержит постоянную составляющую и близкие к ней частоты, что позволяет передавать его с малыми искажениями по физическим цепям, на входе и выходе которых имеются согласующие трансформаторы.

АЦО-30 является законченным изделием, которое входит в состав не только аппаратуры ИКМ-30, но и в состав высших ступеней иерархии. При подключении АЦО-30 к другим блокам этих систем, которые часто размещаются на отдельных стойках, необходим соединительный кабель с согласующими трансформаторами. Трансформаторы не пропускают постоянный ток и близкие к нему частоты. Поэтому формирование биполярного сигнала в ПКпер. уменьшает искажения, вносимые такими трансформаторами. Преобразователь кода прием­ника ПКпр. осуществляет обратное преобразование биполярного сигнала в однополярный двоичный сигнал.

В некоторых случаях для формирования группового сигнала в АЦО ЦСП применяют частотное разделение каналов (ЧРК). При этом используются стандартные группы систем передачи с ЧРК: 60-канальная, т. е. вторичная группа (ВГ); 300-канальная, т. е. третичная группа (ТГ) и др. В устройствах таких АЦО сигнал, соответствующий ВГ или ТГ, кодируется и преобразуется в биполярный, как это было описано ранее. В техническом описании, аппаратуры ЦСП эти АЦО называют соответственно АЦО-ЧД-2 и АЦО-ЧД-3. Здесь используется не рекомендуемая ГОСТом терминология. Поэтому мы будем в дальнейшем эти АЦО сокращенно называть АЦО-ВГ и АЦО-ТГ соответственно.

В ОС, в которой количество каналов ТЧ N = n, сформированный в АЦО- n цифровой сигнал после дополнительного преобразования в ОЛТ передается по цепи. Такой метод построения ОС называют ОС с непосредственным кодированием. Так строятся ОС аппаратуры ИКМ-12М, ИКМ-15, ИКМ-30, ИКМ-ЗОС. В ЦСП с большим количеством каналов ТЧ (N>n) применяют, как правило, временное группообразование. При этом с помощью устройства временного группообразования (ВГо) цифровые потоки стандартных АЦО- n объединяются в общий цифровой поток, который после преобразования в ОЛТ передается в линию. Такой метод построения ОС называют ОС с группообразованием. Так строятся ОС ап­паратуры ИКМ-120, ИКМ-480 и др.

Важнейшей характеристикой цифровых потоков является скорость В передаваемых двоичных импульсов. Величину В определяют максимальным числом двоичных единиц, переда­ваемых в секунду. Соответствующие единицы измерения обоз­начают кбит/с (т. е. тысяча двоичных единиц в секунду) или Мбит/с (т. е. миллион двоичных единиц в секунду) и т. д.

Такой же важной характеристикой цифрового потока яв­ляется тактовая частота а_т. Тактовая частота — это частота следования импульсов линейного сигнала. Линейный сигнал ЦСП формируется ПК и оборудованием линейного тракта ОЛТ. Характеристики линейного сигнала определяются выб­ранным методом преобразования двоичного сигнала в линей­ный сигнал с помощью соответствующего кода. Сформирован­ный линейный сигнал должен быть удобен для передачи по линейному тракту ЦСП. К нему предъявляется также ряд дополнительных требований. Для чаще всего применяемых кодов типа ЧПИ и МЧПИ (см. подробнее раздел 2.1) f_T = B. При этом необходимо помнить, что скорости передачи В кбит/с соответствует f_Т кГц, а В Мбит/с — f_Т МГц. Далее будет показано, что полосу частот Δ f_ИКМ, занимаемую в линейном тракте ЦСП с ИКМ, для указанных кодов можно приближен­но определить:

. (1.1)

Видно, таким образом, что так же, как границы плана частот являются важной характеристикой СП-ЧРК, тактовая частота f_Т и скорость передачи цифрового сигнала В являются важ­нейшими характеристиками ЦСП.

Скорость передачи группового сигнала В определяется скоростью передачи цифрового потока В_1к, необходимого для качественного описания сигнала одного канала ТЧ, и числом N_И канальных временных интервалов Т_К в цикле передачи. При этом:

. (1.2)

Скорость В_1К определяется частотой следования отсчетов сигнала в канале ТЧ (т. е. частотой дискретизации f_д) и числом импульсов двоичного (ИКМ) сигнала m (числом разрядов кода ИКМ), которое необходимо использовать для качествен­ного воспроизведения амплитудных значений передаваемых отсчетов. Так как на каждый отсчет передаваемого сигнала приходится m импульсов двоичного (ИКМ) сигнала, то

. (1.3)

Здесь частота дискретизации f_д определяется теоремой Котельникова. Из (1.2) и (1.3) следует, что

. (1.4)

Так, например, для АЦО-30 N_И = 32, m = 8, f_д = 8 кГц. Поэто­му В_1К = 64 кбит/с, а суммарная скорость цифрового потока АЦО-30 В = 2048 кбит/с. Количество канальных интервалов N_И в цикле определяется количеством каналов ТЧ N, но при этом всегда N < N_И. Дело в том, что в цикл передачи прихо­дится вводить дополнительные импульсные последователь­ности, которые используются для цикловой синхронизации, передачи сигналов управления и взаимодействия между або­нентами и АТС (СУВ), передачи дискретной информации ДИ непосредственно в групповом тракте ЦСП. Для приближенных расчетов можно полагать N ≈ N_И. Тогда

. (1.5)

Временное объединение цифровых потоков осуществляется несколькими ступенями, причем скорость В на выходе ВГо каждой ступени регламентирована определенной величиной. Такое ступенчатое построение многоканальных ЦСП, при ко­тором осуществляется последовательное объединение групп каналов (цифровых потоков) в цифровые потоки со стандар­тизованной скоростью передачи, называют иерархией ЦСП.

Рис. 1.3

Принципы построения ЦСП каждой ступени иерархии иллюстрируются рис.1.3 и табл.П.1.1. Эти принципы для первой и последующих ступеней узаконены МККТТ.

Скорость передачи цифрового потока первой ступени иерархии 2,048 Мбит/с. Такая скорость необходима для организации 30 типовых каналов ТЧ. Аппаратуру со скоростью передачи линейного сигнала 2,048 Мбит/с называют аппара­турой первичной ЦСП (ПЦСП). Имеется большое разнообра­зие аппаратуры ПЦСП. В СССР примером такой аппарату­ры является ИКМ-30.

Скорость передачи цифрового потока вторичной ЦСП(ВЦСП) 8,448 Мбит/с. Он может быть образован путем вре­менного объединения четырех потоков ПЦСП (2,048 Мбит/с) с помощью аппаратуры вторичного временного группообразования (ВВГ). При этом скорость передачи цифрового потока на выходе ВВГ В > 2,048×4 Мбит/с, так как в этот цифро­вой поток вводятся дополнительные импульсные последова­тельности, необходимые для согласования скоростей четырех объединяемых потоков ПЦСП, сверхцикловой синхронизации и для передачи дискретной информации (ДИ) непосредствен­но в групповом тракте ВЦСП. Цифровой поток ВЦСП 8,448 Мбит/с может быть образован и другим способом: пу­тем объединения трех цифровых потоков по 2,048 Мбит/с от аппаратуры АЦО-ВГ, преобразующей 60-канальную вто­ричную группу СП-ЧРК в цифровую форму с цифровым по­током 2,048 Мбит/с от АЦО-30.

Скорость передачи цифрового потока третичной ЦСП (ТЦСП) 34,368 Мбит/с. Он может быть образован путем вре­менного объединения четырех потоков ВЦСП (8,448 Мбит/с) с помощью аппаратуры третичного временного группообразования ТВГ. Скорость передачи цифрового потока на выходе ТВГ В > 8,448×4 Мбит/с, так как в этот цифровой поток вводятся дополнительные импульсные последовательности, не­обходимые для согласования скоростей передачи четырех объединяемых потоков ВЦСП, сверхцикловой синхронизации и для передачи дискретной информации непосредственно в групповом тракте ТЦСП. Цифровой поток ТЦСП 34,368 Мбит/с может быть образован и другим способом: пу­тем объединения трех цифровых потоков по 8,448 Мбит/с от аппаратуры АЦО-ТГ, преобразующей 300-канальную третич­ную группу СП-ЧРК в цифровую форму с цифровым потоком 8,448 Мбит/с от аппаратуры ВВГ.

Скорость передачи цифрового потока четверичной ЦСП (ЧЦСП) 139,264 Мбит/с. Он может быть образован путем вре­менного объединения четырех потоков ТЦСП (34,368 Мбит/с) с помощью аппаратуры ЧВГ. Скорость передачи цифрового потока на выходе ЧВГ В > 34,368×4 Мбит/с, так как в этот цифровой поток вводятся дополнительные импульсные последовательности, необходимые для согласования скоростей пе­редачи четырех объединяемых потоков ТЦСП и сверхцикловой синхронизации. Цифровой поток ЧЦСП 139,264 Мбит/с может быть образован и другим способом: путем объединения трех цифровых потоков по 34,368 Мбит/с от аппаратуры АЦО-ТВ, преобразующей сигнал цветного телевизионного вещания ТВ в цифровую форму с цифровым потоком 34,368 Мбит/с от ап­паратуры ТВГ.

Линейные сигналы всех ступеней ЦСП формируются соот­ветствующими ПК и ОЛТ. С ОЛТ начинается линейный тракт ЦСП. В него входят среда распространения цифрового сиг­нала (для кабельных ЦСП — физическая цепь) и промежу­точные станции (ПС). Отличительной особенностью ЦСП от аналоговых систем передачи (АСП) является использование в качестве основного элемента промежуточной станции реге­нератора. Регенератором называют устройство, с помощью которого ослабленный и искаженный линией цифровой сигнал восстанавливается (регенерируется) по форме. Возможность использования регенераторов улучшает качественные характе­ристики ЦСП.

На линиях малой протяженности ПС представляют собой необслуживаемые регенерационные пункты (НРП), питаемые дистанционно. На длинных магистралях возникает необходи­мость применять обслуживаемые регенерационные пункты (ОРП), которые используются также для питания НРП. В ка­честве ОРП используются дна ОЛТ оконечной станции, как это показано на рис. 1.1. Так как преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму происходит в основном с по­мощью ИКМ, то соответствующая аппаратура ЦСП всех сту­пеней преобразования называется ИКМ (см. табл. П. 1.1). Цифра указывает максимальное число каналов ТЧ, которое можно организовать с помощью данного варианта аппарату­ры. Например: ИКМ-120 — аппаратура ВЦСП на 120 кана­лов ТЧ, ИКМ-480 —аппаратура ТЦСП на 480 каналов ТЧ и т. д.

В СССР первоначально были разработаны малоканаль­ные ЦСП для сельских телефонных сетей (СТС). Это аппара­тура типа ИКМ-12 (в настоящее время используется модер­низированный ее вариант ИКМ-12М) и ИКМ-15. Скорость передачи этих систем В < 2,048 Мбит/с, поэтому их отнесли к самой низшей ступени иерархии и назвали субпервичными ЦСП (СЦСП). Аппаратура ПЦСП и ВЦСП используется на ГТС для организации большого пучка соединительных линий между АТС, аппаратура ВЦСП и ТЦСП — для внутризоно­вой связи ВЗС, и только многоканальные ЦСП третичной и четверичной ступеней иерархии предлагается использовать на магистральных линиях связи МС.

На рис. 1.4 показана структурная схема аппаратуры ПЦСП (ИКМ-30, ИКМ-ЗОС), использующая непосредственное коди­рование. Цифровой поток ПЦСП 2048 кбит/с можно полу­чить, применяя АЦО-15 и аппаратуру первичного временного группообразования ПВГ (рис. 1.5). Так в комплексе ЗОНА-15 строится ОС на скорость 2048 кбит/с. Здесь блок, реализующий ПВГ (называется ВГ-15×2), осуществляет синхронное объединение двух потоков со скоростями 1024 кбит/с в один поток 2048 кбит/с.

В соответствие с иерархией (см. рис. 1.3), структурная схе­ма тракта передачи аппаратуры временного группообразования ВГо на первичной и высших ступенях иерархии имеет вид, показанный на рис. 1.6.

В качестве примера рассмотрим структурные схемы двух вариантов построения ОС аппаратуры ВЦСП ИКМ-120.

В первом варианте (рис. 1.7) используются четыре блока АЦО-30, выходы которых. объединяются с помощью устройства вторичного временного группообразования ВВГ.

Рис.1.4 Рис.1.5

Таким образом, в этом варианте цифровым потоком со ско­ростью 8448 кбит/с передаются сигналы 120 каналов ТЧ.

Рис.1.6

Функциональная схе­ма АЦО-30 (рис.1.2) была поясне­на ранее. Структурные схемы ВВГ и ОЛТ приведены на рис.1.8 и рис.1.9 соответственно. Рассмотрим назначение узлов этих схем. Цифровые сигналы 30-канальных групп с четырех выходов АЦО-30 биполярным квазитроичным ко­дом подаются на четыре входа ВВГ. Каждый из этих четы­рех цифровых потоков преобразуется в двоичную форму ПКпр. и поступает в блок асинхронного сопряжения тракта передачи БАСпер. В БАСпер. осуществляется запись двоич­ного сигнала с приходящей скоростью и воспроизведение его со скоростью, которая определяется генераторным оборудо­ванием блока ВВГ, общим для всех БАС пер. четырех пото­ков. Для коррекции накапливающихся временных сдвигов между моментами записи и считывания в БАС пер. формиру­ются специальные команды о рассогласовании скоростей, ко­торые вместе с информационными сигналами вводят в цикл передачи с помощью устройства объединения УО этих сиг­налов от всех БАС пер. Сформированный УО групповой циф­ровой сигнал преобразуется в биполярный ПК пер. и через тракт передачи ОЛТ подается на вход цепи. Приемная часть ВВГ осуществляет обратное преобразование, выделяя из группового потока 8448 кбит/с четыре потока по 2048 кбит/с с помощью преобразователя кода при­емника ПК пр., устройства разъединения УР, блока асинхронного сопряжения приема БАС пр. и ПК пер.

Рис 1.7

В тракте передачи ОЛТ осуществляется подключе­ние аппаратуры к цепи с по­мощью линейного транс­форматора ЛТр для того, чтобы согласовать выходное сопротивление ОС с входным сопротивлением цепи, обеспечить симметричный выход, подать (в среднюю точку выходной обмотки) ток ДП для дистанционного питания НРП.

Рис. 1.8

В приемной части ОЛТ находятся ЛТр и оконеч­ный регенератор ОР, с помощью которого осу­ществляется восстанов­ление (регенерация) фор­мы принимаемого импульсного сигнала, искаженного и ослабленного цепью. Известно, что первичные системы передачи предоставляют потребителям не только каналы ТЧ, но и ряд других каналов: вещания — ЗВ, те­левидения — ТВ и др. Среди них все более широкое рас­пространение получают широ­кополосные каналы, построен­ные на базе стандартных групп СП-ЧРК. Это — первичный широкополосный канал (ПШК), который использует полосу частот первичной группы (ПГ) 60... 108 кГц, вторичный широкополосный канал (ВШК), который использует полосу частот вторичной группы (ВГ) 312... 552 кГц и т. д. В нас­тоящее время по ВШК работает аппаратура «Газета», с по­мощью которой из Москвы организуется печатание централь­ных газет во всех крупных городах нашей страны. Для пе­редачи таких сигналов, а также для организации высокочастотного транзита вторичных групп из АСП в ЦСП во вто­ром варианте ОС аппаратуры ИКМ-120 предусмотрено АЦО-ВГ.

На рис. 1.10 показаны два метода построения тракта пе­редачи АЦО-ВГ:

— путем непосредственного кодирования сигнала в спектре основной ВГ 312...552 кГц (рис. 1.10,а),

— путем кодировании сигнала, предварительно преобразованного из спектра 812... 552 кГц в полосу частот 12... 252 кГц (рис. 1.10,б).

Рис.1.10

Для определения скорости передачи В цифрового потока, с помощью которого можно передать ВГ, воспользуемся вы­ражением (1.4), полагая в нем N_И =1, m =10, a f_д ≥ 2f_СМ. При не­посредственном кодировании ВГ f_СМ =552 кГц. При кодиро­вании преобразованной ВГ f_СМ =252 кГц. Поэтому в первом случае (см. рис. 1.10,а) В > 11 Мбит/с, а во втором (рис. 1.10,б) — В > 5 Мбит/с. Ясно, что вариант АЦО-ВГ, в котором ко­дируется ВГ, преобразованная в полосу частот 12... 252 кГц, является предпочтительней, так как позволяет использовать для передачи ВГ только три цифровых потока со скоростями по 2048 кбит/с каждый (рис. 1.11).

Рис. 1.11

Структурная схема соответствующего варианта ОС аппаратуры ИКМ-120 показана на рис. 1.12.

Рис. 1.12

Видно, что в этом, втором, вариан­те аппаратуры ИКМ-120 по линейному тракту ВЦСП можно передать. одну ВГ с помощью АЦО-ВГ (тремя потока­ми по 2048 кбит/с каждый) и 30 каналов ТЧ с помощью АЦО-30. Объединение всех четырех потоков осуществляется в тракте передачи ВВГ, а сопряжение с физической цепью — в ОЛТ.

Аналогично строятся ОС более высоких ступеней иерар­хии.