Проектирование цифровых систем передачи

Проектирование цифровых систем передачи

1. Задание и исходные данные к проектированию

кабель технический магистральный

В процессе работы над проектом для всех участков сети необходимо:

·        произвести расчет длины участка регенерации

·        выполнить расчет цепи дистанционного питания

·        составить схемы организации связи

·        осуществить расчет требований к параметрам качества передачи информации по ОЦК

·        определить комплектацию необходимого оборудования

Таблица 1.1. Исходные данные

Таблица 1.2. Исходные данные (продолжение)

2. Краткие технические данные аппаратуры и кабелей

2.1 Аппаратура ИКМ-120

1.      Аппаратура ИКМ-120 предназначена для организации каналов на местных и внутризоновых сетях по высокочастотным симметричным кабелям типа МКС и МКСА при использовании двухкабельной системы связи.

.        Скорость передачи цифрового сигнала - 8448 кбит/с.

.        Максимальная дальность связи - 600 км.

.        Цепи усиления регенератора обеспечивают компенсацию затухания участка регенерации в пределах от 45 до 55 дБ (на частоте 4224 кГЦ).

.        Тип кода в линии - КВП-3 (импульсы передаются со скважностью 2 и амплитудой ±3 В на нагрузочном сопротивлении 150 Ом)

.        Длительность цикла равна 125 мкс, он содержит 1056 импульсных позиций (тактовых интервалов) и условно разбит на 4 группы по 264 позиций в каждой. При формировании группового сигнала в ИКМ-120 используется метод двухстороннего согласования скоростей с двухкомандным управлением.

.        Электропитание НРП осуществляется дистанционно по фантомным цепям от стойки линейного оборудования. Предельная величина напряжения дистанционного питания на входе линии составляет 980 В при токе 125 мА.

.        Служебная связь между оборудованием ВВГ осуществляется по цифровому каналу, организованному методом дельта-модуляции, а между промежуточными пунктами - по рабочим парам кабеля в полосе 0.3-3.4 кГц. По этим же парам организуется телеконтроль за состоянием линейного тракта.

.        Комплектация оборудования.

Стойка вторичного временного группообразования (СВВГ) - на 8 комплектов ВВГ.

Стойка линейного оборудования (СЛО) - на 4 системы.

Стойка аналого-цифрового преобразования стандартной вторичной группы частот 312-552 кГц (САЦО-ЧРК-2), содержащая по одному комплекту АЦО-ЧРК-2, ВВГ и АЦО аппаратуры ИКМ-30.

Необслуживаемые регенерационные пункты типа НРПК-4 (для установки в колодец) - на 4 линейных регенератора, НРПГ-8 (для установки в грунт) - на 8 линейных регенераторов.

2.2 Аппаратура ИКМ-480

1.      Аппаратура ИКМ-480 предназначена для организации каналов на внутризоновых и магистральных сетях при использовании коаксиальных кабелей МКТ-4 с парами 1,2/4,4 мм. Линейный тракт организуется по однокабельной системе.

.        Скорость передачи цифрового сигнала - 34368 кбит/с.

.        Максимальная дальность связи - 2500 км.

.        Цепи усиления регенератора обеспечивают компенсацию затухания участка регенерации в пределах от 43 до 73 дБ (на частоте 17184 кГц).

.        Тип кода в линии - КВП-3 или ЧПИ со скремблированием.

.        Длительность цикла равна 62.5 мкс, он содержит 2148 импульсных позиций и условно разбит на 3 группы по 716 позиций в каждой.

.        Дистанционное питание НРП осуществляется по центральным жилам коаксиальных пар постоянным током 200 мА. Максимальное напряжение ДП равно 1300 В. Длина секции ДП составляет примерно 200 км.

.        Служебная связь между оборудование ТВГ осуществляется по цифровому каналу, между ОРП - по высокочастотным каналам служебной связи, а между НРП и ОРП - в спектре 0.3-3.4 кГц по рабочим парам кабеля.

Телеконтроль осуществляется по рабочим парам без перерыва связи.

.        Комплектация оборудования.

Стойка третичного временного группообразования (СТВГ) - на 4 комплекта ТВГ.

Стойка оборудования линейного тракта (СОЛТ) - на 2 системы.

Стойка аналого-цифрового преобразования стандартной третичной группы частот 812-1044 кГц (САЦО-ЧРК-3).

Необслуживаемый регенерационный пункт НРПГ-2, устанавливаемый в грунт - на 2 системы.

2.3 Аппаратура ИКМ-1920

1.      Аппаратура ИКМ-1920 предназначена для организации каналов на внутризоновых и магистральных сетях при использовании кабеля КМ-4 с парами 2,6/9,5 мм. Линейный тракт организуется по однокабельной схеме.

.        Скорость передачи цифрового сигнала - 139264 кбит/с.

.        Максимальная дальность связи - 12500 км

.        Цепи усиления регенераторов обеспечивают компенсацию затухания участка регенерации в пределах от 45 до 63 дБ (на частоте 69632 кГц).

.        Тип кода в линии - КВП-3 со скремблирование.

.        Длительность цикла 15.625 мкс, он содержит 2176 импульсных позиций и условно разбит на 4 группы по 544 позиции в каждой.

.        Дистанционное питание НРП осуществляется по внутренним жилам коаксиальных пар постоянным током 400 мА. Максимальное напряжение ДП составляет примерно 240 км.

.        Служебная связь между оборудованием ЧВГ осуществляется по цифровому каналу, между промежуточными станциями - по ВЧ и НЧ каналам служебной связи.

Телеконтроль осуществляется без перерыва связи.

.        Комплектация оборудования.

Стойка четверичного временного группообразования (СЧВГ) - на 4 комплекта ЧВГ.

Стойка оборудования линейного тракта (СОЛТ) - на 2 системы.

Стойка дистанционного питания (СДЦ) - на 2 системы.

Стойка аналого-цифрового преобразования сигналов телевизионного вещания (СЛЦО-ТС) на один канал телевизионного вещания.

Необслуживаемый регенерационный пункт типа НРПГ-2, устанавливаемый в грунт - на 2 системы.

2.4 Кабель МКСА 4х4х1.2

Кабель используется на магистральных и внутризоновых первичных сетях и соединительных линиях ГТС, а также в цифровых системах передачи со скоростью 8448 кБит/с (тактовой частотой 8448 кГц), 34368 кБит/с (тактовой частотой 34368 кГц) или аналоговых системах передачи в диапазоне до 5 МГц, работающих при переменном напряжении дистанционного питания до 690 В или постоянном напряжении до 1000 В.

Рис. 2.4. Поперечный разрез кабеля типа МКСА 4х4х1.2

Коэффициент затухания кабеля:

при

Волновое сопротивление:

2.5 Кабель МКТ-4 1.8/4.6

Кабели МКТ-4 малогабаритные, коаксиальные с трубчато-полиэтиленовой изоляцией имеют четыре коаксиальные пары 1.8/4.6, пять служебных пар и одну контрольную жилу. Кабели обеспечивают организацию 300 или 1020 каналов ТЧ по любым двум парам и поставляются следующих марок: МКТП-4, МКТПБ-4, МКТСГ-4, МКТСБ-4, МКТСК-4, МКТАБп-4, МКТАШп-4.

Рис. 2.5. Поперечный разрез кабеля типа МКТ-4 1.8/4.6

Коэффициент затухания кабеля:

при

Волновое сопротивление:  

2.6 Кабель КМ-4 2.6/9.4

Магистральный коаксиальный кабель КМ-4 типа 2.6/9.4 содержит четыре коаксиальные пары и пять звездных четверок. Каждая коаксиальная пара состоит из внутреннего медного проводника диаметром 2,6 мм и внешнего проводника в виде медной трубки диаметром 9.4 мм с одним продольным швом. Коаксиальная пара имеет изоляцию из полиэтиленовых шайб толщиной 2,2 мм с расстоянием между ними 25 мм. Поверх внешнего проводника расположен дополнительный экран в виде двух мягких стальных лент толщиной 0,15… 0,2 мм, который покрывается одним-двумя; слоями кабельной бумаги. Кабель имеет свинцовую оболочку и обычные броневые покровы и маркируется КМБ, КМГ, КМК. Кабель типа 2,6/9,4 используется в основном по однокабельной системе.

Рис. 2.6. Поперечный разрез кабеля типа КМ-4 2.6/9.4

Коэффициент затухания кабеля:

при

Волновое сопротивление:  

3. Расчет длины участка регенерации

.1 Местный участок

Таблица 3.1. Данные для местного участка

 - длина регенерационного участка без учета запаса на эксплуатационные расходы

 - длина регенерационного участка с учетом запаса на эксплуатационные расходы

 - количество НРП

Расчет цепи дистанционного питания:

 - длина ДП, которую должен обслуживать ОП(ОРП) в одном направлении от себя

 - количество НРП, которые должен обслуживать ОП(ОРП) в одном направлении от себя

напряжение дистанционного питания

 - остаточная, нераспределенная между НРП, длина

 - длина участка, перед и после ОП(ОРП)

3.2 Внутризоновый участок

Таблица 3.2. Данные для внутризонового участка

 - длина регенерационного участка без учета запаса на эксплуатационные расходы

 - длина регенерационного участка с учетом запаса на эксплуатационные расходы

Так как длина участка слишком большая, необходимо поставить ОРП. Делим данный участок на 3 равные участки по 200 км и ставим 2 ОРП. Рассчитаем параметры на 1 участке:

 - количество НРП

Расчет цепи дистанционного питания:

 - длина ДП, которую должен обслуживать ОП(ОРП) в одном направлении от себя

 - количество НРП, которые должен обслуживать ОП(ОРП) в одном направлении от себя

напряжение дистанционного питания

 - остаточная, нераспределенная между НРП, длина

 - длина участка, перед и после ОП(ОРП)

3.3 Магистральный участок

Таблица 3.3. Данные для магистрального участка

 - длина регенерационного участка без учета запаса на эксплуатационные расходы

 - длина регенерационного участка с учетом запаса на эксплуатационные расходы

Так как длина участка слишком большая, необходимо поставить ОРП. Делим данный участок на 4 равные участки по 187.5 км и ставим 3 ОРП. Рассчитаем параметры на 1 участке:

 - количество НРП

Расчет цепи дистанционного питания:

 - длина ДП, которую должен обслуживать ОП(ОРП) в одном направлении от себя

 - количество НРП, которые должен обслуживать ОП(ОРП) в одном направлении от себя

напряжение дистанционного питания

 - остаточная, нераспределенная между НРП, длина

 - длина участка, перед и после ОП(ОРП)

Вывод: длина ДП как по техническим данным аппаратуры, так и по расчетным находится в пределах нормы, следовательно, количество ОРП во всех случаях было выбрано правильно.

4. Расчет защищенности сигнала от шумов в линейном тракте

.1 Расчет допустимой защищенности сигнала на входе регенератора

Качество цифрового линейного тракта характеризуется вероятностью ошибки . Они возникают в регенераторах под влиянием тепловых помех и помех от взаимного влияния, фазовых флуктуаций стробирующих импульсов, межсимвольной интерференции и др.

, где:

 - амплитуда импульсов на входе порогового (решающего) устройства регенератора;

 - эффективное напряжение помехи в этой же точке;

 - характеризует защищенность сигнала от помехи на входе порогового устройства.

Допустим, функция распределения помехи описывается нормальным законом, так как это справедливо для аддитивных тепловых помех, то вероятность ошибки можно определить как:

, где:

 - напряжение, соответствующее порогу решающего устройства регенератора, равное

;

 - интеграл вероятности;

 - весовой коэффициент, который зависит от типа применяемого кода (для двоичного ; для квазитроичного с чередованием полярности импульсов ).

Следовательно, зная , мы можем найти требуемую величину защищенности сигнала на выходе решающего устройства.

Рис. 4.1. Зависимость помехозащищенности от вероятности ошибки на один регенератор

, где:

 - вероятность ошибки на 1 регенерационный пункт;

 - сумма ОРП, НРП и ОП2 на магистрали;

 - вероятность ошибки на магистраль (по варианту индивидуального задания).

Значение допустимой защищенности ищутся по рис. 4.1.

Для местного участка:

Для внутризонового участка:

Для магистрального участка:

4.2 Расчёт реальной защищенности сигнала на входе регенератора

Для систем передачи с ИКМ, при расчете реальной или ожидаемой защищенности на входе решающего устройства регенератора, работающих по симметричному кабелю, следует учитывать собственные шумы, шумы линейных переходов и шумы регенератора, а при работе по коаксиальному кабелю можно не считаться с шумами от линейных переходов.

При этом под шумами регенератора понимаются дополнительные составляющие шума, возникающие за счет межсимвольной интерференции, временных флуктуаций стробирующих импульсов, нестабильности работы порогового элемента регенератора и т.п.

Следовательно, реальная защищенность сигнала на входе регенератора определяется соотношением:

, где:

 - мощность сигнала в точке анализа;

 - мощности собственных помех, помех от линейных переходов и регенератора в той же точке схемы.

Так же это выражение можно записать в виде:

, где:

 - ожидаемая защищенность от помех линейных переходов;

, где:

, Дж/град - постоянная Больцмана;

;

, Гц;

 - уровень передачи сигнала.

Местный участок:

 дБ/с. д.

 дБ

Условие выполняется, так как  дБ

Внутризоновый участок:

 дБ

 (по заданию варианта)

 дБ

 дБ

Условие выполняется, так как  дБ

Магистральный участок:

 дБ

 (по заданию варианта)

 дБ

 дБ

Условие выполняется, так как  дБ

Вывод: все участки удовлетворяют условию, следовательно, усилительные пункты установлены верно и помехи не превышают допустимые нормы.

5. Расчет шумов оконечного оборудования

5.1 Шумы дискретизации

Практически во всех ЦСП используется дискретизация сигналов с постоянным периодом Т_д, а отклонения от этого периода ∆t_i носят случайный характер. Эти отклонения приводят к изменению формы принимаемого сигнала, что субъективно воспринимается как характерная помеха, называемая шумами дискретизации.

Величины ∆t_i определяются главным образом низкочастотными фазовыми флуктуациями импульсов, вызванными неточностью работы линейных регенераторов станции передачи.

Защищенность сигнала от шумов дискретизации:

, где:

 - допустимые относительные величины смещений моментов дискретизации;

,

где  - величина отклонения, вызванная нестабильностью задающих генераторов;

,

где  - величина отклонения, вызванная фазовыми флуктуациями.

 - период дискретизации

=63 дБ - требуемая защищенность от шумов дискретизации

, т.к. , то:

 нс

 нс

Вывод: чтобы обеспечить допустимую защищенность от шумов дискретизации, период дискретизации не должен отклоняться на более 20 нс.

5.2 Шумы квантования

Шумы равномерного квантования

Квантование сигнала по уровню является главной операцией аналого-цифрового преобразования сигнала и заключается в округлении его мгновенных значений до ближайших разрешенных. При равномерном квантовании, расстояние между уровнями квантования одинаково. При квантовании сигнала возникают ошибки, величина которых случайна и имеет равномерное распределение, не превышая значения половины шага квантования. Сигнал после квантования представляет собой сумму исходного сигнала и сигнала ошибки, который воспринимается как флуктуационный шум.

Защищенность от шумов квантования для наиболее слабых сигналов при равномерном квантовании:

,

где

-псофометрический коэффициент, равный для канала ТЧ величине 0,75;

 - динамический диапазон сигнала, равный , дБ;

m - число разрядов в двоичном коде.

Таблица 5.2. Исходные данные

Уровни сигнала:

 дБ

 дБ

Динамический диапазон сигнала:

 дБ

Необходимое число разрядов:

 - разрядность кода при равномерном квантовании.

 дБ

Число шагов для равномерного квантования будет:

Вывод: чтобы закодировать равномерным кодом с заданной защищенностью потребуется код с разрядностью .

Шумы неравномерного квантования

В реальных системах ИКМ используется неравномерное квантование. Неравномерное квантование - уменьшение наклона характеристики  путем уменьшения величины шагов квантования для малых мгновенных значений сигнала за счет увеличения шагов для больших значений.

При неравномерном кодировании используются 8-ми разрядные коды, т.е. число уровней квантования равно 256.

Сжатие динамического диапазона осуществляется при помощи А - или m - характеристики компрессирования. В нашем случае используется характеристика компрессии , которая описывается следующим выражением:

Рис. 5.2.2. Характеристика компрессии

В ЦСП применяются сегментные неравномерные характеристики квантования, т.к. они достаточно просто реализуются на цифровой основе. Характеристика симметрична относительно 0, положительна и отрицательная ее ветви состоят из 8-ми сегментов, каждый сегмент поделен на 16 одинаковых шагов (внутри каждого сегмента квантование равномерное).

Сегменты аппроксимируют гладкую кривую характеристики компрессирования типа А. в нулевом и в первом сегменте шаг минимален, а в каждом последующем сегменте величина шага удваивается по отношению к предыдущему.

Для 2-7 сегментов:

где i - номер сегмента.

Начало графика - наклонная прямая - соответствует нулевому и первому сегментам. Это зона равномерного квантования, поэтому защищенность возрастает пропорционально увеличению уровня сигнала. При переходе ко второму сегменту защищенность скачком уменьшается на 6 дБ. При достижении верхней границы 7 сегмента наступает зона перегрузки.

5.3 Инструментальные шумы

В процессе преобразования аналогового сигнала в цифровой в оконечном оборудовании появляются шумы, определяемые отклонением характеристик преобразователя от идеальной. Указанные отклонения вызываются ограниченным быстродействием и конечной точностью работы отдельных узлов, изменением параметров преобразователей при колебаниях температуры, старении приборов и т.п. Уровень инструментальных шумов возрастает при увеличении скорости передачи и разрядности кода.

Соотношение между шумами квантования и инструментальными шумами:

 - среднеквадратичное значение приведенной инструментальной погрешности преобразования;

 - разрядность кода.

Для неравномерного квантования:

;

,

Для равномерного квантования:

;

Вывод: при неравномерном квантовании мощность инструментальных шумов на много меньше, чем при равномерном, следовательно, лучше использовать неравномерное квантование.

5.4 Шумы незанятого канала

При отсутствии входных сигналов на входе кодера действуют слабые помехи, к которым относятся собственные шумы и переходные помехи, несбалансированные остатки импульсов и т.д. Если характеристика кодера оказывается смещенной таким образом, что уровень нулевого входного сигнала совпадает с уровнем решения кодера, то помеха с любой сколь угодно малой амплитудой приводит к изменению кодовой комбинации. В этом случае выходной сигнал декодера представляет собой импульсы прямоугольной формы с размахом (- величина минимального шага квантования) и со случайными моментами перехода через ноль. Возникающие при этом шумы, называются шумами незанятого канала. Несмотря на небольшую величину, эти шумы как бы не «маскируются» сигналом, что заметно для абонентов.

Защищенность от шумов незанятого канала должна быть не менее:

где, , а  - пик-фактор сигнала,  - минимальный шаг квантования при равномерном и неравномерном квантовании.

 дБ

Равномерное квантование:

 дБ

Неравномерное квантование:

 дБ

 дБ

Вывод: при неравномерном квантовании защищённость от помех незанятого канала выше на 12.1 дБ, чем при равномерном.

6. Нормирование качества передачи информации по ОЦК в соответствии с рекомендацией МСЭ-Т G. 821

В соответствии с рекомендацией МСЭ-Т G.821 для ОЦК на международном соединении вводятся следующие требования к параметрам качества:

А - при оценке в одноминутных интервалах не менее, чем 90% измерений должно быть не более 4-х ошибок;

Б - при оценках в односекундных интервалах не менее, чем в 99,8% измерений должно быть не больше 64-х ошибок;

В-при оценках в односекундных интервалах не менее, чем 92% измерений ошибки должны отсутствовать.

Рекомендуемое общее время оценки канала - один месяц.

Исходя из этих норм, можно рассчитать требования к параметрам качества (А, Б и В) на отдельных участках номинальной цепи ОЦК ВСС, воспользовавшись выражением:

, где

 - допустимое значение соответствующего параметра качества, указанного в рекомендации G.821%;

 - часть общих норм на параметры качества, отведенная на данный участок номинальной цепи ОЦК ВСС, % (для магистрального участка , для внутризонового участка , а для местного участка ).

Таблица 6.1. Требования к параметрам качества

Расчет значений параметров качества для конкретной линии протяженностью l км можно произвести по формуле:

где  - номинальная протяженность соответствующего участка сети

Местный участок сети:

Для местного участка сети :

Внутризоновый участок:

Для внутризонового участка сети :

Магистральный участок:

Для магистрального участка сети :

Вывод: параметры рекомендации G.821 выполняются на всех участках. Все каналы удовлетворяют требованиям к параметрам качества и могут использоваться в международных соединениях.

7. Комплектация необходимого оборудования

Местный участок (ИКМ-120)

САЦО - стойка аналого-цифрового оборудования;

СОЛТ - стойка оборудования линейного тракта;

НРПГ-8 - необслуживаемый регенерационный пункт, устанавливаемый в грунт.

Внутризоновый участок (ИКМ-480)

СТВГ - стойка вторичного временного группообразования;

Магистральный участок (ИКМ-1920)

СЧВГ - стойка четверичного временного группообразования;

СЛЦО-ТС - стойка аналого-цифрового преобразования сигналов телевизионного вещания на 1 канал тел. вещания;

СДЦ - стойка дистанционного питания

Список литературы

1. Азбукина О.Г., Калабекьянц Н.Э. «Проектирование цифровых систем передачи», - Учебное пособие/МТУСИ. - М., 2007. - 43 с.

2.      Гордиенко В.Н., Крухмалёв В.И. «Основы построения телекоммуникационных систем и сетей». - М.: Горячая линия-Телеком, 2004.

.        Гордиенко В.Н., Тверецкий М.С. «Многоканальные телекоммуникационные системы» - М.: Горячая линия - Телеком, 2013.