О. М. Денисьева, Д. Г. Мирошников

ПРЕДИСЛОВИЕ

Термин "последняя миля" появился в отечественной технической литературе сравнительно недавно. Им обозначают участок сети связи от телефонной (коммутационной) станции до абонентских оконечных устройств. Другое обозначение того же понятия - сеть абонентского доступа. Оба определения берут свое начало от английских выражений ("Last Mile" и "Access Network"). Интерес к участку "последней мили" резко возрос в развитых странах в конце 80-х - начале 90-х годов, когда, с одной стороны, стало ясно, что одни лишь услуги аналоговой телефонии перестали удовлетворять пользователей, а, с другой стороны, прошла модерниза­ция и цифровизация магистральных сетей и коммутационных станций, позволившая удовлетворить потребность в новых услугах. "Последняя миля" стала в тот момент "горлышком бутыл­ки", сдерживавшим стремительное развитие услуг связи.

Однако уже в начале 90-х годов появились технологии, позволившие снять напряжен­ность на участке доступа. Прежде всего, это гамма решений xDSL, давших новую жизнь мед­ным абонентским линиям. Одновременно с модернизацией медных линий полным ходом шло развитие сетей абонентского доступа, основанных на использовании оптических кабелей и радиоканалов. К концу 90-х годов, то есть в наше время, наблюдается следующий виток спи­рали развития - во многих странах сети абонентского доступа развиты настолько, что легко могут обеспечить абоненту подключение на скоростях 2 Мбит/с и выше. Однако оказывается, что магистральные сети сегодня уже не справляются с такими объемами данных. Так что оче­редь снова стоит за модернизацией магистралей, теперь уже на основе АТМ (Asynchronous Transmission Mode) и других широкополосных технологий.

В книге авторы постарались дать читателю общее представление о технологиях або­нентского доступа с практических позиций. Теоретические данные приведены в небольшом объеме и носят справочный характер для специалистов в области разработки оборудования сетей доступа. Большая же часть материала рассчитана на практиков - операторов связи -^[ подготовлена на основе практической информации. В каждой главе дано общее описание ис­пользуемых технологий, сфера применения, рекомендации по выбору и анализу оборудова­ния, реализующего данные технологии, и приведены примеры конкретных реализации аппа­ратуры.

Рынок средств связи для "последней мили" в настоящее время стремительно развива­ется. В России, например, прирост монтированной емкости местных телефонных станций в 1996 году превысил 2 млн. номеров, что значительно превышает аналогичные приросты про­шлых лет. Это обусловливает необходимость резкого расширения абонентской распредели­тельной сети, что может явиться непростой задачей для традиционного кабельного решения, особенно если новая АТС устанавливается в районе, где кабельная канализация перегружена или отсутствует.

Стремительное развитие российского рынка средств связи является следствием рест­руктуризации отрасли, появлением значительного числа инвесторов и собственников средств связи. Одновременное развитие рыночных отношений в других сферах экономики привело к бурному росту числа предприятий различных форм собственности, а значит и росту числа новых абонентов (пользователей), преимущественно делового сектора. Такие абоненты, как правило, нуждаются не только в телефонной связи, но и в подключении к электронной почте, получении видеоконференцсвязи, услуг интеллектуальной сети и ISDN, доступе к сети Internet и всевозможным базам данных.

Все это требует развития сетей абонентского доступа. Простое увеличение числа мед­ных кабелей далеко не всегда целесообразно по экономическим показателям. Современная индустрия средств связи для "последней мили" предлагает несколько альтернативных реше­ний, которые рассматриваются в книге. Каждому из решений посвящена отдельная глава. Ав­торы не утверждают, что в каждом разделе дано исчерпывающее описание методов реализа­ции той или иной технологии сети доступа. Однако приведенный материал, без сомнения, будет полезен при практическом выборе решения.

В книге не рассматриваются вопросы строительства кабельных линий и смежные во­просы. Упоминание того или иного типа кабеля призвано прежде всего дать представление о среде передачи, используемой оборудованием доступа.

В книге даны некоторые основополагающие сведения по терминологии и методам по­строения цифровых систем передачи, упомянуты средства, применявшиеся на участке "по­следней мили" в прошлом. Достаточно подробно описаны основные алгоритмы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, общепринятые для оборудования доступа.

Наиболее простым и экономичным способом увеличения емкости распределительной сети, предназначенной для предоставления услуг аналоговой телефонии, является примене- ние цифровых систем передачи для абонентских линий (ЦСПАЛ). Это оборудование часто на- зывают также аппаратурой уплотнения абонентских линий. Аппаратура ЦСПАЛ нашла широкое применение на сетях связи России и, поэтому, описана достаточно подробно.

Ключевое значение в революции на абонентских линиях имело появление технологий xDSL и особенно HDSL, различным аспектам и приложениям которых уделено достаточное внимание.

Коротко рассмотрены специализированные средства доступа к сетям интегрального об- служивания (ISDN), Вместе с тем, возможности предоставления услуг ISDN приводятся по хо- ду изложения во всех главах книги.

В тех случаях, когда прокладка кабельных линий нецелесообразна, а также для мобиль- ного развертывания сети доступа, эффективным может оказаться беспроводное подключение абонентов (Wireless Local Loop). Рассмотрены радиосистемы для такого решения проблемы "последней мили". Необходимо отметить, что за рамками изложения остались всевозможные радиотелефонные системы домашнего и офисного типов, системы связи с подвижными объ- ектами, системы пейджинговой связи (радиовызова), а также оборудование радиорелейных линий, в том числе используемое на абонентском участке. Авторы не стремились охватить все виды радиооборудования, применяемые в сетях доступа, акцент был сделан на специали­зированные решения, предназначенные для обеспечения подключения абонентов к местным телефонным сетям.

Достаточно подробно описана концепция построения гибких сетей абонентского досту­па и специализированное оборудование (мультиплексоры и концентраторы) для их построе­ния. Оборудование доступа типа DLC (Digital Loop Carrier) позволяет довести до пользовате­лей высокоскоростные потоки как по электрическому, так и по волоконно-оптическому кабе­лям, радиорелейным линиям и линиям спутниковой связи. В книге описаны принципы по­строения оборудования DLC и приведены примеры построения сетей с использованием этого оборудования.

В книге авторы стремились показать, в каких условиях на "последней миле" целесооб­разно использовать те или иные технические средства.

Книга предназначена для широкого круга читателей. Авторы надеются, что приведенные материалы будут интересны операторам связи, специалистам, занимающимся разработкой и производством цифровых систем передачи, а также облегчат потенциальному потребителю решение задачи выбора вида оборудования.

Авторы

1. ПРОБЛЕМА "ПОСЛЕДНЕЙ МИЛИ'

1.1. Традиционные решения организации абонентского подключения к сети

Телефонная сеть является самой протяженной, разветвленной и доступной сетью электросвя­зи. Основная часть информации (около 80%) у нас в стране до сих пор передается по теле­фонным сетям. Монтированная емкость отечественной телефонной сети общего пользования (ТфОП) превышает 27 млн. номеров (планируется до 40-45 млн.), всего в мире насчитывается свыше 800 млн. телефонных аппаратов.

Телефонная сеть состоит из телефонных станций (ТС), к которым подключаются або­нентские оконечные устройства (ОУ), телефонных узлов (ТУ), через которые осуществляются межстанционные соединения, и линий связи. Следует отметить, что оконечные устройства. как правило, подключаются к телефонным станциям, но не к телефонным узлам. Линии, через которые оконечные устройства присоединяются к телефонной станции, называются абонент­скими (АЛ), а линии, соединяющие телефонные станции и узлы между собой - соединитель­ными (СЛ) (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Примеры построения телефонной сети

Понятие "последняя миля" ("Last Mile") относится к небольшому участку телефонной се­ти (рис. 1.2) - только к абонентской линии, которая как бы закреплена за определенным або­нентом (пользователем), проблема "последней мили" заключается в выборе способа органи­зации абонентского подключения (доступа) к сети и выборе соответствующего оборудования.

Рис. 1.2. Примеры построения городских (а) и сельских (б) телефонных сетей

ОС - оконечная станция. УС - узловая станция. ЦС - центральная станция, УВС - узел входящих сообщений, УИС - узел исходящих сообщений

Телефонная сеть общего пользования - это сеть, предназначенная для предоставления телефонной связи всем пользователям, т.е. физическим и юридическим лицам [1]. Далее для обозначения физического или юридического лица, пользующегося телефонной связью, ис­пользуется термин "абонент", как довольно устоявшийся за долгую историю телефонии [2, З].

Раньше оконечным устройством телефонной сети был телефонный аппарат, а компью­тер выполнял только вычислительные функции. Затем длительное время процесс развития шел по пути использования телефонных сетей общего пользования для передачи сигналов от ЭВМ. Когда обмен информацией от ЭВМ достиг сравнительно значительной величины, стало целесообразным создание телекоммуникационных сетей, представляющих собой совокуп­ность средств электросвязи для доставки информации удаленным абонентам (пользователям) и средств хранения и обработки подлежащей передаче информации. Указанная совокупность включает также программные средства, обеспечивающие пользователям предоставление ус­луг одного или нескольких видов: обмен речевыми сообщениями (в том числе и традиционная телефонная связь), данными, файлами, факсимильными сообщениями, видеосигналами, дос­туп к всевозможным базам данных и т.д.

Следует заметить, что телекоммуникационная сеть, построенная на определенных еди­ных цифровых принципах коммутации и передачи информации, получила название цифровой сети интегрального обслуживания - ISDN (Integrated Services Digital Network).

В настоящее время телефонная сеть успешно используется как основа для развития и создания всевозможных телекоммуникационных сетей, систем и служб. На рис. 1.3 показан пример построения телекоммуникационной сети, объединяющей, в основном, пользователей компьютеров (ПК) на основе обмена информацией между ними и узлом. Эта сеть включает в себя телекоммуникационный узел (ТКУ), где находится центральный компьютер, соединенный с абонентами линиями телефонной сети через модемы - устройства, преобразующие дис­кретные сигналы от компьютера в аналоговые для передачи через сеть [4]. ТКУ обеспечивает абонентам данной сети доступ к всевозможным базам данных. Следует отметить, что модемы для организации обмена информацией через телефонную сеть должны выбираться со стан­дартными протоколами ITU-T (International Telecommunications Union - Telecommunications Standardization Sector, Международный союз электросвязи, сектор стандартизации электро­связи), обеспечивающими довольно высокую скорость передачи, даже если реальная ско­рость, которая определяется качеством каналов и линий связи, значительно ниже [5].

Такую же структуру имеет подключение абонентов к ТКУ через выделенные телефонные сети, например, сеть "Искра-2" (выделенной называется сеть, не имеющая выход на сеть связи общего пользования, в действительности такие сети, как правило, выход имеют). Сеть "Искра-2" (ее полное название - Цифровая сеть делового обслуживания) является высокока­чественной телефонной сетью, выделенной по обслуживанию и предоставляющей, кроме услуг телефонной сети. услуги электронной почты и факс-почты. Сеть "Искра-2" предоставляет услуги телекоммуникационной сети более, чем в 615 городах России и других странах СНГ.

Рис. 1.3. Пример построения телекоммуникационной сети

Привлекательным с точки зрения расширения возможностей телекоммуникационной се­ти является подключение ТКУ к сети коммутации пакетов через центр коммутации пакетов или концентратор со сборщиком-разборщиком пакетов (на рис. 1.3 не показано).

Часто целесообразным является подключение (организация шлюза) к телеграфной сети типа АТ/Телекс (сеть AT - Абонентский телеграф). Следует отметить, что в настоящее время сложилась довольно парадоксальная ситуация: с ростом потребностей на современные услу­ги документальной электросвязи с 1992 года наблюдается устойчивое снижение спроса на услуги телеграфной сети [б]. Это объясняется серьезной конкуренцией со стороны интенсив­но развивающихся сетей, предоставляющих услуги телематических служб: факсимильная связь, электронная почта, доступ к информационным ресурсам, служба передачи голосовых сообщений (голосовая почта).

Под телематическими службами обычно понимаются службы, создаваемые на основе уже существующей сети (например, телефонной) с целью обмена информацией через эти сети [7]. Наибольшее распространение получили: телетекс - передача деловой корреспон­денции. позволяющая сохранить содержание и форму текста; видеотекс - передача текста и цветных графических изображений на экран телевизора по телефонной сети; телефакс (бюрофакс) - передача факсимильных сообщений, при этом Бюрофакс предлагает услуги пере­дачи сообщений потребителям, не имеющим собственных соответствующих технических средств.

Однако, состояние российской телефонной сети не вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ней как к транспортной среде телекоммуникационной системы. Половина АТС на ТфОП уже отработали свои амортизационные сроки и требуют обновления. Телефон­ная сеть в общем-то не предназначена для передачи дискретных сообщений. Такие характе­ристики сети, как неравномерность амплитудно-частотной характеристики затухания и груп­пового времени запаздывания, кратковременные перерывы связи, импульсные помехи, дро­жание фазы, существенно влияют на верность передачи дискретных сообщений. Коэффици­ент ошибок при трансляции сообщений через АТС электромеханических систем в отдельных случаях может достичь сотых долей, что часто является недопустимым [7].

Резкое снижение скорости передачи может быть вызвано применением на городской телефонной сети (ГТС) аналоговых систем передачи (уплотнения), например, типа КРР и КА­МА [10].

1.2. Способы построения сетей абонентского доступа

Развитие телекоммуникационных сетей и служб связано с переоборудованием АТС, за­меной аналоговых систем передачи на цифровые. Трудности переоснащения сетей связаны в настоящее время с тем, что государственная телефонная сеть общего пользования как еди­ное целое прекратила свое существование. Местные телефонные сети перешли в ведение самостоятельных предприятий связи, что замедляет инвестирование средств в информаци­онную инфраструктуру.

По планам развития ТфОП в ближайшее время предполагается ввод в эксплуатацию значительной номерной емкости за счет установки новых электронных (цифровых) коммута­ционных станций и замены устаревших АТС декадно-шаговой и координатной систем. На те­лефонных сетях при этом сохраняется также аналоговое коммутационное и каналообразующее оборудование. Поэтому новые технические средства, применяемые на так называемой "последней миле", должны быть пригодны для работы как с аналоговым, так и с цифровым оборудованием. Именно этот факт характеризует специфику российских телефонных сетей, так как в большинстве западных стран вся сеть связи оснащена цифровой техникой.

В мировой практике сфера информационного бизнеса является весьма привлекатель­ной с точки зрения вложения капитала, так как дает возможность инвесторам получать гаран­тированные доходы в течении примерно 15 лет после возврата первоначально вложенного капитала. Средний срок эксплуатации оборудования связи, как правило, значительно превос­ходит этот срок. В наших условиях срок окупаемости оборудования больше при меньшей норме прибыли (около 11% к вложенному капиталу) [8].

Значительную часть общих затрат на сооружение ГТС составляют затраты на абонент- • скую распределительную сеть (до 30%) [З]. Наиболее распространены следующие способы, позволяющие повысить эффективность использования АЛ. а также получить абонентам до­полнительный доступ к телефонной и другим сетям (через ресурсы ТфОП):

1. спаренное включение телефонных аппаратов;

2. применение всевозможного каналообразующего оборудования (систем уплотнения и мультиплексоров);

3. организация выноса станционного оборудования в места концентрации абонентов (под­станции и концентраторы);

4. бесшнуровое подключение (радио доступ).

При спаренном включении двух близко расположенных телефонных аппаратов (ТА), ка­ждому из которых присвоен свой абонентский номер, оба подключаются к одной АЛ. На рис. 1.4 показано такое подключение к АТС через комплекты спаренных аппаратов (КСА), при этом в корпусах спаренных ТА вмонтированы разделительные диодные цепи, позволяющие переключать ТА при поступлении соответствующего вызова. При разговоре по одному ТА,

второй отключается от общей линии запертыми диодами. Как показывают расчеты, примене­ние спаренного включения оказывается выгодным по затратам, начиная с расстояния 0,3-0.5 км от АТС [2]. Данный способ снижает расход кабеля, но является крайне неудобным и нежелательным для абонентов.

Рис, 1.4. Спаренное включение ТА

Применение систем уплотнения (системы передачи) на всех участках сети позволяет увеличить дальность передачи и число каналов в линии связи. При этом под каналом обычно понимают совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающую пе­редачу сигналов в определенной полосе частот (при аналоговой передаче) или с определен­ной скоростью (при цифровой передаче) [9].

В общем виде системы уплотнения имеют общую структурную схему, приведенную на.рис. 1.5. Сигналы от N источников информации (абонентов) поступают на входы N каналов оборудования системы уплотнения. В каждом канале с помощью соответствующего модуля­тора М происходит преобразование исходного сигнала в канальный и на выходе сумматора уже действует групповой сигнал S(t). Необходимость преобразования исходных сигналов в канальные обусловлена тем, что совокупность исходных каналов не обладает свойством раз­делимости.

Рис. 1.5. Структурная схема системы уплотнения

Передающая часть оборудования преобразует групповой сигнал в линейный, который поступает в линию связи. Это преобразование обусловлено большим разнообразием линий связи на сети: воздушные, кабельные, радиорелейные, спутниковые, волоконно-оптические и др. При формировании линейного сигнала из группового должны учитываться рабочий диапа­зон передаваемых частот, уровни передаваемых и принимаемых сигналов, а также помех в линии.

Приемная часть восстанавливает форму передаваемых сигналов и преобразует линей­ный сигнал в групповой. С выхода линейного тракта сигнал S(t) поступает на вход совокупно­сти разделителей канальных сигналов (Р), затем с помощью демодуляторов (ДМ) канальные сигналы преобразуются в исходные.

При передаче по линиям происходит искажение формы сигнала и наложение помех. Уменьшить влияние этого фактора позволяют усилительные или регенерационные пункты на линии, восстанавливающие форму сигналов и обеспечивающие их помехозащищенность.

Система абонентского высокочастотного уплотнения (АВУ) позволяет получить на одной АЛ, кроме немодулированного исходного сигнала с частотами 0,3-3,4 кГц (эффективный спектр речи), еще один дополнительный высокочастотный канал. Этот канал получается с по­мощью модуляторов и несущих частот однократным преобразованием исходного сигнала. Для передачи по высокочастотному каналу от ТА к АТС используется частота 28 кГц, а от АТС к ТА - частота 64 кГц. С помощью этих несущих формируются сигналы, спектры которых занимают взаимно непересекающиеся диапазоны частот (рис. 1.6). В линию передаются несущая часто­та и две боковые частоты, получившиеся при преобразовании исходного сигнала. Такой спо­соб передачи является нерациональным, так как ширина спектра передаваемого по линии сигнала более чем в 2 раза больше, чем ширина спектра исходного сигнала. Обе боковые полосы несут одинаковую информацию об исходном сигнале, а несущая не содержит полез­ной информации, при этом ее мощность значительно (примерно в 100 раз) превосходит мощ­ность боковых полос. При таком способе большая часть мощности линейного сигнала расхо­дуется бесполезно, однако, построение системы максимально упрощается и удешевляется.

Рис. 1.6. Спектр передаваемых АВУ сигналов

Система АВУ состоит из двух фильтров для выделения частот низкочастотного канала (Д-3,5), двух фильтров для выделения частот высокочастотного канала (К-20) и двух блоков высокочастотных преобразователей: станционного - ВЧС и линейного - ВЧЛ (рис. 1.7). Сис­тема АВУ имеет невысокую надежность и низкое качество связи (особенно высокочастотный канал), что обуславливает необходимость ее замены на цифровые системы.

Рис. 1.7. Схема построения АВУ

В настоящее время все шире внедряются цифровые системы уплотнения (передачи) АЛ, для которых характерны следующие преимущества: высокая помехозащищенность; стабиль­ность параметров каналов; эффективность использования пропускной способности каналов при передаче дискретных сигналов; слабая зависимость качества передачи от длины линии связи; возможность построения цифровой сети связи; высокие технико-экономические пока­затели.

Структурная схема цифровой системы передачи (ЦСП) приведена на рис. 1.8. Функцио­нирование этих систем передачи связано с разбиением времени передачи на циклы длитель­ностью Т, при этом частота следования (частота дискретизации) будет f = 1/Т. Каждый цикл N-канальной системы передачи разбивается на N канальных интервалов (КИ) длительностью t=T/N. При этом в течение каждого канального интервала передается информация соответст­вующего канала, которая содержит информацию о мгновенных значениях отсчетов в исход­ном сигнале. Отсчеты производятся с частотой дискретизации f. Временное расположение канальных сигналов в групповом сигнале (рис. 1.9) определяется распределителем канальных импульсов (РИК).

Рис. 1.8. Структурная схема ЦСП

Рис. 1.9. Упрощенная схема циклов

С помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) каждому импульсу группового сигнала будет соответствовать кодовая комбинация и на выходе АЦП сформируется группо­вой сигнал импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). На приемном конце под воздействием им­пульсов РИК приема замкнется соответствующий канальный ключ (КЛ), в результате чего бу­дет выделен канальный сигнал.

Обычно Т=125 мкс (f=8 кГц), число элементов в кодовой комбинации m=8. структура циклов для одной из самых распространных цифровых систем ИКМ-30 показана на рис. 10. Выбор частоты дискретизации 8 кГц обоснован теоремой В.А. Котельникова. в соответствии с которой исходный сигнал, представленный с помощью дискретных отсчетов, может быть восстановлен, если значение частоты Т не менее удвоенной максимальной частоты спектра ис­ходного сигнала.

Рис. 1.10. Структура циклов ИКМ-30

Для передачи речевых сигналов считается достаточным передавать спектр 300-3400 кГц. На рис. 1.11, который взят из [10], показана область частот, где сосредоточена ос­новная энергия звуков речи (Р) на русском и английском языках. Из рисунка видно, что за максимальную частоту речевых сигналов можно принять частоту, равную 4 кГц. Этим и объяс­няется выбор частоты отсчетов (дискретизации) 1=8 кГц.

Рис. 1.11. Энергетический спектр речевого сигнала

Довольно подробно построение цифровых систем передачи (ЦСП) рассмотрено в [10], где приведены принципы построения и основные характеристики различных ЦСП.

Применение мультиплексоров MUX (рис. 1.12) позволяет строить гибкие распредели­тельные телефонные сети различной топологии и объединять потоки информации разного вида (телефонные сигналы и передачу данных, текста и видеоизображений).

Рис. 1.12. Пример построения сети с использованием мультиплексоров

Современные мультиплексоры разделения времени, предназначенные для использования в телефонных сетях, являются каналообразующим оборудованием, их основное отличие от традиционных систем уплотнения с импульсно-кодовой модуляцией состоит в том, что:

1. мультиплексоры позволяют, кроме традиционной передачи телефонных сигналов, пере­давать данные с разной скоростью, для этого мультиплексоры снабжены портами (точ­ками подключения), поддерживающими разные скорости;

2. мультиплексоры, обладающие свойством "drop & insert" (add/drop), позволяют выделять часть каналов из общего линейного потока, а также объединять каналы в общий линей­ный поток, это дает возможность строить сети сложной топологии.

Широко применяются мультиплексоры для децентрализации оборудования АТС путем выноса его части в места концентрации абонентов (городской микрорайон, многоэтажный и многоквартирный дом, офис крупной фирмы и т.д.).

При внедрении электронных цифровых АТС построение сети с помощью цифровых вы­носных подстанций ПС. иногда называемых концентраторами, является весьма эффективным уже при расстоянии 500-700 метров до оконечных абонентских устройств [2]. Основное отли­чие цифровых подстанций от мультиплексоров разделения времени заключается в возможно­сти замыкания внутренней нагрузки через коммутационные поля (КП) подстанций. Для управ­ления этими коммутационными полями предусматриваются управляющие устройства (УУ). более сложные, чем у мультиплексоров. Это приводит к более высокой стоимости подстанций по сравнению с мультиплексорами.

Цифровые подстанции (концентраторы) как и мультиплексоры осуществляют аналого-цифровое преобразование сигналов.' концентрацию нагрузки и коммутацию абонентских ли­ний. при этом концентратор может представлять собой управляемую с основной (опорной) АТС подстанцию. Таким образом, вместо абонентских линии, имеющих сравнительно небольшое использование, от подстанции до опорной АТС идет пучок уплотненных соединительных линий (рис. 1.13). Потребность в магистральных кабелях для абонентской сети при этом рез­ко уменьшается. Цифровой поток доходит до подстанции, затухание соединительного цифро­вого тракта будет равно 0 дБ. Тогда затухание, отведенное по нормам на абонентскую линию и равное 4,5 дБ, теперь будет считаться от подстанции, допустимая длина линии от подстан­ции до оконечного абонентского устройства как бы увеличится, тем самым увеличится зона действия АТС.

Рис. 1.13. Пример построения сети с использованием подстанции (концентраторов)

Для установки подстанций требуются специально приспособленные помещения. Целе­сообразность построения телефонной сети по тому или иному варианту обычно определяется специальным расчетом, учитывающим конкретные условия.

Особенностью абонентских линий является их значительная протяженность. На рис. 1.14 показано распределение длин АЛ в разных странах (данные фирмы Schmid Telecom AG). Из этого рисунка видно, что самые длинные АЛ - в странах Восточной Европы, это делает задачу решения проблемы "последней мили" в этих странах, особенно в России, которая выделяется значительным разбросом длин АЛ, весьма актуальной.

Рис. 1.14. Распределение длин АЛ в разных странах

На рис. 1.15 и в табл. 1.1 показаны основные способы решения этой проблемы и даны сравнительные характеристики этих способов.

Рис. 1,15. Три способа решения проблемы "последней мили" (BSC - контроллер ба­зовой станции системы радиодоступа. BS - базовая станция, RTU - або­нентский оконечный блок; HDSL - оборудование цифровой абонентской ли­нии; OLT. ONU, QNT - линейные комплекты оптической системы передачи;

MUX - мультиплексор)

Таблица 1.1. Основные способы решения проблемы "последней мили

Примечание.

Знаком (+) показано определенное преимущество способа перед другими,

знаком (-) - дан­ный способ проигрывает по сравнению с другими

Модернизация абонентской распределительной сети и установка систем уплотнения по­зволяют быстро и с небольшими затратами увеличить пропускную способность АЛ, а также дает возможность обеспечить абонентам новые информационные возможности (например, получить высокоскоростной доступ к ресурсам глобальной информационной сети Internet и т.д.). Полоса пропускания при этом остается несколько ограниченной. Прокладка ВОЛС обес­печивает абонентам более широкие возможности по полосе пропускания, но прокладка ново­го кабеля, как правило, это весьма длительный и дорогостоящий процесс.

Радиодоступ (радиоудлинение) или беспроводное подключение (WLL - Wireless Local Loop) обеспечивает максимальную мобильность и оперативность связи, является быстрым способом организации связи, особенный эффект достигается, если прокладка кабеля связана со значительными затратами, или невозможна (например, в помещениях, имеющих железобе­тонные полы и стены, и т.д.) или нецелесообразна (например, в помещении, снятом на корот­кий срок). Полоса пропускания для систем радиодоступа также ограничивается частотным ресурсом.

На рис. 1.16 показано сравнение стоимостей прокладки кабеля и организации беспро­водного доступа в зависимости от числа телефонных аппаратов на единицу площади территории, охватываемой связью, при этом стоимость беспроводного доступа определяется стоимостью радиооборудования (по материалам фирмы SAT, Франция).

Рис. 1.16. Сравнение стоимостей способов подключения

Из рисунка видно, что при невысокой плотности беспроводный доступ довольно эффек­тивен. Организация беспроводного доступа рассмотрена в главе 5.

1.3. Построение абонентской распределительной сети

В настоящее время, в основном, предусматривается включение в АТС двухпроводных аналоговых и цифровых АЛ.

На рис. 1.17 приведена схема организации абонентского доступа на городской теле­фонной сети (ГТС), которая используется в настоящее время. Для организации доступа к АТС применяются многопарные кабели связи, которые, как правило, прокладываются в специаль­ной кабельной канализации.

Рис. 1.17. Схема организации абонентского доступа на ГТС

(МУ - магистральный кабельный участок абонентской распределительной сети, выполняемый на многопарном кабеле (200-1200 пар), РУ - распределительный участок (выполняется на 10-50 парном кабеле), АП - абонентская проводка, ВП -внутренняя проводка в помещении абонента. РШ - распределительный шкаф. РК - распределительная коробка. ОУ - оконечное устройство первичной сети или блок абонентского оборудования системы передачи АБ (абонентский полукомплект).

Очевидно, что уже в ближайшем будущем структура абонентской сети будет меняться -оптимальным будет доведение ВОЛС все ближе и ближе до оконечного абонентского устрой­ства, а также построение абонентской сети по принципу "кольца" (рис. 1.18). На рисунке по­казано образование "кольца" с помощью ВОЛС и оборудования системы передачи синхрон­ной иерархии со скоростью потока 155 Мбит/с FOT 155 (фирмы SAT, Франция), а также обо­рудование мультиплексоров RMX и ВМХ (той же фирмы) и высокоскоростной цифровой або­нентской линии HDSL.

Рис. 1-18. Пример абонентской распределительной кольцевой сети

Однако, по оценкам некоторых специалистов [11]. кабели связи с медными жилами бу­дут эксплуатиро.ваться, как минимум, лет 40, поэтому вопросы организации абонентского доступа с помощью уплотнения абонентских кабельных линий рассмотрены ниже в следую­щих главах книги.

1.4. Разновидности абонентских линий

Основные типы абонентских комплексов АТС:

1. АЛ делового сектора (предприятия или учреждения), по ним допускается увеличенный поток нагрузки (до 0.2 Эрл);

2. АЛ квартирного сектора индивидуального или коммунального пользования, причем по линиям коммунального пользования допускается увеличенная нагрузка (до 0,2 Эрл);

3. линии таксофонов местной связи у позволяющие устанавливать только исходящие со­единения;

4. линии таксофонов междугородной телефонной связи;

5. линии таксофонов для связи с платными сервисными службами (например, справочны­ми);

6. линии переговорных пунктов для междугородной и внутризоновой связи (с серийным исканием по входящей связи).

Кроме этого, современные цифровые АТС должны обеспечивать включение устройств передачи данных (например, модемов) и факсимильной информации, для которых соедине­ния устанавливаются по телефонному алгоритму, а также оконечного абонентского оборудо-

вания ЦСИО. При включении таких устройств обычно должны запрещаться все виды внешнего вмешательства (например, подключение операторов АМТС и службы технической эксплуата­ции, передача "сигналов уведомления" и т.д.).

Для возможности оплаты разговоров (кассированием жетона при ответе вызываемого абонента в таксофоны местной телефонной связи) соответствующие абоненские линии долж­ны обеспечивать передачу специального сигнала "переполюсовка проводов". По линиям ме­ждугородных таксофонов кроме такого сигнала должна обеспечиваться трансляция с АТС та­рифных импульсов с частотой 16 кГц. Следует отметить, что существуют таксофоны со встро­енным устройством тарификации разговоров. В этом случае по АЛ не требуется передавать сигналы тарификации, так как управление оплатой разговоров осуществляется автономно.

Традиционные абонентские линии (медные пары) должны иметь следующие па­раметры [12]:

• сопротивление шлейфа (короткозамкнутой цепи проводов а и b абонентской линии) не более 1000 Ом, для удаленных абонентов не более 2000 Ом (для некоторых типов учре­жденческих АТС допускается увеличенное предельное значение сопротивления -3000 Ом);

• сопротивление шлейфа АЛ, включая сопротивление телефонного аппарата, не более 18000м;

• емкость между проводами и по отношению к земле не более 0,5 мкф (для линий уда­ленных абонентов допускается предельное значение емкости до 1,0 мкФ);

• сопротивление изоляции между проводами или между каждым проводом и землей (со­противление утечки) не менее 20 кОм (для некоторых типов АТС, например, для АТСК, не менее 80 кОм);

• собственное затухание не должно превышать 4,5 дБ (для кабелей с диаметром жил 0,5 мм) или не более 3,5 дБ (для кабелей с диаметром жил 0,32 мм);

• переходное затухание на ближнем конце (к АТС) между цепями двух соседних АЛ не должно превышать 69,5 дБ.

По абонентским линиям должна обеспечиваться возможность трансляции адресной ин­формации (номера) и процедур дополнительных услуг, которые могут передаваться декадным или многочастотным кодом. При этом частота следования импульсов номера должна состав­лять 9-11 импульсов в секунду при сигнализации декадным кодом (для АТС электронной сис­темы допускается больший разброс: 7-13 импульсов/с).

Замыкание шлейфа (проводов а и Ь абонентской линии) на время менее 120 мс не должно восприниматься приборами АТС как межсерийное время (интервал времени между двумя последовательно передаваемыми цифрами номера), минимальное значение межсерий­ного времени составляет 400 мс.

При сигнализации многочастотным способом по абонентской линии одновременно пе­редаются две частоты, по одной из каждой группы (Рекомендация ITU-T Q.23):

• первая группа - 697, 770, 852, 941 Гц;

• вторая группа - 1209, 1336, 1477, 1633 Гц:

Эти частоты специально выбраны в диапазоне выше 500 и ниже 2000 Гц. что обеспечи­вает лучшую защиту от токов, возникающих при разговорах, и меньшее переходное влияние между телефонными трактами. При этом уровень каждой из частотных составляющих сигнала набора номера на выходе телефонного аппарата должен быть для первой группы частот -6 (+/-2) дБ. для второй -3 (+/-2) дБ.

В исходном состоянии и во время разговора на двухпроводную аналоговую АЛ с АТС поступает напряжение питания микрофона телефонного аппарата не менее 33 В (стандартная величина 60 В) с полярностью: отрицательная на проводе а; положительная на проводе b.

При платном разговоре с местного таксофона (и при пользовании платными справоч­ными службами) после ответа полярность на проводах должна меняться для осуществления оплаты разговора. По истечении оплаченного времени происходит кратковременное восста­новление полярности (300 мс), затем возврат к полярности: положительная на проводе а; от­рицательная на проводе b.

Это необходимо для обеспечения доплаты за разговор. По аналоговой АЛ должна обес­печиваться также возможность передачи вызывного сигнала частотой 25 (+/-5) Гц, напряже­нием 95 (+/-5) В.

2. ЦИФРОВАЯ АППАРАТУРА УПЛОТНЕНИЯ АБОНЕНТСКИХ ЛИНИЙ

2.1. Общие принципы построения цифровых систем передачи

Оборудование цифровых систем передачи (ЦСП) состоит из оборудования формирования и приема цифровых сигналов и оборудования линейного тракта. Цифровые сигналы обычно формируются в оборудовании аналого-цифрового преобразования первичных ЦСП, на входы которых поступают аналоговые сигналы, и затем преобразуются в цифровую форму. Наи­большее распространение в мире получили ЦСП с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Цифровые сигналы также могут формироваться в оборудовании временного группообразова-ния ЦСП более высокого уровня (вторичном, третичном и т.д.). В России принята европейская система иерархии ЦСП:

• первичная ЦСП со скоростью цифрового потока 2048 кбит/с,

• вторичная ЦСП со скоростью цифрового потока 8448 кбит/с,

• третичная ЦСП со скоростью цифрового потока 34368 кбит/с.

• четверичная ЦСП со скоростью цифрового потока 139264 кбит/с и т.д.

Указанные иерархии известны под общим названием плезиохронная цифровая иерархия (Plesiochronous Digital Hierarchy - PDH). Развитие технологий скоростных телекоммуникаций на основе PDH привело к появлению систем синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy - SDH) [13].

Система передачи на первом уровне, например ИКМ-30, формирует первичный цифро­вой поток 2048 кбит/с и позволяет передавать 30 телефонных каналов тональной частоты (ТЧ).

Стандартный канал ТЧ, транслируемый с помощью метода ИКМ, при котором из исход­ного сигнала как бы "вырезаются" мгновенные значения каждые 125 мкс и кодируются 8-разрядной двоичной комбинацией, эквивалентен цифровому каналу со скоростью 64 кбит/с.

Для образования группового цифрового сигнала ИКМ требуется последовательное вы­полнение четырех процедур:

1. дискретизация исходного сигнала по времени и формирование импульсного сигнала, модулированного по амплитуде.

2. объединение этих индивидуальных сигналов в групповой сигнал с амплитудно-импульс­ной модуляцией (АИМ),

3. квантование этого группового АИМ сигнала по уровню,

4. кодирование отсчетов группового АИМ сигнала, в результате чего формируется группо­вой цифровой сигнал (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Формирование группового цифрового сигнала

Процесс дискретизации заключается в получении дискретных отсчетов (мгновенных значений) исходного сигнала C(t) с периодом Т в соответствии с теоремой В.А.Котельникова (гл. 1). Обычно используется амплитудно-импульсная модуляция АИМ (рис. 2.2), при этом информация о мгновенных значениях исходного сигнала имеет вид амплитудно-модули-

рованных импульсов S(t) (рис. 2.2 а). Такие импульсы можно получить, если на электронный ключ (ЭК) одновременно подавать исходный сигнал C(t) и прямоугольные импульсы P(t) с пе­риодом следования Т (рис. 2.2 б). Последовательность p(t) периодически включает ЭК, кото­рый соединен с общей шиной ОШ, при этом на выходе ЭК и в общей шине ОШ формируется амплитудно-модулированный сигнал S(t) (рис. 2.2 а).

Период следования импульсов АИМ Т=125 мкс. Ширина импульсов определяет энергию транслируемого сигнала: чем больше ширина, тем больше энергии исходного сигнала пере­носит последовательность сигналов АИМ S(t).

а) Исходный сигнал и АИМ сигнал б) Последовательность импульсов P(t) Рис. 2.2. Амплитудно-импульсная модуляция

Обычно ширину импульсов выбирают равной 0,5-10 мкс, что меньше периода следова­ния импульсов Т. Это позволяет по одной цепи одновременно и независимо передавать им­пульсы S(t), образованные при помощи модуляции от нескольких исходных сигналов. Для это­го должны вырабатываться различные последовательности прямоугольных импульсов P(t), сдвинутые во времени относительно друг друга (рис. 2.3 а). Тогда групповой АИМ сигнал бу­дет иметь вид, приведенный на рис. 2.3 б, где показано, к исходному сигналу какого канала (1...N) относится данный импульс.

Рис. 2.3. Формирование группового АИМ сигнала

Упрощенная схема АИМ модулятора может быть показана в виде, приведенном на рис. 2.4. В общей шине (ОШ) будет формироваться объединенный сигнал от N источников информации (например, телефонных аппаратов). Для разделения сигналов от разных источ­ников предусмотрен защитный временной интервал, обычно его делают равным 0,3-3 мкс. При этом для передачи информации от одного источника отведен промежуток времени, рав­ный сумме длительности отсчета (длительности импульса последовательности P(t)) и дли­тельности защитного временного интервала. Этот промежуток времени называется каналь­ным интервалом.

Рис. 2.4. Упрощенная схема АИМ модулятора

Следует отметить, что на выходе модулятора (рис. 2.4) образуются АИМ сигналы перво­го рода (АИМ-1): амплитуда импульсов на выходе модулятора изменяется в соответствии с изменением амплитуды исходного сигнала C(t). Однако, такой сигнал неудобен для передачи, поэтому используют сигналы АИМ второго рода (АИМ-2). Отличие АИМ-2 от АИМ-1 заключается в том, что амплитуда каждого импульса из группового АИМ сигнала AI4M-2 определяется мгновенным значением исходного сигнала в момент нача­ла отсчета и не изменяется за длительность времени отсчета, т.е. амплитуда будет неизмен­на. Разница между АИМ-1 и АИМ-2 несущественна, если ширина (длительность) импульсов последовательности P(t) много меньше периода следования Т.

На приемном конце процесс выделения из группового сигнала АИМ индивидуальных сигналов выполняется временными селекторами, представляющими собой такие же электронные ключи, как в модуляторе. Эти электронные ключи управляются такими же импульс­ными последовательностями, как в АИМ модуляторе на передающем конце.

Квантование группового АИМ сигнала по уровню применяется для упрощения процесса кодирования. Закодировать бесконечное число значений амплитуды АИМ сигнала технически затруднительно, поэтому используют разрешенное ограниченное число значений амплитуды АИМ сигнала. Квантование заключается в определении амплитуды дискретного сигнала каж­дого временного канала и сравнении с некоторыми разрешенными уровнями. При этом зна­чение амплитуды сигнала заменяется ближайшим разрешенным. Число разрешенных значе­ний зависит от вида передаваемого сигнала и определяет качество передачи.

Для этого составляется шкала квантования, определяемая минимальным и максималь­ным значением амплитуды исходного (модулирующего) сигнала. Расстояние между двумя со­седними разрешенными уровнями называется шагом квантования, величина которого опре­деляет искажения исходного сигнала при передаче: чем меньше шаг, тем меньше искажается сигнал. Однако уменьшение шага квантования приводит к увеличению числа уровней кванто­вания при неизменной длине шкалы квантования, что. безусловно, усложняет оборудование.

Если шаг квантования по всей шкале квантования остается постоянной величиной, то такое квантование называется равномерным. В современных системах передачи применяется неравномерное квантование с изменяющимся шагом квантования, что позволяет уменьшить шумы квантования и при этом не увеличить число уровней квантования. При неравномерном квантовании для сигналов с малой амплитудой шаг выбирается небольшим и увеличивается с возрастанием амплитуды сигналов.

Неравномерное квантование получают с помощью динамического сжатия сигнала. Для этого на передаче применяется специальное устройство с нелинейной амплитудной характе­ристикой - компрессор. На приемном конце сжатый сигнал как бы расширяется с помощью специального устройства - экспандера, имеющего амплитудную характеристику, обратную компрессору. Результирующая характеристика компрессора-экспандера, называемого ком­пандером, в этом случае не будет вносить нелинейных искажений, так как будет линейной.

В современных системах ИКМ амплитудные характеристики компрессора и экспандера имеют вид кусочно-ломаных кривых, содержащих 256 уровней квантования, для их кодирова­ния требуется 8 разрядов. Кодирование осуществляется за 8 тактов.

В системах передачи европейской иерархии используется логарифмическая характери­стика компандирования, так называемый А-закон:

y=sgn(x)[z/(1+lnA)],

где у и х - отношение амплитуд выходного и входного сигналов соответственно к вели­чине порога ограничения квантующего устройства (квантователя), z = А[х] для х, находящихся в интервале от 0 до 1/А, z=1 + lnA[x] для х, находящихся в интервале от 1/А до 1. А - пара­метр компрессии, А = 87,6.

Для транслирования номеров уровней на приемный конец применяется последователь­ное кодирование. Для кодирования часто используется равномерный двоичный код, при этом число уровней квантования будет равно 2ⁿ, где n - число элементов кода.

Рассмотрим процесс преобразования некоторого исходного аналогового сигнала C(t) в сигнал ИКМ (рис. 2.5). Сигнал C(t) модулирует некоторую последовательность импульсов P(t) с периодом следования импульсов Т. После дискретизации амплитуды дискретных сигналов округляются до ближайших разрешенных уровней (АИМ-2), при этом шкала квантования име­ет вид. показанный на рис. 2.5 а.

В процессе квантования по амплитуде передается не значение амплитуды отсчета (им­пульса, вырезанного из исходного сигнала), а закодированное значение ближайшего разре­шенного уровня k. В результате квантования значение амплитуды импульса изменяется (ок­ругляется в большую или меньшую сторону). При этом допускается ошибка, которая будет тем меньше, чем меньше выбран шаг квантования. При ИКМ передаются не значения ампли­туды, а номера ближайших разрешенных уровней: k=0, k=2, k=5, k=7, k=5, k=1, k=0 (рис. 2.5 б). Пусть для кодирования выбран трехэлементный двоичный код, тогда закодиро­ванные значения уровней будут: 000, 010, 101, 111, 101, 001. 000.

По линии связи передается цифровой сигнал в виде кодовых групп, представляющих сочетание импульсов одинаковой амплитуды и пауз (рис. 2.5 в). Каждая кодовая группа пере­дается по линии за время канального интервала.

Рис. 2.5. Преобразование аналогового сигнала в АИМ сигнал

На приемном конце по принятой информации восстанавливается исходный сигнал с не­которой погрешностью - кривая, показанная штриховой линией (рис. 2.5 г). Эта погрешность зависит от шага квантования и проявляется как искажение формы исходного сигнала (так на­зываемый шум квантования). В [14] приведена оценка качества речи, переданной с помощью ИКМ, в зависимости от числа разрешенных уровней квантования (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Оценка качества речи при ИКМ передаче

Из табл. 2.1 видно, что число уровней квантования, равное 256. является приемлемым. Такое число уровней имеют системы передачи ИКМ, применяемые на взаимоувязанной сети связи России.

Упрощенная структурная схема системы ИКМ-30 (оконечной станции) приведена на рис. 2.6. Условно можно выделить индивидуальное (ИО) и групповое (ГО) оборудование. В ИО осуществляется согласование оборудования с линейными окончаниями двухпроводных трак­тов, по которым поступают канальные исходные сигналы, а также дискретизация этих сигна­лов. В групповом оборудовании осуществляется квантование и кодирование канальных сигна­лов путем поочередного подключения к ИО каждого канала, а также объединение этих сигна­лов в групповой и формирование линейного сигнала.

Рис. 2,6. Упрощенная структурная схема оконечной станции ИКМ-30

В состав ИО входит дифференциальная система (ДС), согласующая двухпроводный и четырехпроводный тракты, усилители низких частот и фильтры нижних частот. Модулятор (М) осуществляет дискретизацию аналоговых сигналов в тракте передачи, а в тракте приема се-. лектор (С) осуществляет выборку сигнала своего канала из группового сигнала. Модулятор и селектор представляют собой быстродействующие электронные ключи, которые управляются соответственно импульсными последовательностями Р1...РЗО.

В состав ГО входят: модулятор АИМ для группового сигнала, который осуществляет преобразование АИМ-1 в АИМ-2, кодер и декодер (ДЕК), устройства объединения (УО) и раз­деления (УР) информационных и служебных сигналов, регенераторы (Per), устройство фор­мирования линейного сигнала и линейные трансформаторы (ЛТр), с помощью которых пода­ется ток дистанционного питания (ДП) необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП). В

НРП осуществляется восстановление линейных сигналов, изменившихся после прохождения определенных кабельных участков. На рис. 2.6 не показано генераторное оборудование, со­стоящее из задающего генератора, блока деления частоты и распределителя импульсов. Не показаны блоки синхронизации и блоки передачи и приема сигналов управления (СУ) и ли­нейных сигналов, блоки служебной связи (СС) и блоки подачи сигналов телеконтроля линей­ного тракта. Телеконтроль линейного тракта и служебная связь осуществляются по отдельным парам кабеля.

В системе ИКМ-30 формируется 32 временных канала, из которых 30 - информацион­ные, а 2 предназначены для передачи: сигналов управления и линейных сигналов (16-й вре­менной канал), сигналов синхронизации (0-й временной канал). Подробно организация сверхциклов, циклов, канальных и тактовых интервалов рассмотрена в [15].

Для повышения эффективности систем связи в настоящее время применяются адаптив­ные варианты ИКМ, в которых регулируются основные параметры системы дискретизации -диапазон, шаг, начало отсчета шкалы квантования, временной интервал между отсчетами. При этом на приемной стороне сигнал восстанавливается по дискретным данным с использо­ванием определенного алгоритма [16,17,18]. Такие виды ИКМ широко используются в мало­канальных системах передачи (см. раздел 2.2).Такой же вид ИКМ используется в системе UPG-60 (см. гл. 4).

К линейным сигналам ЦСП при проектировании предъявляются следующие требования

[19]:

1. энергетический спектр передаваемых цифровых сигналов должен быть сосредоточен в относительной узкой полосе частот при отсутствии постоянной составляющей, что уменьшит межсимвольные искажения, повысит взаимозащищенность, обеспечит возможность совмест­ной параллельной работы с аналоговыми системами передачи. Это позволяет увеличить дли­ну участка регенерации и повысить верность передачи;

2. возможность контроля за коэффициентом ошибок без перерыва связи.

В системах ИКМ-30 применяется код с чередованием полярности импульсов - ЧПИ (AMI - Alternate Mark Inversion), представляющий собой двухполярный трехуровневый код с инвер­сией полярности сигнала на каждой второй передаваемой единице. Формирование передачи двоичного символа 1 происходит с помощью чередования сигналов, показанных на рис. 2.7 а и рис. 2.7 б, а 0 - с помощью сигнала "пассивная пауза" (рис. 2.7 в). Такой порядок позволя­ет устранить постоянную составляющую из спектра сигнала, так как средний уровень такого сигнала равен нулю.

При использовании кода ЧПИ упрощается процесс выделения хронирующего сигнала в ре­генераторах. Кроме этого, принимаемые сигналы позволяют осуществить проверку на четность: об­наружение двух последовательных импульсов од­ной полярности означает ошибку. Основным не­достатком кода ЧПИ является возможность появ­ления в передаваемой последовательности длин­ных серий 0, что отрицательно отражается на син­хронизации в регенераторах. Поэтому находят применение усовершенствованные коды.

Различают неалфавитные коды, в которых изменение статистических свойств исходной ин­формации происходит при определенных услови­ях, например, в модифицированном коде ЧПИ (HDB3 - High Density Bipolar code of order 3) при четырех подряд следующих нулях происходит их замена определенными сочетаниями: OOOV или BOOV так, чтобы число импульсов В между после­довательными V импульсами было нечетным. Если после замены было передано нечетное число единиц, то для замены выбирается комбинация OOOV. если число промежуточных единиц было четным, выбирается BOOV. При последовательных заменах создаются нарушения с чередующимися полярностями (табл. 2.2).

При таком кодировании не может быть последовательности, содержащей более трех нулей подряд, поэтому такой код также называют кодом с высокой плотностью единиц поряд­ка три - КВП-3 (HDB3).

В алфавитных кодах статистические свойства исходной информации меняются путем деления этой информации на группы, а затем преобразования по определенному правилу (алфавиту) этих групп, в результате чего получаются группы символов кода с другим основа­нием счисления и с новым числом тактовых интервалов. При этом передаются признаки гра­ниц групп символов кода для правильного восстановления на приеме.

В цифровых системах передачи для АЛ часто используются алфавитные коды ЗВ2Т, 4ВЗТ, 2B1Q. Первое число в названии обозначает число символов в кодируемой двоичной группе. Буква В (Binary) показывает, что для представления исходной информации использу­ется двоичное счисление. Следующее число - это число символов в группе кода. Последняя буква в обозначении кода показывает кодовое основание счисления: Т (Ternary) - троичное, Q (Quaternary) - четверичное. На рис. 2.8 показан пример двухуровневого кодирования двоич­ного сигнала в различных кодах.

Многоуровневые коды по сравнению с двухуровневыми позволяют получить более вы­сокие скорости передачи двоичных сигналов в линии. При многоуровневой передаче скорость двоичных сигналов будет равняться отношению логарифма по основанию 2 числа уровней к длительности тактового интервала Т [15]. На рис.2.9 показан пример 4-уровневого сигнала, при таком сигнале достигается передача битов на тактовый интервал, т.е. двух битов на один бод (бор, - единица измерения скорости передачи символов, при этом скорость определяется как 1/Т). Следует подчеркнуть, что скорость передачи двоичных сигналов, измеряемая в би­тах, только тогда равна скорости передачи символов, когда передается 1 бит на один такто­вый интервал. Для примера, показанного на рис. 2.9, эти скорости не равны.

Рис, 2.8. Примеры двухуровневого кодирования двоичного сигнала в различных кодах

При многоуровневом линейном кодировании 2В 1Q (например, в системах передачи TOPGAIN-4-NATEKS, РСМ-8ВА и др.), происходит преобразование двух двоичных символов в символ с четверичным кодовым основанием счисления.

2.2. Технологии кодирования, применяемые в ЦСПАЛ

В ЦСПАЛ необходимо добиться компромисса между линейной скоростью, определяю­щей допустимую длину уплотняемой АЛ, и числом дополнительных каналов, образуемых на линии. С целью достижения такого компромисса разработаны методы кодирования, требую­щие меньших линейных скоростей для передачи одного телефонного канала.

Значения параметров квантования в цифровых системах передачи (D - диапазон кван­тования, h - шаг квантования, О - начало отсчета шкалы квантования, Т - временной интер­вал между отсчетами) выбираются, исходя из свойств преобразуемого сигнала. Диапазон D определяется динамическим диапазоном входного сигнала, шаг h - изменением величины отсчетов (их законом распределения), уровень О - средним значением сигнала, интервал Т -скоростью изменения сигнала во времени с учетом спектральных свойств сигнала.

Если систему передачи рассчитывать на наихудшие условия, то величины D и О необхо­димо выбрать исходя из максимальной дисперсии и разброса постоянной составляющей преобразуемого сигнала, h - выбрать наименьшим, а Т - исходя из максимальной эффектив­ной ширины спектра. При таком проектировании системы входной сигнал будет передан и восстановлен на приеме максимально точно, но это потребует передачи больших и избыточ­ных объемов дискретных данных. Если при проектировании минимизировать объемы переда­ваемых дискретных данных, то восстановленный на приеме сигнал будет неточен.

Тип ИКМ, в которой в соответствии с изменениями преобразуемого сигнала регулиру­ются параметры квантования, называется адаптивной - АИКМ. При этом анализируются ха­рактеристики сигнала с целью осуществления регулировки величины параметров квантова­ния. Если используется такой алгоритм регулировки, что текущий нулевой уровень шкалы квантования выбирается равным предшествующему отсчету, умноженному на некоторый ко­эффициент, то такую АИКМ называют дифференциальной - АДИКМ. В цифровых системах передачи для абонентских линий такой вид модуляции, стандартизированный ITU-T в Реко­мендации G.726 [20], широко применяется.

На рис. 2.10 показаны упрощенные схемы кодера и декодера АДИКМ для канальных скоростей передачи 32 и 16 кбит/с.

После преобразования входного сигнала ИКМ S(k). модулированного по закону А со скоростью 64 кбит/с, в сигнал линейной ИКМ S1(k) получаем разностный сигнал d(k) путем вычитания из этого входного сигнала сигнала оценки Se(k).

Адаптивный 15-и 4-уровневый квантователь используется для получения, соответствен­но, четырех или двух двоичных разрядов величины разностного сигнала, который передается в декодер. Инвертирующий адаптивный квантователь выдает квантованный разностный сиг нал, состоящий из тех же, соответственно, четырех или двух двоичных разрядов. Оценка сиг­нала добавляется к этому инвертированному квантованному разностному сигналу для образо­вания восстановленной версии входного сигнала. Оба сигнала, восстановленный и разност­ный. поступают в адаптивный предсказатель, который выдает оценку входного сигнала, тем самым как бы замыкая петлю обратной связи.

Рассматриваемый декодер АДИКМ также содержит петлю обратной связи, структура ко­торой была описана выше, преобразователь сигнала линейной ИКМ в сигнал, модулирован­ный по закону А, и установку синхронного кодирования. Установка синхронного кодирования препятствует накоплению искажений, которые могут возникнуть при последовательном коди­ровании (АДИКМ - ИКМ - АДИКМ). Установка синхронного кодирования достигается под­стройкой выходного кода ИКМ путем устранения ошибок квантования. Блок синхронного ко­дирования оценивает квантование в кодере. Если все установленные переменные в декодере и в кодере имеют идентичные величины и ошибки передачи отсутствуют, то эта вынужденная эквивалентность обеих последовательностей квантователя для всех величин k гарантирует свойство ненакопления искажений.

На рис. 2.11 изображена более подробная структурная схема кодера АДИКМ. Для каж­дой переменной, показанной на рис. 2.11, и представляющей собой сигнал одного из блоков кодера ЀЀМ, параметр k является номером шага дискретизации, при этом временной ин­тервал дискретизации равен 125 мкс (т.е. отсчеты делаются через 125 мкс).

После преобразования формата входного сигнала S(k) в сигнал линейной ИКМ S₁(k) блок вычисления разностного сигнала вычисляет разностный сигнал d(k) путем вычитания сигнала оценки S_e (k) из сигнала линейной ИКМ S₁ (k) в соответствии со следующим выраже­нием [20]:

d(k) = S₁(k) –S_e (k).

Нелинейный 15- или 4-уровневый адаптивный квантователь квантует разностный сигнал d(k). До квантования сигнал d(k) прео