Основные функциональные узлы цифровых систем передачи с ИКМ-ВРК

Лекция 4. Основные функциональные узлы цифровых систем передачи с ИКМ-ВРК

 

4.1 Канальные амплитудно-импульсные модуляторы и селекторы

 

Канальные амплитудно-импульсные модуляторы и селекторы (КАИМ-КС) являются основными элементами индивидуального АИМ тракта передачи и приема и представляют собой электронные ключи ЭК (рисунок 4.1), срабатывающие от управляющих импульсов амплитудой , следующих с частотой дискретизации , длительность которых меньше периода следования-дискретизации , т.е. скважность .

Основные требования, предъявляемые к КАИМ-КС, сводятся к следующему:

- формирование коротких периодических импульсов-отсчетов из аналогового входного сигнала (обычно первичного);

- сохранение значений этих сигналов в течение заданного промежутка времени;

- малое сопротивление в замкнутом состоянии и большое сопротивление в разомкнутом;

- достаточное подавление импульсного управляющего напряжения ,. Проникновение на выход КАИМ импульсов дискретизации приводит к изменению произвольным образом импульсов отсчетов на входе кодера и росту погрешностей при выполнении операций квантования и кодирования, что вызывает увеличение шумов в каналах;

 

Рисунок 4.1 - Электронный ключ - аналог КАИМ-КС

 

- быстродействие, так как от длительности переднего и заднего фронтов импульсов отсчетов зависит величина переходных помех 1-го и 2-го рода;

- величина затухания, вносимого КАИМ-КС в тракт передачи АИМ сигналов, жестко нормируется, что требует применения специальных методов дискретизации и демодуляции;

- переходные влияния и шумы, вносимые КАИМ-КС в тракты передачи и приема, должны быть минимальными. Обычно суммарная величина эффективного напряжения этих шумов и помех не должна превышать 0,1 величины минимального шага квантования;

-амплитудная характеристика КАИМ-КС должна быть достаточно линейна, так как нелинейность амплитудной характеристики приводит к искажению формы импульсов отсчетов в широком динамическом диапазоне.

 

4.2 Кодеры и декодеры с линейной шкалой квантования

 

Кодеры цифровых систем передачи с ИКМ-ВРК предназначены  для преобразования АИМ сигналов после их квантования в цифровую форму. Операции квантования и кодирования в современных ЦСП с ИКМ-ВРК обычно совмещаются. Если квантование осуществляется с постоянным шагом (равномерное), то такие кодеры называются кодерами с линейной шкалой квантования, если же шаг квантования изменяется (нелинейное квантование), то такие кодеры называются кодерами с нелинейной шкалой квантования. В ЦСП с ИКМ применяются кодеры с нелинейной шкалой квантования, но при их построении на первой ступени кодирования используются кодеры с линейной шкалой квантования. Поэтому вначале рассмотрим принципы построения и функционирования кодеров с линейной шкалой квантования.

Различные типы кодеров, использующихся в ЦСП с ИКМ-ВРК, по принципу их действия разделяют  на три группы:

- с преобразованием кодируемой величины во временной интервал (кодеры последовательного счета);

- поразрядного сравнения (взвешивающие кодеры);

- с кодовым полем (матричные кодеры).

 

4.3 Генераторное оборудование цифровых систем передачи

4.3.1 Общие принципы построения генераторного оборудования

 

Для работы функциональных блоков ЦСП с временным разделением каналов на всех этапах цифровой обработки сигналов, мультиплексирования и демультиплексирования цифровых потоков, формирования линейного цифрового сигнала, обеспечения синхронной работы оконечного оборудования требуются определенного вида управляющие сигналы, параметры которых строго регламентированы во времени. Формирование управляющих сигналов осуществляется генераторным оборудованием (ГО), которое выполняется отдельно для передающей ГО_пер и приемной ГО_пр частей оконечных станций.

Генераторное оборудование обеспечивает формирование и распределение импульсных последовательностей, управляющих процессами дискретизации, кодирования-декодирования, временного группообразования, ввода-вывода символов служебных сигналов на определенные позиции цикла передачи и т. д. От ГО необходимо получить импульсные последовательности со следующими основными частотами:

- частотой дискретизации (обычно равной 8 кГц);

- тактовой частотой первичного цифрового потока (ПЦП), равной:

 

 

где - число элементов в кодовой комбинации, - число канальных интервалов ПЦП и равной:

 

 

- частотой следования кодовых комбинаций (канальных интервалов), равной ;

- тактовыми частотами цифровых потоков более высокого порядка, получаемыми в результате объединения определенного числа цифровых потоков более низкого порядка.

Рассмотрим  построение ГО первичной цифровой системы, для которой необходимые импульсные последовательности можно получить путем деления тактовой частоты, получаемой от высокостабильного автономного задающего генератора ЗГ с относительной нестабильностью не хуже (рисунок 4.2). На выходе ЗГ формируется гармонический высокостабильный сигнал с частотой, обычно равной или кратной тактовой частоте ;. Формирователь тактовой последовательности ФТП вырабатывает основную последовательность импульсов с частотой следования , Импульсы тактовой последовательности используются при выполнении операций кодирования и декодирования, формирования и обработки линейного цифрового сигнала.

Делитель разрядный ДР формирует импульсных последовательностей Число разрядных импульсов, формируемых ДР, равно числу разрядов кодовой комбинации, а частота их следования для равна . Импульсные последовательности с выхода ДР используются для правильного определения каждого разряда кодовой комбинации, при выполнении операций кодирования и декодирования, а также при формировании группового ИКМ сигнала, когда необходимо выделить временные интервалы для передачи соответствующих позиций синхроимпульсов, сигналов управления и взаимодействия и различного вида сервисных сигналов.

Делитель канальный ДК формирует управляющие канальные импульсы последовательности . Частота следования КИ равна частоте дискретизации .

 

Рисунок 4.2 - Структурная схема ГО передачи

 

Делитель цикловой ДЦ служит для формирования цикловых импульсных последовательностей , где число циклов в сверхцикле. Для частота следования цикловых импульсов равна .

Обычно предусматривается  несколько режимов работы генераторного оборудования оконечных станций:

- внутренней синхронизации, при котором осуществляется работа от местного высокостабильного автономного ЗГ (рисунок 4.2);

- внешнего запуска, при котором осуществляется работа от внешнего задающего генератора ВЗГ;

- внешней синхронизации,  при котором осуществляется подстройка  частоты местного ЗГ с помощью  фазовой автоматической подстройки  частоты (ФАПЧ), управляемой внешним  сигналом.

Наличие установочных входов обеспечивает (при необходимости) возможность подстройки ГО данной станции к работе ГО другой станции, выбранной за ведущую станцию. Как следует из рисунка 4.2, формирование необходимых последовательностей импульсов реализуется делением частоты. Временные диаграммы работы ГО с использованием делителей частоты приведены на рисунке 4.3. На вход делителя разрядных импульсов ДР от формирователя тактовой последовательности поступает периодическая последовательность импульсов. ДР формирует восемь разрядных импульсов . Каждый разрядный импульс сдвинут относительно следующего на тактовый интервал. Интервал следования одноименных разрядных импульсов равен . На рисунке 4.3,а показано положение импульсных последовательностей относительно тактовых. Из любой последовательности формируются управляющие последовательности , определяющие границы канальных интервалов и их временное положение. Расположение КИ относительно разрядных импульсов и тактовой последовательности также видно из рисунка 4.3,а. На рисунке 4.3,б показано расположение импульсов управляющих последовательностей и ; относительно последовательностей а на рисунке 4.3,в - взаимное расположение циклов в сверхцикле.

Схема ГО приема отличается от схемы ГО передачи следующими особенностями, обеспечивающими работу ГО приема синхронно и синфазно с ГО передачей. Во-первых, импульсная последовательность с тактовой частотой будет поступать на вход ДР не от ЗГ, а от выделителя тактовой частоты - ВТЧ. Во-вторых, установка ГО приема по циклу и по сверхциклу осуществляется с помощью сигналов, поступающих от приемника синхросигнала, о чем будет сказано ниже.

 

Рисунок 4.3 - Временные диаграммы работы генераторного оборудования

 

4.3.2 Задающие генераторы

 

Основным  требованием, предъявляемым к задающим генераторам (ЗГ) ЦСП, является стабильность частоты. В то же время они должны иметь возможность перестройки частоты в определенных пределах. Выполнение противоречивых требований обеспечения стабильности частоты ЗГ (в режиме автогенерации) и реализации определенной перестройки учитывается при выборе соответствующей схемы ЗГ. Относительная нестабильность частоты ЗГ должна быть не выше , и поэтому в схемах ЗГ для стабилизации частоты используются кварцевые резонаторы (КР). Частота ЗГ выбирается в целое число большей, чем тактовая частота .

 

Рисунок 4.4 - Принципиальная схема ЗГ на транзисторах

 

Так, например, ЗГ аппаратуры формирования первичного цифрового потока типа ИКМ-30 вырабатывает гармоническое колебание с частотой . Выбор частоты генерации, в 4 раза превышающей тактовую частоту потока, позволяет осуществить почти оптимальное построение ЗГ. В схему ЗГ входят делитель частоты (ДЧ) и формирователь тактовой последовательности (ФТП). В настоящее время ЗГ цифровых систем передачи реализуются как на дискретных (рисунок 4.4), так и на логических элементах (рисунок 4.5).

 

Рисунок 4.5 - Функциональная схема ЗГ на логических элементах

 

Схема ЗГ (рисунок 4.4) представляет двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью, в состав которого входит кварцевый резонатор КР. Режим по постоянному току первого каскада обеспечивается резисторами , второго – резисторами . Для изменения частоты ЗГ в заданных пределах включен варикап VD, управляемый напряжением , которое может изменяться или регулироваться устройством фазовой автоподстройки частоты при работе ЗГ в режиме внешней синхронизации.

Схема ЗГ (рисунок 4.5) состоит из трех инверторов DD1...DD3, сопротивлений R₁ и R₅ обеспечивают перевод элементов D1 и D2 в активный режим. Длительность импульсов можно менять подборкой резисторов R₁ и R₆, сопротивления которых совместно с входной емкостью элемента DD3 образуют цепь временной задержки. Подстройка частоты осуществляется управляемым варикапом VD.

Учитывая, что ЗГ должен работать в режиме как автогенерации, так и внешнего управления частотой в схеме предусматривается возможность переключения режимов. На рисунке 4.6 представлена схема задающего генератора, включающая в себя автогенератор с кварцевой стабилизацией, собственно ЗГ и схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), состоящей из фазового детектора - ФД, фильтра нижних частот - ФНЧ и усилителя постоянного тока, формирующих сигнал управления перестройкой частоты ЗГ.

В режиме автогенерации  устанавливаются перемычки 1 - 2, 4 - 6, а в режиме внешней подстройки частоты - перемычки 2-3, 4 - 6 и 7 - 8. При этом в работу включается схема ФАПЧ, которая сравнивает фазы внешней частоты синхронизации и собственной частоты ЗГ. Если имеются расхождения фаз этих частот, то вырабатывается соответствующий управляющий сигнал, и частота ЗГ подстраивается под частоту синхронизации.

 

Рисунок 4.6 - Схема ЗГ с фазовой автоподстройкой частоты

 

В режиме использования  внешнего генератора устанавливается перемычка 5-6. Работа схемы от местного генератора и работа от внешнего генератора совершенно одинаковы.

В режиме внешней синхронизации схема работает следующим образом: устанавливается перемычка 7-8; частота местного ЗГ и частота от внешнего генератора поступают на фазовый детектор ФД на выходе которого образуется разностный сигнал; ФНЧ выделяет постоянную составляющую этого сигнала, величина которой пропорциональна расхождению частот воздействующих на него сигналов; сигнал с выхода ФНЧ усиливается УПТ, на выходе которого формируется сигнал напряжением , управляющий перестройкой частоты ЗГ (воздействуя, к примеру, на варикап).

 

4.3.3 Делители частоты

 

Схемы делителей различного назначения (разрядных, канальных, циклов и сверхциклов) легко реализуются на основе счетчиков, регистров, дешифраторов и других логических схем.

Функциональная схема  делителя разрядов ДР (для ) с использованием трехразрядного двоичного счетчика на триггерах показана на рисунке 4.7,а.

Реализовать такой ДР можно и применением кольцевого счетчика из восьми триггеров , рисунок 4.7,б. Аналогичным образом можно построить и другие делители. На практике более широкое распространение получил первый вариант, который для своей реализации требует меньшего числа триггеров.

 

Рисунок 4.7 - Функциональные схемы делителей разрядов