1.3. Принципы синхронизации в цсп

В ЦСП с ВРК правильное восстановление исходных сигналов на приеме возможно только при синхронной и синфазной работе генераторного оборудования на передающей и приемной станциях (ГО_ПЕР и ГО_ПР). Учитывая принципы формирования ГЦС, для нормальной работы ПЦСП должны быть обеспечены следующие виды синхронизации: тактовая, цикловая и сверхцикловая.

Тактовая синхронизация обеспечивает синхронность, т. е. равенство скоростей обработки цифровых сигналов в линейных и станционных регенераторах, кодеках и других устройствах ЦСП, осуществляющих обработку сигнала с тактовой частотой F_Т.

Цикловая синхронизация обеспечивает синфазность, т. е. правильное разделение и декодирование кодовых групп цифрового сигнала и распределение декодированных отсчетов по соответствующим каналам в приемной части аппаратуры.

Сверхцикловая синхронизация обеспечивает на приеме правильное распределение СУВ по соответствующим телефонным каналам.

Нарушение хотя бы одного из видов синхронизации приводит к потере связи по всем каналам ЦСП.

На рис. 4, а) показано временное распределение циклов в сверхцикле, формируемом на передаче. При наличии тактовой, цикловой и сверхцикловой синхронизации на приеме временное расположение циклов и сверхциклов, определяемое ГО_ПР, соответствует расположению циклов на передаче, т. е. не изменяется. При этом осуществляется правильное разделение информационных сигналов и СУВ по соответствующим телефонным каналам. Рассмотрим случаи нарушения цикловой и сверхцикловой синхронизации (при наличии тактовой).

При нарушении цикловой синхронизации (рис. 4, б) границы циклов на приеме произвольно смещаются по отношению к границам циклов группового сигнала, поступающего на вход приемного оборудования (рис. 4, а). Это приводит к неправильному разделению канальных сигналов и СУВ, т. е. к потере связи по всем каналам. В частном случае (если временной сдвиг ΔТ окажется кратным Т_КИ) может произойти переадресация информации, при которой на выход i-го канала будет поступать информация, относящаяся к некоторому j-му каналу. Очевидно, что нарушение цикловой синхронизации неизбежно приведет к нарушению сверхцикловой синхронизации.

Рис. 4. Временной спектр ПЦСП при нарушении синхронизации

При нарушении сверхцикловой синхронизации, но сохранений тактовой и цикловой границы циклов на приеме и передаче совпадают, но нарушается порядок счета циклов в сверхцикле, т. е. на приеме смещаются границы сверхцикла (рис. 4, в). Это приведет на приеме к неправильному распределению СУВ, передаваемых в определенном порядке в сверхцикле, между телефонными каналами. Поскольку СУВ представляет собой набор сигналов, управляющих работой приборов АТС (набор номера, ответ, отбой, разъединение и др.), нарушение сверхцикловой синхронизации также приведет к потере связи по всем каналам. В частных случаях могут быть установлены случайные соединения абонентов, разрушены ранее установленные связи и т. п.

Очевидно, что нарушение тактовой синхронизации сделает невозможным установление цикловой и сверхцикловой синхронизации, т. к. обработка символов группового цифрового сигнала с частотой, отличной от тактовой F_Т, приведет к недопустимому возрастанию числа ошибок.

Система тактовой синхронизации включает в себя (рис. 5) задающий генератор (ЗГ), входящий в состав ГО передающего оборудования оконечной станции (Пер) и вырабатывающий импульсную последовательность с тактовой частотой F_Т, и устройства выделения тактовой частоты (УВТЧ), устанавливаемые в том оборудовании, где осуществляется обработка сигнала с тактовой частотой (F_Т): в линейных регенераторах (РЛ), приемном оборудовании (Пр) оконечной станции и др. (см. рис. 1).

Рис.5. Структурная схема тактовой синхронизации

Рис.6. Принцип выделения тактовой частоты

Сущность одного из наиболее распространенных методов выделения F_Т состоит в том, что из спектра ГЦС с помощью УВТЧ, содержащего высокодобротные резонансные контуры, фильтры-выделители или избирательные усилители, выделяется тактовая частота. Энергетический спектр случайной униполярной последовательности импульсов, т. е. спектр униполярного цифрового сигнала, содержит как непрерывную G_Н(f), так и дискретную G_Д(f) составляющую. На рис. 6 приведен энергетический спектр униполярного цифрового сигнала при скважности следования импульсов, равной 2, и показано, что с помощью фильтра-выделителя можно выделить первую гармонику частоты следования импульсов, т .е. тактовую частоту (F_Т), являющуюся одной из составляющих дискретной части спектра.

Такой способ выделения F_Т называется способом пассивной фильтрации (или резонансным). Этот способ характеризуется простотой реализации УВТЧ, но имеет существенный недостаток, а именно стабильность выделения F_Т зависит от стабильности параметров фильтра-выделителя и структуры цифрового сигнала (при появлении длинных серий нулей или при кратковременных перерывах связи затрудняется процесс выделения тактовой частоты).

Целесообразным для высокоскоростных ЦСП, но более сложным, является способ тактовой синхронизации с применением устройств автоподстройки частоты генератора тактовой частоты приемного оборудования (способ активной фильтрации).

Цикловая синхронизация (ЦС) осуществляется следующим образом. На передающей станции в состав ГЦС в начале цикла передачи (обычно в КИ 0) вводится цикловой синхросигнал, а на приемной станции устанавливается приемник синхросигнала (ПСС), который выделяет цикловой синхросигнал из ГЦС и тем самым определяет начало цикла передачи. Очевидно, что цикловой синхросигнал должен обладать определенными отличительными признаками, в качестве которых используется заранее определенная и неизменная структура синхросигнала (например, «0011011» для ЦСП ИКМ-30), а также периодичность следования синхросигнала на определенных позициях цикла (например, в КИ 0 через цикл для ЦСП ИКМ-30). В силу случайного характера информационных сигналов ГЦС такими свойствами не обладает.

К системе ЦС предъявляется ряд требований, в частности:

• время вхождения в синхронизм при первоначальном включении аппаратуры и время восстановления синхронизма при его нарушении должно быть минимально возможным;

• ПСС должен обладать высокой помехоустойчивостью;

• число символов синхросигнала и частота повторения должны быть минимально возможными.

Эти требования противоречивы, поэтому требуются компромиссные решения.

Время восстановления синхронизма должно быть минимальным (обычно не более нескольких миллисекунд), т. к. помимо того, что сбой синхронизма приводит к потере связи, т. е. к ухудшению качества передачи, возможны нарушения работы каналов передачи СУВ, что может, например, привести к разъединению абонентов. Сокращение времени восстановления синхронизма, в частности, может быть достигнуто за счет увеличения числа символов синхросигнала и частоты его повторения, но это неизбежно приведет либо к сокращению информационной части цикла передачи, либо к увеличению скорости передачи группового цифрового сигнала. Чаще всего используется многоразрядный синхросигнал, все символы которого передаются в виде единой синхрогруппы (сосредоточенный синхросигнал).

Когда речь идет о помехоустойчивости ПСС, имеется в виду защита, как от установления ложного синхронизма, так и от ложного выхода из состояния синхронизма. Это обеспечивает наибольшее среднее время между сбоями синхронизации и может быть достигнуто за счет принятия того или иного решения после анализа ситуации в течение некоторого периода времени, а, следовательно, приведет к возрастанию времени восстановления синхронизма.

Рассмотрим принципы работы ПСС со скользящим поиском (рис. 7), который выполняет следующие основные функции:

• установление синхронизма после включения системы в работу;

• контроль за синхронным состоянием системы в процессе работы;

• обнаружение сбоя синхронизма;

• восстановление состояния синхронизма после каждого сбоя.

Рис. 7. Структурная схема приемника синхросигнала

Основные узлы ПСС: опознаватель, анализатор и решающее устройство.

Опознаватель содержит регистр сдвига, число разрядов которого совпадает с числом символов в синхросигнале, и дешифратор (Дш) для дешифрации синхросигнала заданной структуры. Как только в регистре сдвига, на вход которого поступает ГЦС, оказывается записанной кодовая комбинация, совпадающая по структуре с принятой структурой синхросигнала, на выходе опознавателя появляется импульс.

Анализатор с помощью контрольного сигнала, поступающего от Г0_ПР, проверяет соответствие момента появления импульса на выходе опознавателя ожидаемому моменту появления синхросигнала, т. е. осуществляется проверка по периоду следования и времени появления синхросигнала.

Появление импульса на выходе схемы запрета означает отсутствие синхросигнала (сигнала с выхода Дш) в момент поступления контрольного импульса от ГО_ПР, а появление импульса на выходе схемы И₁ означает совпадение по времени синхросигнала и контрольного сигнала от ГО_ПР.

Решающее устройство оценивает выходные сигналы анализатора по определенному критерию, принимает решение о наличии или отсутствии синхронизма и управляет работой ГО_ПР в процессе вхождения в синхронизм. Решающее устройство содержит накопитель по выходу из синхронизма (n₂) и накопитель по входу в синхронизм (n₁), представляющие собой двоичные счетчики со сбросом.

Накопитель по входу в синхронизм, вход которого соединен с выходом схемы И₁ обеспечивает защиту ПСС от ложного вхождения в синхронизм в режиме поиска синхросигнала, когда на вход опознавателя поступают случайные комбинации цифрового группового сигнала, совпадающие по структуре с синхросигналом. Обычно емкость накопителя по входу в синхронизм (n₁) составляет 2-3 разряда.

Накопитель по выходу из синхронизма, вход которого соединен с выходом схемы запрета анализатора, обеспечивает защиту от ложного выхода из состояния синхронизма, когда из-за ошибок в линейном тракте или по другим, причинам происходит кратковременное изменение структуры синхросигнала. Обычно емкость накопителя по выходу из синхронизма (п₂) составляет 4…6 разрядов.

Рассмотрим работу приемника синхросигнала. Если система находится в режиме синхронизма, то накопитель по входу в синхронизм будет заполнен, поскольку на выходе схемы И₁ регулярно появляются импульсы, подтверждающие, совпадение, моментов поступления импульсов с выхода опознавателя и контрольных импульсов от ГО_ПР. Накопитель по выходу из синхронизма опустошается. Импульсы на выходе опознавателя, соответствующие случайным комбинациям со структурой, аналогичной структуре синхросигнала, не влияют на работу ПСС, т. к. как не совпадают по времени с контрольными импульсами от ГО_ПР.

Например, в результате ошибок в одном из циклов будет искажен синхросигнал, тогда на выходе опознавателя в нужный момент импульс не появится. В результате этого с выхода схемы запрета в накопитель по выходу из синхронизма (n₂) поступит импульс. Однако схема остается в прежнем состоянии, поддерживая ранее установленное состояние синхронизма. Только в том случае, если будут искажены п₂ синхросигналов подряд, т. е. когда полностью заполнится накопитель по выходу из синхронизма (n₁), будет принято решение о выходе системы из состояния синхронизма. При этом если накопитель по входу в синхронизм (n₁) будет заполнен раньше накопителя по выходу из синхронизма (n₂), то последний будет сбрасываться в исходное нулевое положение. Таким образом, обеспечивается защита от ложного выхода из синхронизма при кратковременных искажениях синхросигнала.

При длительном нарушении синхронизма накопитель по выходу из синхронизма (n₂) оказывается заполненным и принимается решение о действительном выходе системы из состояния синхронизма. Начинается поиск нового состояния синхронизма. В этом случае первый же импульс от опознавателя через открытый элемент И₂ переводит ГО_ПР и накопитель по входу в синхронизм (n₁) в исходное нулевое состояние, а накопитель по выходу из синхронизма (n₂) – в состояние, соответствующее (n₂-1)-му импульсу, т. е. уменьшает его содержимое на 1. Если в следующем: цикле моменты появления импульса на выходе опознавателя и импульса от ГО_ПР не совпадают (это означает, что синхрогруппа оказалась ложной), то вновь заполняется накопитель по выходу из синхронизма (n₂), открывается схема И₂ и очередной импульс от опознавателя вновь устанавливает ГО_ПР и накопители в указанное ранее состояние. Таким образом, обеспечивается защита от ложного установления синхронизма. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на выходе опознавателя не появляется импульс, соответствующий истинному синхросигналу. В этом случае через n₁ циклов, заполняется накопитель по входу в синхронизм, сбрасывается в нулевое состояние накопитель по входу в синхронизм, сбрасывается в нулевое состояние накопитель по выходу из синхронизма, схема И₂ закрывается, т. е. устанавливается новое состояние синхронизма.

Из анализа работы ПСС следует, что процесс восстановления синхронизма содержит три последовательно выполняемых этапа:

• обнаружение выхода из синхронизма;

• поиск синхросигнала;

• подтверждение нового состояния синхронизма.

Тогда время восстановления синхронизма будет равно:

t_В = t_{Н. ВЫХ} + t_П + t_{Н. ВХ},

где: t_{Н. ВЫХ} – время заполнения накопителя по выходу из синхронизма (n₂);

t_П – время поиска синхросигнала;

t_{Н. ВХ} – время заполнения накопителя по входу в синхронизм (n₁).

Недостатки рассмотренного способа построения ПСС следующие:

• во-первых, поиск синхросигнала начинается только после окончания процесса заполнения накопителя по выходу из синхронизм (n₂), т. е. через t_Н. ВЫХ, что приводит к увеличению времени восстановления синхронизма t_В.

• во-вторых, емкости накопителей по входу в синхронизм и выходу из синхронизма (n₁ и п₂) фиксированы, что не позволяет добиваться оптимальных соотношений между временем восстановления синхронизма (t_В) и помехоустойчивостью. Если вероятность ошибок в линейном тракте (Р ) увеличивается (по сравнению с расчетной величиной), то время удержания состояния синхронизма оказывается меньше требуемого. Однако при уменьшении Р возникает запас по времени удержания синхронизма, что свидетельствует о необоснованном увеличении времени восстановления синхронизма.

Первый недостаток может быть устранен, если процессы накопления по выходу из синхронизма и поиска синхросигнала осуществлять параллельно. Для этого схему ПСС (рис. 7), необходимо дополнить схемой поиска синхросигнала, содержащей собственный анализатор и решающее устройство. Эта схема начинает работать при появлении первого же импульса на входе накопителя по выходу из синхронизма, т.е. не дожидаясь его заполнения, и осуществляет поиск нового состояния синхронизма. Генераторное оборудование будет сохранять предыдущее состояние до тех пор, пока не будет зафиксировано новое состояние синхронизма.

Второй недостаток может быть устранен, если емкости накопителей (n₁ и п₂) сделать величинами переменными, зависящими от Р . При понижении Р уменьшается емкость накопителя по выходу из синхронизма (п₂), а при увеличении Р уменьшается емкость накопителя по входу в синхронизм (n₁). Такие ПСС называются адаптивными и широко применяются в высокоскоростных отечественных ЦСП.

Работа системы сверхцикловой синхронизации, как и работа системы ЦС, основана на передаче сверхциклового синхросигнала (СЦС) в одном из циклов сверхцикла (обычно в Ц 0). Работа приемника сверхциклового синхросигнала практически не отличается от работы приемника циклового синхросигнала. При этом приемник сверхциклового синхросигнала работает в несколько облегченном режиме, т. к. установление сверхциклового синхронизма осуществляется после установления синхронизации по циклам, т. е. когда определены границы циклов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов / В.И.Иванов, В.Н.Гордиенко, Г.Н.Попов и др.; Под ред. В.И.Иванова. – 2-е изд. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 232с.

2. Баева Н.Н. Многоканальная электросвязь и РРЛ: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1988. – 312с.

3. Системы электросвязи: Учебник для вузов/ В.П.Шувалов, Г.П.Катунин, Б.И.Крук и др.; Под ред. В.П.Шувалова. – М.: Радио и связь, 1987. – 512с.