Цифровые системы передачи
В настоящие время на всех участках первичной сети взаимоувязанной сети связи (местной, внутризоновой и магистральной) еще используются аналоговые системы передачи (АСП), работающие по металлическим кабелям связи (К-60П по кабелю типа МКС- 4×4×1,2; К-300 по кабелю МКТ-4; К-1920П и К-3600 по кабелю МК-4 и т.д.). Информационно - телекоммуникационный комплекс России формируется с учетом его интеграции в глобальную и европейскую информационные инфраструктуры. Мировой практикой установлено, что непременным условием для этого является наличие в стране развитой и взаимоувязанной цифровой сети.
На взаимоувязанной сети связи (ВСС) России, как и в большинстве развитых стран, принят и реализуется курс на цифровизацию сети связи. Поэтому возникает необходимость реконструкции существующих участков сети с АСП. Однако предстоит длительный период сосуществования на сети аналоговой и цифровой техники связи. Значительное число соединений будет устанавливаться с использование обоих видов техники связи. Для того чтобы в этих условиях обеспечить заданные характеристики каналов и трактов, принципы проектирования цифровых систем передачи (ЦСП) и АСП должны быть совместимы. Это в первую очередь касается структуры номинальных эталонных цепей, норм на суммарную мощность помех, возможности совместной работы на сети и т.п.
Основными типами отечественных ЦСП, применяемыми при реконструкции, являются ЦСП типа ИКМ-120, ИКМ-480С (симметричный кабель) и ИКМ-480 (коаксиальный кабель). Магистрали с АСП типа К-1920 и К-3600 реконструкции не подлежат и в перспективе будут заменены волоконно-оптическими системами передачи.
Использование цифровых систем передачи объясняется существенными достоинствами передачи: высокой помехоустойчивостью, слабой зависимостью качества передачи от длины линии связи, стабильностью электрических параметров каналов связи, эффективностью использования пропускной способности при передаче дискретных сообщений и др.
Рост потребности в услугах электросвязи (ЭС) для различных сфер деятельности людей обусловил бурное развитие средств телекоммуникаций в стране. Организация новых цифровых трактов тАУ задача, стоящая перед каждым оператором. Она обусловлена повсеместным строительством цифровых АТС, внедрением услуг передачи данных, развитием цифровых сетей с интеграцией служб, модернизацией сетей технологической связи. Решить ее можно тремя способами: путем строительства волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), использования радиорелейных систем или с помощью цифровизации медных линий связи.
Научно-технический прогресс во многом определяется скоростью передачи информации и ее объемом. Возможность резкого увелечения объемов передаваемой информации наиболее полно реализуется в результате применения различных оптических систем передачи.
В мире достигнут огромный прогресс в развитии ВОЛС. В настоящее время волоконно-оптические кабели и системы передачи для них выпускаются многими странами мира. Их внедрение определено высокой помехоустойчивостью, широкой полосой пропускания сигналов, большими расстояниями передач, относительно низкой стоимостью каналов и другими факторами. Однако, строительство ВОЛС до сих пор остается дорогостоящим и оправдывает себя только в тех случаях, когда требуется передача потоков большой емкости. Применение радиорелейных систем бесспорно эффективно, особенно в ситуациях, когда между пунктами нет какой-либо иной среды передачи, за исключением радиоэфира, а прокладка кабеля не целесообразна по экономическим причинам. В большинстве же случаев в распоряжении оператора имеется уже существующая магистральная кабельная инфраструктура, которую можно использовать как среду передачи для организации новых цифровых трактов за счет свободных пар в кабеле или замены аналоговых систем передачи на цифровые.
На первых этапах создания цифровой сети в России предусматривалось построить внутризоновые и местные сети на основе импортных волоконно-оптических и радиорелейных систем передачи, а тысячи километров высококачественных кабелей с медными жилами, оснащенными аналоговыми системами передачи, предполагалось списать в утиль.
Дефолт 1998г. изменил эти намерения. Новейшие цифровые системы передачи оказались островками в море аналоговых систем передачи по медному кабелю. Аналоговые барьеры наглухо перекрывают потоки цифровой информации, и как следствие, катастрофически недоиспользуется ВлинтеллектВ» цифровых систем коммутации и пропускная способность современных цифровых магистральных линий, загруженных фактически на 7-10%.
Необходим другой, реальный в создавшихся условиях путь создания цифровых внутризоновых и местных сетей связи.
Наиболее целесообразный, возможно, единственный способ решения этой проблемы - цифровизация существующей сети связи на медном кабеле путем постепенной замены аналоговых систем передачи, которые занимают сегодня 80% зоновой сети страны, на цифровые.
Задачу цифровизации существующих медных линий связи (ЦМЛС) можно определить как организацию цифровых каналов путем применения ЦСП, использующих в качестве среды передачи пары существующего кабеля.
Поэтому одной из актуальных задач развития местных сетей ЭС является оптимальное использование медных кабельных линий, находящихся в эксплуатации. Уже достаточно долго в России и европейских странах дискутируется вопрос о тАЬполной замене меди на оптикутАЭ. Какая же истина открылась в итоге дискуссии? Как обычно, очень простая - технологии хDSL, обеспечивающие передачу высокоскоростных цифровых потоков по существующим сегодня кабельным линиям.
Наиболее распространенной в настоящее время технологией в ряду DSL является высокоскоростная цифровая абонентская линия HDSL. Технология HDSL обеспечивает полный дуплексный обмен на скорости 2048 Мбит/с. Для передачи используются две или три кабельных пары.
Ряд DSL-технологий, прежде всего HDSL, были разработаны и впервые внедрены в массовом масштабе не для решения проблем сетей доступа, но для замены устаревшего оборудования HDB3 (отечественный аналог тАУ ИКМ-30). Объем внедрения оборудования HDSL составляет сотни тысяч линии только в США.
Одна из сфера применения DSL-технологий в России и странах СНГтАУ уплотнение межстанционных соединительных линий. Для этого все более и более широко используется оборудования HDSL. По данным НТЦ НАТЕКС в 1999г. для таких приложений приобреталось более 70% HDSL и MSDSL (скорость передачи 160тАж2320 кбит/с) оборудования. Практически сегодня можно утверждать, что инерция операторов по использованию тАЬмузейных экспонатовтАЭ сломлена, и при новом строительстве в оборудовании линейного тракта ИКМ- систем используются прогрессивные HDSL-технологий. Надо признать также, что массовой замены устаревших линейных трактов на основе ИКМ-30 в России и СНГ пока не проводится. Таким образом, эта замена, не избежная в будущем, является огромным потенциалом развития рынка DSL в России.
Типичное расстояние между городом и поселком (наиболее часто оборудование типа К-60 используется для связи областного и районного центров) может составлять 50тАж70 км. И в телефонной сети общего пользования (ТфОп), и в технологических сетях (вдоль железных дорог, нефте-газопроводов и т.д.), нередки кабельные линии длиной 100, 200 и более километров. Естественно, никто из европейских и американских разработчиков DSL- аппаратуры не рассчитывал на такие длины. Поэтому решение вопроса цифровизации и замены систем ИКМ и ЧРК полностью тАЬна совеститАЭ отечественных фирм. Такие решения появились совсем недавно и уже активно внедряются. Некоторые из отечественных решений основаны на HDSL-технологиях, сильно модифицированных, однако, для данного специфического применения (система и технология MEGATRANS, НТЦ НАТЕКС). Некоторые основаны на кодировании HDB3, много десятилетий применявшегося в системах типа ИКМ-30, 120 и т.д. В недалеком будущем, вероятно, появятся и другие решения. Основаны они будут, без сомнения, на передовых DSL-технологиях. Емкость этого сегмента рынка специалисты НТЦ НАТЕКС оценивают в десятки тысяч линий. Если учесть, что каждая линия состоит из многих сегментов (имеет несколько регенераторов), то суммарная стоимость необходимого оборудования составит 500 млн. долларов. Это немало в масштабах сегодняшнего уровня внедрения DSL в России и СНГ.
Как отмечалось выше, одним из массовых приложений технологий DSL в России и СНГ может стать замена или модернизация аналоговых систем передачи, работающих на магистральных или городских кабелях. Множество такой аппаратуры (типа К-60) используется на внутризоновых направлениях. Для этих приложений были разработаны несколько специфических DSL-технологий. Одна из них имеет название MEGATRANS. В системе MEGATRANS применена уникальная технология, отличающаяся несимметричностью, CAP- модуляцией, регулируемым уровнем и адаптивной системой согласования с линией. Каждый их этих ключевых моментов в определенной комбинации с другими позволяет решить две основные проблемы тАУ достичь заданной длины регенерационного участка ℓрег и обеспечить совместимость с существующими аналоговыми системами передачи.
Целью дипломного проекта является разработка электронного варианта методических указаний по курсовому проектированию для дисциплины ВлМногоканальные телекоммуникационные системыВ». В дипломном проекте рассмотрены вопросы реконструкции АСП с использованием ЦСП типа ИКМ-60, ИКМ-120 и т.п. и FlеxGain MEGATRANS. Приведена методика расчета помехозащищенности цифровой линии передачи, даны основные характеристики аппаратуры и кабельных линий связи.
1. Основные теоретические положения по электрическому расчету ЦСП
1.1 Размещение регенерационных пунктов
Для серийно выпускаемой аппаратуры ЦСП зоновой и магистральной сетей предусмотрены оконечные пункты, обслуживаемые регенерационные пункты и необслуживаемые регенерационные пункты. Расстояние между ОП и ОРП или ОРП и ОРП называется секцией дистанционного питания (ДП) и задается в паспортных данных системы передачи. При размещении ОРП следует руководиться следующими соображениями: расстояние ОРП-ОРП не должно превышать максимальной длины секции ДП; ОРП желательно располагать в населенных пунктах. Расстояние между ОП-НРП, НРП-НРП или ОРП-НРП называется длиной регенерационного участка.
Номинальная длина или номинальное затухание регенерационного участка для температуры t=200С задается в технических данных аппаратуры.
Длина регенерационного участка при температуре грунта отличной от t=200С может быть определена:
ℓру ном
Ва; ℓру max
; ℓру min
,
где АномРУ , АmaxРУ , АminРУ тАУ номинальное, максимальное и минимальное затухание регенерационного участка по кабелю, согласно техническим данным системы передачи;
αtmaxтАУ километрическое затухание кабеля на расчетной частоте fp ЦСП при максимальной температуре грунта по трассе линии. Обычно fр=0,5fт, где fт- тактовая частота ЦСП.
Километрическое затухание кабеля αtmax определяется:
αtmax= αtо[1тАУ αα( t0 тАУ tmax)],
где αtо тАУ километрическое затухание кабеля при температуре t0 (обычно t0=200С)
Коэффициент затухания коаксиального кабеля на любой частоте может быть найден αtо=α1МГц·
, МГц
Для симметричного кабеля значение αtо определяется аналитическим выражением, которое зависит от марки кабеля.
αα тАУ температурный коэффициент затухания, который с достаточно большой степенью точности можно принять равным 2·10-3 1/град.
Число регенерационных участков внутри секции ДП определяется по формуле
nру= Е(Lc/ℓру ном)+1,
где LcтАУ длина секции ДП, км; ℓру ном тАУ номинальная длина регенерационного участка, км; Е тАУ функция целой части.
Конструкцией ЦСП предусмотрено возможное отклонение длины участков от номинала в обе стороны. Для проектирования задается обычно несколько меньший разброс, чем это позволяет оборудование ЦСП, что связано с возможным разбросом затухания кабеля и неточностью реализации длин участков в процессе строительства.
При необходимости можно размещать НРП с получением длин участков меньше или больше номинальной, причем длина регенерационного участка должна находиться в пределах возможных отклонений согласно технической характеристике применяемой системы передачи. При невозможности выполнения этого условия допускается увеличить на один число НРП и организовать два укороченных регенерационных участка, при этом их следует располагать перед ОРП или ОП. Взаимное расположение укороченных и удлиненных относительно номинала регенерационных участков в пределах секции ДП может быть произвольным.
1.2 Нормирование параметров ЦСП
Нормирование параметров ЦСП осуществляется посредством создания номинальных цепей цифровой первичной сети ВСС. Основной параметр, определяющий качество связи по цифровым каналам тАУ вероятность ошибки рош. Допустимую вероятность ошибки для различных участков цифровой первичной сети ВСС можно определить, исходя из следующих требований:
- цифровые каналы ВСС должны обеспечить возможность организации междугородной связи;
- вероятность ошибки при передаче цифрового сигнала между двумя абонентами не должна превышать Рош≤10-6. При этом обеспечивается высокое качество телефонной связи (прослушивание не более одного щелчка в минуту) в системах с ИКМ при восьмиразрядном нелинейном кодировании.
Кроме того, необходимо иметь в виду, что в линейных трактах ЦСП имеет место накопление ошибок регенерации.
Согласно рекомендации Международного союза электросвязи схема организации международной связи соответствует рисунку 1.1.
Рисунок 1.1 тАУ Схема организации международной связи
Номинальная цепь основного цифрового канала (ОЦК) национального участка определяется видом сети связи страны, входящей в соединение, и для первичной цифровой сети России показана на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 тАУ Номинальная цепь ОЦК национального участка России
Вероятность ошибки Рнац= 0,4∙10-6 равномерно распределена между участками номинальной цепи, т.е. Рмаг=Рвз=Рмест=Раб=10-7, где Рмаг, Рвз, Рмест и Раб допустимые вероятности ошибки соответственно магистрального, внутризонового, местного и абонентского участков номинальной цепи. Тогда, учитывая, что в ЦСП суммируются вероятности ошибки, получим условное значение допустимой вероятности ошибки на 1км линейного тракта:
Рмаг км
; Рвз км
;
Рмест км
Зная эти величины, можно определить требования к линейным регенераторам ЦСП. Допустимая вероятность на один регенератор составляет
ℓру,
где ℓру тАУ длина регенерационного участка.
1.3 Определение допустимой защищенности от помех от линейных переходов для регенераторов ЦСП по симметричным кабелям
Причиной возникновения ошибок при передаче цифрового сигнала являются помехи, мгновенные значения которых превышают пороговое напряжение Uпор в схеме сравнения регенератора, что вызывает появление лишних или исчезновение имеющихся импульсов. Пороговое напряжение выбирается равным половине максимального напряжения цифрового сигнала Uс maxна входе схемы сравнения регенератора:
Uпор= Uс max/2.
В цифровых линейных трактах ЦСП по симметричным кабелям имеют место собственные помехи, имеющие нормальный закон распределения, и помехи от линейных переходов, которые в общем случае суммируются от всех влияющих пар. В наихудшем случае помехи от линейных переходов складываются па напряжению и имеют полярность противоположную с передаваемым цифровым сигналом. Это эквивалентно уменьшению порогового напряжения в схеме сравнения регенератора:
U'пор= Uпор-nВ·Uплп ,
где Uпор= Uс max/2, nтАУ число влияющих пар, Uплп тАУ напряжение помехи от линейных переходов от одной влияющей пары.
Для симметричного кобеля соотношение допустимой мощности помех от линейных переходов и допустимой мощности собственных помех следующее:
Рдоп лп: Рдоп сп =2:1
Поэтому произведем расчет допустимой защищенности от помех на входе регенератора только от линейных переходов.
Влияние помех от линейных переходов эквивалентно изменению верхнего предела в интеграле вероятности для расчета Рош:
,
где 
; 
; 
.
Uсм тАУ максимальное напряжение цифрового сигнала на входе схемы сравнения регенератора,
δ тАУ среднеквадратическое значение собственной помехи на входе схемы сравнения регенератора, которое вычисляется по формуле
, В,
где К - постоянная Больцмана, К=1,38·10-23 Дж/град;
Т - температура в градусах Кельвина, Т=273+toС;
D - коэффициент шума усилителя (5÷8);
Арег - затухание регенерационного участка при ℓmax на fр= fт/2, дБ;
fт - тактовая частота ЦСП, Гц;
ZВ - волновое сопротивление симметричного кабеля, Ом.
Предельное значение величины X′0 определяется предельно допустимой вероятностью ошибки на один регенератор. С другой стороны предельно допустимая защищенность при воздействии всех видов помех:
,
где Uном∑ тАУ суммарное значение от помех. Величину Аз доп рег можно определить по эмпирической формуле, зная Рдоп рег:
где L тАУ число уровней линейного сигнала.
Тогда предельно допустимое соотношение:
Почленно разделив на 
Валевую и правую часть уравнения, окончательно получим:
(при заданном значении верхнего предела интеграла вероятности будут выполнены нормативы ЦСП).
С другой стороны
,
где 
Введем понятие допустимой величины защищенности от помех линейных переходов, при котором выполняются нормативы ЦСП:
Ва, тогда 
Подставив полученное выражение в формулу для расчета X′0, окончательно получим:
Приравнивая выражение для расчета X′0норм=X′0расч, получим формулу для определения предельно допустимой защищенности от помех от линейных переходов:
,
при которой будет выполняться норматив на вероятность ошибки одного регенератора, где n- число влияющих пар.
Ожидаемая защищенность от помех от линейных переходов Аз.плп.ож при правильном выборе длин регенерационных участков не должна быть меньше Аз.плп.доп : Аз.плп.доп ≤ Аз.плп.ож
1.4 Определение ожидаемой защищенности от помех от линейных переходов для регенераторов ЦСП по симметричным кабелям
Ожидаемая защищенность при двухкабельном режиме работы
В данном режиме работы ЦСП определяющими являются переходные влияния на дальнем конце. Ожидаемая защищенность от помех от линейных переходов на дальнем конце АЗℓ плп ож. может быть определена
Ва,
где 
ВатАУ среднее значение защищенности от переходного влияния на дальний конец на частоте fiдля длины регенерационного участка ℓi;
тАУ среднеквадратическое отклонение защищенности на дальнем конце, (5÷6дБ);
ΔАрегтАУ изменение защищенности за счет неидеальной работы регенератора, (4÷10дБ);
n тАУ число влияющих пар.
Средние значения защищенности на дальний конец для любой частоты fi могут быть найдены из выражений:
- для межчетверочных комбинаций:
,
- для внутричетверочных комбинаций:
, при ℓру≥2,5км,
где 
тАУ среднее значение защищенности на дальний конец на частоте f1, на длине ℓ1 (ℓ1=2,5 км или 5км).
fi - расчетная частота; ℓi - заданная длина участка регенерации.
Ожидаемая защищенность при однокабельном режиме работы
В этом случае определяющими являются переходные влияния на ближнем конце, и ожидаемая защищенность от помех от линейных переходов на ближнем конце АЗо плп ож может быть рассчитана:
,
где 
тАУ среднее значение переходного затухания на ближнем конце на fт/2, дБ;
тАУ километрическое затухание кабеля на fт/2, дБ/км;
тАУ среднеквадратическое отклонение переходного затухания на ближнем конце, (6÷6,5дБ).
При правильном выборе ℓру для всех типов ЦСП должно выполниться требование Аз доп ≤Аз ож.
1.5 Определение допустимой и ожидаемой вероятности ошибки и защищенности для регенераторов ЦСП по коаксиальным кабелям
Как известно, электромагнитное поле коаксиальных цепей является закрытым, т.е. вне коаксиального кабеля оно не существует, что приводит к отсутствию непосредственных влияний между коаксиальными цепями. Поэтому в ЦСП по коаксиальным кабелям основным видом помех являются собственные помехи, имеющие нормальный закон распределения. Следовательно, для данного вида помех возможно непосредственно рассчитать ожидаемую вероятность ошибки одиночного регенератора Рожрег и сравнить ее с нормативной величиной Рдоп рег, определенной ранее по ( ).
,
при этом Рдоп рег ≥ Рож рег.
Для упрощения расчетов интеграл вероятности можно разложить в ряд и ограничиться первым членом разложения, так как при больших значениях X0 достигается достаточно высокая степень приближения:
, тогда
.
Можно также воспользоваться методикой расчета допустимой и ожидаемой защищенности. В этом случае допустимая защищенность Адоп рег определяется по эмпирической формуле и сравнивается с Аз ож.
, дБ
При правильном выборе длин регенерационных участков Аз доп рег ≤ Аз ож кк.
1.6 Характеристики некоторых типов кабелей
Частотные характеристики коэффициентов затухания кабеля
Аналитические выражения частотных характеристик коэффициентов затухания, полученные при аппроксимации, приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1- Аналитические выражения частотных характеристик затухания кабеля
| Марка кабеля |  , Ом
| α(f), дБ/км |
| ЗК-1×4 | 140 | 0,0005+5,221629∙ +0,208083∙f |
| МКСБ-4×4 | 163 | 0,0005+5,239331∙+0,148918∙f |
| МКСА-4×4 | 164 | 0,0005+4,737228∙+0,216548∙f |
МКССт-4×4 | 164 | 0,0005+4,803612∙+0,209902∙f |
| МКСБ-7×4 | 169 | 0,0005+5,074015∙+0,158835∙f |
С достаточной для практических расчетов точностью номинальные значения модулей волновых сопротивлений цепей можно считать независимыми от частоты. Эти значения для разных типов симметричных кабелей приведены в таблице 1.1.
Параметры передачи для коаксиальных кабелей при t=200С приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2- Параметры передачи коаксиальных кабелей
| Тип кабеля | Диаметр внутреннего и внешнего проводников, мм | Километрическое затухание на 1МГц, дБ | Температурный коэффициент | Волновое сопротивление, Ом |
| 1МГц | 17МГц | 1МГц | 17МГц |
| МКТ-4 | 1,2/4,6 | 5,34 | 2,01 | 1,98 | 74 | 72 |
| КМ-4 | 2,6/9,4 | 2,45 | 2,0 | 1,98 | 75 | 74 |
| КМ-6/8 | 2,6/9,4 | 2,39 | 2,0 | 1,98 | 75 | 74 |
Характеристики взаимного влияния цепей симметричных ВЧ- кабелей
Значения защищенности на дальнем конце в межчетверочных комбинациях цепей на участках разной длины приведены в таблице 1.3, а во внутричетверочных комбинациях - в таблице 1.4.
Таблица 1.3- Значения защищенности на дальний конец в межчетверочных комбинациях
| f, МГц | Значения защищенности в дБ на участке кабеля длиной ℓ1, км |
| 2,5 | 5 |
|
|
|
|
| 0,25 | 77 | 5,4 | 75 | 5,6 |
| 0,5 | 71,5 | 4,9 | 68,9 | 5,7 |
| 1,0 | 65,1 | 6,3 | 62,7 | 6,3 |
| 4,0 | 52,9 | 5,7 | 50,6 | 5,4 |
| 5,0 | 51,20 | 6,1 | 49,0 | 5,7 |
| 8,0 | 47,2 | 6,5 | 45,0 | 4,1 |
Таблица 1.4- Значения защищенности на дальний конец во внутричетверочных комбинациях