|
| |
|
Слаботочка Книги измеряет разность фаз между колебаниями тактовой частоты местного генератора и колебаниями, полученными из входного сигнала. Сигнал с выхода фазового детектора подается на фильтр, чтобы в возможных пределах максимально уменьшить уровень принимаемых шумов, а затем по результатам измерения фазы подстраивается частота генератора, управляемого напряжением (ГУН), чтобы уменьшить разность фаз. Некоторый уровень шума и помех неизбежно остается на выходе фазового детектора и фильтра, вызывая ошибочные подстройки частоты ГУН. Однако смещения частоты создают все более увеличивающиеся со временем сдвиги фазы. Когда разность фаз нарастет, становится легче ее обнаружить и произвести соответствующие изменения в ГУН. Следовательно, в местном задающем генераторе поддерживается требуемая средняя частота, но обязательно имеются определенные фазовые дрожания, хотя генератор непрерывно отслеживает тактовую частоту передатчика. При больших отношениях сигнал-шум фазовые сдвиги малы и вредных результатов не возникает. По мере увеличения относительного уровня шума фазовые дрожания увеличиваются, а не совсем оптимальные моменты решений увеличивают коэффициент ошибок. При очень низких отношениях сигнал-шум цепь с фазовой автоподстройкой может вообще потерять синхронизм. Потеря синхронизма по тактовой частоте даже на несколько периодов может привести к достаточно серьезным последствиям: не только появятся ошибки, но может также возникнуть искажение числа принятых двоичных символов, при котором нарушается цикловый синхронизм на всех уровнях. При проскальзывании восстановленной тактовой частоты по отношению к тактовой частоте в линии линия передачи, по существу, разрывается до тех пор, пока не будет обнаружена потеря синхронизма и синхронизм не будет восстановлен на всех уровнях. Обычно перед тем, как в цепях восстановления колебаний тактовой частоты происходит потеря синхронизма, в линии передачи возникает недопустимая частость ошибок. При расчете линий цифровой передачи важным соображением является накопление фазовых дрожаний в последовательно включенных цепях восстановления колебаний тактовой частоты. Если восстановленные колебания тактовой частоты используются для хронирования передачи исходящего цифрового сигнала, как в регенераторе, то фазовые дрожания принятого сигнала воздействуют на колебания тактовой частоты исходящего сигнала. Цепь восстановления колебаний тактовой частоты в следующем приемнике отслеживает принятые колебания тактовой частоты, но вносит также добавочные фазовые дрожания из-за шума и помех на втором участке. Таким образом, с каждым регенератором, использующим колебания тактовой частоты, которые получены из принятого линейного сигнала, для управления передачей, фазовые дрожания накапливаются. Если число регенераторов велико, то фазовые дрожания могут накопиться до такого уровня, что в последующих цепях восстановления колебаний тактовой частоты будет трудно отслеживать 346 принятое хронирующее колебание, возникнут ошибки определения моментов решения и, возможно, система выйдет из режима захвата. Изменения длины тракта. Изменения длины тракта происходят в результате температурного расширения или сжатия среды передачи или в результате изгиба радиотракта в атмосфере. При удлинении тракта эффективная скорость передачи на входе приемника уменьшается, поскольку все больше и больше битов накапливается в среде передачи. Аналогично, при укорочении тракта скорость передачи на входе приемника увеличивается, поскольку число битов, накопленных в линии передачи, уменьшается. После того как длина тракта стабилизируется, восстанавливается номинальная скорость передачи цифрового сигнала. Наиболее значительны изменения длины тракта при связи через спутники. Для современных спутников на геостационарной орбите изменения длины тракта составляют примерно 300 км, что соответствует изменениям времени прохождения примерно на 1 мс [I]. Пример 7.1. Определите изменение длины тракта, изменение числа битов в тракте и относителыюе изменение скорости передачи цифрового сигнала на приеме в линии передачи типа Т2 длиной 800 км на медных парах кабеля сортамента 22. Предполагается, что температура изменяется на 20° С за 1 ч. Решение. Коэффициент температурного расширения для меди и скорость распространения по парам кабеля сортамента 22, которые можно найти в [2], составляют соответственно 16,5- 10 /° С и 47 300 км/с . Таким образом, изменение длины тракта 20=0,264 км. Ad=800- 164- 10 Изменение числа битов в тракте ДВ=6,312- 10 *- 0,264/47 300=35,4 бита. Предполагая, что температура изменяется с постоянной скоростью, определим изменение скорости передачи цифрового сигнала: AR=35,4/3600=9,8- 10 бит/с. Отсюда относительное изменение скорости передачи цифрового сигнала в точке приема (нестабильность) ДК/К=9,8- 10-6,312- 10=1.56- 10 Хотя нестабильность тактовой частоты на приеме, полученная в примере 7.1, выражается очень маленьким числом, она сопоставима со значением точности тактовой частоты, полученной для цифровой сети фирмы Bell System и равной 1,7- 10* [3]. Важно, однако, отметить, что нестабильность вследствие изменения длины тракта является всего лишь преходящим явлением, в то время как неточности тактовой частоты определяют максимальное смещение между установившимися значениями частот задающих генераторов. Изменения скорости распространения. Изменения температуры вызывают не только удлинение и укорочение среды передачи проводных линий. Они могут также изменить те константы среды распространения, которые определяют скорость распространения. Эти значения параметров получены для обычных пар кабеля сортамента 22 и не обязательно относятся к кабелям с низкой емкостью, используемым для систем типа Т2. Однако результирующее изменение стабильности тактовой частоть на приемной стороне много меньше того, которое создается изменением длины тракта [4]. Скорость распространения радиоволн в атмосфере также меняется с температурой и влажностью. Хотя эти изменения скорости имеют и большее значение, чем изменение скорости распространения в проводных линиях, они все равно меньше изменений, вызванных изменением длины тракта и определенных в примере 7.1 [5]. Отметим, что изменение скорости распространения, в сущности, эквивалентно изменению длины тракта, поскольку меняется число битов, накопленных в тракте передачи. Доплеровские сдвиги. Наиболее значительным источником потенциальной нестабильности тактовой частоты на приеме являются доплеровские сдвиги, возникающие при движении самолетов или спутников. Например, доплеровский сдвиг при движении самолета со скоростью 500 км/ч эквивалентен нестабильности тактовой частоты, равной 5- 10 И снова оказывается, что доплеровские сдвиги, по существу, являются результатом изменения длины тракта. Нерегулярное поступление хронирующей информации. Как уже рассматривалось в гл. 4, фундаментальное требование к коду в цифровой линии состоит в том, чтобы он обеспечивал получение достаточной хронирующей информации для установления и поддержания колебаний тактовой частоты в приемнике на конце линии. Если уровень хронирующей информации зависит от цифрового сигнала, то фазовые дрожания в восстановленных колебаниях тактовой частоты увеличиваются в течение периодов времени с относительно низкими плотностями импульсов, от которых зависит хронирование. Амплитуда фазовых дрожаний зависит не только от, плотности импульсов, но также и от структуры цифрового сигнала (в смысле содержания хронирующей информации). В идеальном регенераторе имеет значение только плотность импульсов. На практике, однако, различного рода ухудшения приводят к фазовым дрожаниям, зависящим от структуры сигнала [6]. Как показано далее в этой главе, в аппаратуре цифрового группообразования более высоких порядков в агрегатный цифровой поток для различных целей вводятся добавочные биты. При разделении агрегатного цифрового потока на компонентные скорость поступления цифрового сигнала в компонентных каналах получается нерегулярной. Эти нерегулярности создают фазовые дрожания в процессе получения новых колебаний тактовой частоты для компонентных сигналов. Этот источник возникновения фазовых дрожаний (фазовые дрожания времени ожидания) часто доставляет наибольшие неприятности. Далее он рассматривается детальнее. 7,1.2. Устройства эластичной памяти Нестабильности хронирующих колебаний, описанные в предыдущих параграфах, по существу, представляют собой изменения числа битов, накопленных в линии передачи. В случае . фазовых 348 дрожаний, обусловленных шумом и помехами, изменение числа накопленных битов происходит вследствие того, что моменты решения наступают чуть раньше или чуть позже номинального положения. Поскольку цифровой сигнал, исходящий из регенератора, передается синхронно с восстановленными колебаниями тактовой частоты, сдвиг фазы колебаний тактовой частоты означает, что задержка в регенераторе отличается от задержки при отсутствии расхождений в хронировании. Если сдвиги фазы в последовательных регенераторах совпадают, в длинной линии передачи с регенераторами накапливается суммарное изменение на несколько битов. Посколысу эти добавочные биты вводятся или удаляются из линии за относительно короткие периоды времени, накопленные фазовые дрожания могут вызвать относительно большую, хотя и кратковременную нестабильность тактовой частоты на приемной стороне. Поскольку принятые колебания тактовой частоты, определяющие моменты решений, используются в регенераторах также и для формирования передаваемого сигнала, установившихся различий в хронировании между входными и выходными сигналами не существует. В точках окончания линии передачи, однако, возможны взаимодействия с местными задающими генераторами. В этом случае различие между принятыми колебаниями и относительно стабильными колебаниями, полученными от местного генератора, должно быть сглажено с помощью эластичной памяти. Устройство эластичной памяти представляет собой буферное устройство для цифрового сигнала, в котором запись производится с одной тактовой частотой, а считывание - с другой. Если в каждом из колебаний тактовой частоты содержится кратковременная нестабильность, отличия в числе переданных и принятых битов поглощаются в эластичной памяти. С помощью эластичной памяти можно скомпенсировать только кратковременные нестабильности, при которых отличие в числах переданных и принятых битов ограничено. Если между тактовыми частотами существует постоянный сдвиг, как в несинхро-низированных задающих генераторах высокой точности, то эластичная память в конце концов опустошится или переполнится. Стык между линией с временным группообразованием и коммутационной системой. Обычно необходимость в эластичной памяти возникает тогда, когда линии цифровой передачи стыкуются с цифровыми коммутационными станциями с временным разделением. Как показано на рис. 7.2, устройства эластичной памяти размещаются между входящей линией цифровой передачи и цепями ввода в коммутационную станцию. В большинстве случаев цифровая коммутационная станция обеспечивает хронирование для всех исходящих линий с временным группообразованием, так что между этими линиями и коммутационной станцией расхождения в смысле хронирования отсутствуют. Предположим, что аппаратура на дальнем конце цифровой линии получает колебания тактовой частоты из принимаемого сигнала и использует эти колебания для хронирования цифрового сигнала, возвращающегося к коммутационной станции. Восстановление колебаний тактовой частоты  Тактовая частота, считывания  Эластичная память ]Тактовая частота записи Восстановление колебаний тактовой частоты Рис. 7.2. Стык между линией передачи с временным группообразованием и цифровой коммутационной станцией, включающий устройство эластичной памяти: ПРМ - приемник, ПРД - передатчик Это и есть ситуация, возникающая, когда удаленный каналообра-зующий блок соединяется с цифровой коммутационной станцией через линию типа Т1 (ситуацию обычно называют заворотом по тактовой частоте в каналообразующем блоке). При использовании заворота по тактовой частоте тактовая частота входящей линии синхронизирована по номинальному значению с тактовой частотой коммутационной станции. Однако по причинам, рассмотренным ранее, в тактовой частоте входящей линии обязательно имеется определенная нестабильность. В устройстве эластичной памяти эта нестабильность поглощается, так что на коммутационную станцию поступает чисто синхронный цифровой сигнал. По существу, в шлейфе, образованном линией передачи и устройством эластичной памяти, между входом и выходом коммутационной станции поддерживается постоянное и целое число тактовых интервалов. Таким образом, с точки зрения хронирования входы и выходы работают так, как будто они непосредственно соединены друг с другом при использовании общего источника хронирования. Удаление накопленных фазовых дрожаний. Еще одно применение эластичной памяти, где она используется в регенераторе для удаления фазовых дрожаний, обусловленных линией передачи, иллюстрирует рис. 7.3. В обычных условиях хронирование передаваемого сигнала в регенераторах основывается непосредственно на использовании колебаний тактовой частоты, полученных в регенераторе и служащих для определения моментов решения. На рис. 7.3, однако, передаваемый сигнал хронируется от отдельного местного генератора. В устройстве эластичной памяти поглощается кратковременная нестабильность тактовой частоты приема, а условие поддержания некоторого среднего уровня накопления в эластичной памяти определяет значение частоты задающего генератора для передаваемого сигнала за длительный пери- Восстановление колебаний тактовой частоты Уровень накопления Фильтр Запись Считывание Эластичная память Рис. 7.3. Регенератор, устраняющий фазовые дрожания ОД времени. В соответствии с этим, задающий генератор передаваемого сигнала синхронизируется тактовой частотой линии на долгосрочной, а не на кратковременной основе. Если объем эластичной памяти достаточно велик для того, чтобы поглотить все происходящие изменения скорости передачи цифрового сигнала, то быстрые нестабильности тактовой частоты выходного сигнала не зависят от тактовой частоты входного сигнала. Во всех регенераторах, независимо от механизма, используемого для восстановления хронирующего колебания, тактовая частота выходного сигнала получается путем усреднения хронирующей информации из входного сигнала за какой-то период времени. Резонансные контуры усредняют тактовую частоту входного сигнала за относительно небольшое число тактовых интервалов сигнала, а цепи с фазовой автоподстройкой - за большое число интервалов. Во всех случаях предполагается определенная величина накопления или задержки. Устройство эластичной памяти просто является механизмом увеличения имеющейся задержки таким образом, чтобы подстройки хронирующего колебания выходного сигнала могли быть выполнены более плавно. Как показано далее, с помощью эластичной памяти нельзя удалить фазовые дрожания со сколь угодно низкой частотой, но фазовые дрожания с низкой частотой не представляют проблемы, если колебания тактовой частоты выходного сигнала получаются из колебаний тактовой частоты входного сигнала. Варианты реализации эластичной памяти. Требуемый объем эластичной памяти меняется от нескольких битов до нескольких сотен битов для высокоскоростных линий магистральной связи. На рис. 7.4 представлен один из способов реализации устройства эластичной памяти малого объема, в котором используется преобразователь последовательного сигнала в параллельный, регистр и преобразователь параллельного сигнала в последовательный. Как показано на рисунке, входной цифровой сигнал поступает в регистр по мере того, как каждая комбинация образуется на выходе преобразователя последовательного сигнала в параллельный. Некоторое время спустя цифровой сигнал из регистра переносится в преобразователь параллельного сигнала в последовательный, причем извлекается полная комбинация. Заметим, что перенос в преобразователь параллельного сигнала в последовательный не зависит от колебаний тактовой частоты входного сигнала. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 [58] 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 |