Системи передавання інформації

У сучасних мережах і лініях зв’язку серед різноманітних типів послуг основний тип – це телефонні послуги. Як відомо, телефонний канал займає смугу біля 4 кГц. Проте в аналоговому вигляді він передається тільки від абонента до АТС і назад. По лініях, що з’єднують АТС міськими, зонними, магістральними каналами повідомлення (в ідеалі) передаються в цифровому вигляді. Після перетворення завдяки ІКМ аналоговий сигнал перетворюється на потік бітів з швидкістю передавання 64 кбіт/с. Канал, в якому передається такий потік, як відомо, отримав назву “Основного цифрового каналу” (ОЦК) або (DS0) за міжнародною класифікацією.

Формування групових цифрових сигналів, призначених для передавання лінією зв’язку, здійснюється методом лінійного кодування. Для цього використовують низку двійкових кодів, основні з яких такі: 1b2b, ADI, AMI, B3Z9, B6Z9, B6ZS, B8ZS, CMI, HDB2, HDB3, mBnB, NRZ, RZ, Miller code.

Сьогодні найбільш вживані коди в електричних системах зв’язку: HDB3 і АМІ.

У відповідності до норм ITU-T та ДОСТ на таких лініях зв’язку в європейських країнах і країнах Латинської Америки передається 30 (основних) каналів DS0. Крім цього, в груповому лінійному потоці додатково передаються ще два додаткових канали сигналізації та керування. Отже, кількість передаваних каналів дорівнює 32. Добуток кількості каналів (32) на швидкість каналу DS0 (64 кбіт/с) дає швидкість передавання групового цифрового потоку, яка дорівнює 2048 кбіт/с (2.048 Мбіт/с). У США і Канаді аналогічний канал має швидкість 1544 кбіт/с (24 канали DS0). Якщо початковий цифровий канал (64 кбіт/с) отримав назву (ОЦК), то груповий канал із швидкістю 2048 (1544) кбіт/с отримав називають первинним цифровим каналом (ПЦК або DS1).

Очевидно, що кількість телефонних каналів, яка дорівнює 30 (24), особливо при передавання даних зоновими, а тим більш магістральними лініями зв’язку недостатня. Тому міжнародними угодами було встановлено, що швидкість передавання ПЦК і кожного каналу наступного порядку може бути збільшена за допомогою мультиплексування з коефіцієнтом, кратним 4. Якщо використовувати, наприклад, метод часового мультиплексування з новою більш високою (в 4 рази) ) тактовою частотою, отримаємо низку швидкостей передавання інформації: 2048, 8448, 34368, 139264, 564992 кбіт/с. Зауважимо, що значення цих швидкостей не точно кратні 4. Це пояснюється тим, що для ідентифікації груп, каналів (або блоків, пакетів) вводяться додаткові біти, які порушують вказану вище кратність. Разом з тим за кількістю основних каналів кратність зберігається чітко: 30, 120, 480, 1920, 7680. Перераховані швидкості утворюють ієрархічний ряд або цифрову ієрархію. Для країн Європи і Латинської Америки кожна цифрова ієрархія отримала своє позначення:

- Первинна цифрова ієрархія – ПЦІ (2048 кбіт/с) – Е1;

- Вторинна цифрова ієрархія – ВЦІ (8448 кбіт/с) – Е2;

- Третинна цифрова ієрархія – ТЦІ (34368 кбіт/с) – Е3;

- Четвертинна цифрова ієрархія – ЧЦІ (139264 кбіт/с) – Е4;

- П’ятиринна цифрова ієрархія – ПТЦІ (564992 кбіт/с) – Е5.

Зауважимо, що в перерахованих ієрархіях швидкостей передавання тактові частоти сусідніх рівнів, а тим більше віддалених, не обов’язково повинні бути синхронізовані. Крім цього, можуть не збігатися частоти мультиплексованих каналів. Разом з тим, вони дуже близькі за значенням і можуть входити до смуги захвату каналу синхронізації, тобто вони майже або начебто синхронні. Такі системи отримали назву плезіохронних (плезіо – майже) цифрових систем передавання, а відповідна цифрова ієрархія – плезіохронна цифрова ієрархія (ПЦІ або PDH).

Вищезазначені системи ПЦІ були спочатку розроблені для ліній зв’язку, в яких середовищем розповсюдження групових сигналів були або електричний (металевий) коаксіальний кабель, або радіорелейні лінії. Для таких ліній передавання була розроблена відповідна апаратура для ієрархій Е1-Е4. У таких лініях внаслідок малої смуги пропускання та великого затухання кабелів довжина регенераційної ділянки для Е1-Е2 не перевищувала 5 км, а для Е4 – 1.5-2 км. Такі лінії були дуже дорогі й широкого розповсюдження не отримали, кажучи вже про лінії зв’язку типу Е5, де довжина регенераційної ділянки менше 1.5 км. Додамо, що це не єдина причина, завдяки якій лінії ієрархії Е4-Е5 не отримали широкого розповсюдження. Друга не менш важлива причина пов’язана з особливостями плезіохронної системи передавання. Відсутність жорсткої синхронізації тактових частот різних рівнів Е1-Е5, а також додавання або відбирання вставок (стаффінгів) у вигляді додаткових бітів у відповідний код для вирівнювання кодових комбінацій приводить до неможливості виділення каналу DS0 або DS1 з потоку на довільному проміжному пункті зонової, або магістральної лінії, вищого рівня (наприклад, рівня Е3 або Е4) без повного демультиплексування групового потоку. Якщо для рівня Е2 ця задача нескладна і вартість апаратури, що виконує таку задачу збільшується неістотно, то для рівня Е3 вартість аналогічних пристроїв зростає суттєво, для рівнів Е4-Е5 у зв’язку з необхідністю різкого підвищення швидкодії електронних пристроїв ця вартість зростає до непомірних величин.

Отже, застосування оптичного волокна як носія, а світла як основи інформаційного сигналу дозволило багатократно збільшити довжину регенераційних ділянок. Для Е1-Е2 така довжина складає величину до 200 км, для Е3-Е4 – близько 100 км. Завдяки цьому вартість плезіохронних систем передавання суттєво знизилася, внаслідок чого такі системи з ВОЛЗ набувають все більш широкого розповсюдження.

Природно, що при проектуванні (плануванні) систем з ВОЛЗ необхідно враховувати особливості, які виникають внаслідок специфічності фізичних процесів, що відбуваються у волокні. Одна з таких особливостей пов’язана з вибором лінійного двійкового коду.

Зауважимо, що код HDB3, який поступає на вхід електричної апаратури ВОЛЗ, стиковий.

На рисунку 4.0.1 наведена узагальнена структурна схема однопрольотної (тобто без проміжних пунктів) ВОЛЗ із передаваннею в один бік.

Рис. 4.0.1. Узагальнена структурна схема однопрольотної ВОЛЗ

1 – електронні мультиплексори основних інформаційних потоків рівня DS0 в інформаційний потік рівня DS1 у коді HDB3; 2 - електронний мультиплексор і перетворювач коду HDB3 в лінійний код; 3 – блок узгодження (накачування) випромінювача 4 із виходом пристрою перетворення коду 2; 4 – випромінювач; 5 – блок стабілізації оптичної потужності та температури випромінювача; 6 – ФП; 7 – джерело електричної напруги зміщення для ФП; 8 – широкосмуговий підсилювач електричного сигналу; 9 – перетворювач лінійного коду у коди рівня DS1 і демультиплексор; 10 – демультиплексори сигналів в коді рівня DS1 у сигнали рівня DS0; 11,13 - оптичні розніми; 12 – оптичний кабель

Найбільш вживані лінійні коди (рис. 4.0.2)

І. Код NRZ (Non Return to Zero, рис. 4.0.2а)

Утворення коду дуже просте „1” кодується як „1”, „0” кодується як „0”. Код NRZ може бути використаний у ВОСП але практично не використовується в електричних лініях зв’язку.

Особливості та недоліки:

· Постійна складова, зумовлена імовірністю появи „1”. Завдяки цьому крім передавання сигналів подається напруга живлення. На виході кола розділяють за допомогою трансформатора.

· Можливий збій за синхронізацією по „0” при великій кількості „0”, що слідують неперервно (лінія мовчить), або аналогічно за „1”.

ІІ. Код mBnB код з надлишковістю.

Код типу 1В2В (RZ – Return to Zero, рис. 4.0.2b). „1” кодується послідовністю „10”, „0” кодується за допомогою послідовності „00”. Код може бути використаний у ВОСП при відносно малих швидкостях передавання (до 140 Мбіт/с).

Особливості та недоліки:

1. Знімається збій за синхронізацією по „1”.

2. Вдвічі підвищуються вимоги до швидкості передавання.

ІІІ. Код HDB3 (High Density Bipolar of order 3, рис. 4.0.2c).

Код HDB3 один з найбільш вживаних в провідних лініях зв’язку з швидкістю передавання до 34 Мбіт/с. Застосовується згідно з рекомендаціями ITU-T G.703 ієрархій ПЦІ Е1, Е2 і Е3. Одиниці двійкової послідовності передаються імпульсами, полярність яких змінюється на протилежну при передаванні кожної наступної одиниці (або нуля), тобто одиниці передається чергуванням „+1”, „–1”. При передаванні послідовності з „0”, кількість яких більше ніж 3 передається одиничний імпульс тієї ж полярності, що і попередня одиниця. Отже як наслідок:

1. Знімається збій за синхронізацією як по „0”, так і по „1”.

2. Цей коди не містить постійної складової. Отже середній рівень сигналу близький до нуля. що задовольняє вимогам, які висуваються при виборі коду для електричної лінії передавання.

3. Проте на відміну від електричного кабелю, по якому можна передавати імпульси струму як додатної, так і від’ємної полярностей, по оптичному волокну можна передавати оптичні імпульси, які не мають від’ємних значень. Тому такий код є стиковим для електричної апаратури ВОСП і не може бути безпосередньо використаний в ВОСП, внаслідок його біполярності.

ІV. при передаванні двополярного коду HDB3 по оптичному волокну за допомогою імпульсів оптичного випромінювання на одній довжині хвилі ці коди перетворюються в однополярні з постійною складовою. Послідовність імпульсів типу коду HDB3 бути реалізована при піднятті нульового сигналу до певного рівня (рис. 4.0.2d).

Застосування цього коду в лініях ВОЛЗ недоцільно з таких причин:

1. потужність сусідніх імпульсів типу „11” у два рази менше від максимальної потужності, яка випромінюється оптичним джерелом. Це еквівалентно втраті потужності у два рази (3 дБ);

2. наявність постійної складової вимагає стабілізації робочої точки на ват-амперній характеристиці лазера, що ускладнює конструкцію передаючого оптичного модуля;

3. залежність величини від статистики кодових модуляцій приводить до виникнення паразитної змінної складової, яка в результаті також знижує енергетичний потенціал лінії;

4. наявність постійної складової еквівалентна деякій фоновій засвітці. Як наслідок з’являється додатковий шум у фотоприймачі при прийомі такого сигналу. Отже, зменшується відношення сигнал/шум.

V. Одним із розв’язків цієї проблеми є застосування для кодування випромінювання двох довжин хвиль (рис. 4.0.2e). Додатні імпульси кодуються як імпульси з довжиною хвилі , від’ємні – як імпульси з довжиною хвилі . Такий спосіб передавання імпульсів протилежної полярності можна назвати хвильовим кодуванням.

VI. У сучасних ВОЛЗ, призначених для передавання інформації для ПЦІ Е1-Е3, застосовують перетворення коду HDB3 в інший, більш вигідний для застосуванні в оптичних системах. Найчастіше це лінійні коди СМІ (Coded Mark Inversion) (рис. 4.0.2f), або АМІ (Alternate Mark Inversion) (рис. 4.0.2g), оптимізовані до оптичного тракту.

Недолік, той самий, що і у попередніх - застосування таких кодів вимагає двократного збільшення тактової частоти та смуги частот.

У більш швидкісних системах типу ПЦІ Е4 застосовують коди 5В6В, 10B1P1R та ін.

VII. В локальних та бортових обчислювальних системах досить часто зустрічаються так звані коди Манчестера – біімпульсний BI-L та біфазний BI-M. В біфазному коді (рис. 4.0.2і) при передаванні „1” зберігається послідовність чергування імпульсів „0” та „1”, тоді як при передаванні „0” порядок їх чергування змінюється на зворотній