Революция в кабельных цифровых системах

Инновационные тенденции развития кабельных
цифровых систем передачи
Мешковский Константин Александрович, доктор технических наук, профессор, академик МАИ,
главный научный сотрудник ООО «Кедах Электроникс Инжиниринг»
Сторожук Николай Леонидович, кандидат технических наук, заместитель генерального
директора НПО «Инженеры электросвязи»
Анализируются причины низкой помехоустойчивости цифровых систем передачи
прошлого столетия. Объясняются основные тенденции в конструировании современных
цифровых систем передачи, превосходящих старые системы, и предлагается новый
вариант их построения
Передача информации на большие расстояния с помощью электрических сигналов, получившая
впоследствии название электросвязь, впервые была осуществлена в виде телеграфии, по
проводной линии обеспечивалась передача цифробуквенной информации. С возникновением
телефонии и ее становлением, как основного средства общения удаленных на большие расстояния
абонентов появились аналоговые системы передач (АСП). На основе этих систем были построены
обширные сети связи. Цифровые системы передачи (ЦСП) появились значительно позже, после
того как речь научились преобразовывать из аналогового вида в цифровой и обратно.
На общегосударственной сети и на многих ведомственных сетях до настоящего времени
используются аналоговые системы передачи К-60П, БК-300, К-1920П, совокупная длина линий
которых составляет многие десятки тысяч километров и перевод их на ЦСП является актуальной
задачей [1].
На основе телеграфной связи происходило развитие техники передачи данных (ПД), что
сопровождалось увеличением объема и скорости, а также повышением достоверности передачи
дискретной информации. Таким образом, в технике ПД получили свое совершенствование и
развитие методы, применяемые изначально в телеграфии. Современная 4-х фазная
дифференциальная манипуляция применяется в протоколе V.26 с 1968 г. Квадратурная
амплитудная модуляция КАМ-16 применяется в протоколе V.29 с 1976 г., а КАМ-256 – в
протоколе V.34 с 1996 г.
ЦСП – это высокоскоростные многоканальные системы, предназначенные для передачи всех
видов информации, преобразованных в дискретную (цифровую) форму и было бы логично, если
бы они воплотили лучшие достижения телеграфии и передачи данных. К сожалению техника ЦСП
проводной связи развивалась без той исторической преемственности, какую имели ПД и
телеграфия, она не впитала всех лучших достижений этих технологий и поэтому в научном плане
отставала от них.
Отечественная промышленность средств связи много десятилетий не справлялась с
требуемыми объемами поставок аппаратуры ЦСП. Технический уровень отечественного
оборудования был невысокий и отставал от высших достижений мирового научно-технического
прогресса. Запрет Комиссии по ограничению ввоза в социалистические страны продукции
двойного назначения (КОКОМ) не допускал поставки в СССР современных цифровых систем
коммутации, высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи, оборудования
общеканальной сигнализации №7 и других передовых телекоммуникационных технологий мира.
Все это привело к значительному отставанию технического уровня сети связи СССР, а теперь и
России от уровня развития телекоммуникаций в странах Западной Европы, США, Японии.
Первые отечественные ЦСП страдали многими техническими недостатками, самый главный из
них состоял в том, что почти все выпускаемые в нашей стране системы были с простейшим
канальным кодированием или вообще без него. А ведь канальный код определяет
помехоустойчивость сигналов и является главным звеном любой системы передачи.
Цифровизация кабельных линий по сравнению, например, с цифровизацией радиорелейных
трактов обладала еще одним существенным недостатком организационного плана. Он состоял в
2
следующем. Переход от аналоговых радиорелейных систем (РРС) к цифровым осуществлялся
постепенно. В специально оборудованных стволах аналоговых РРС осуществлялась передача
цифровых потоков со скоростью 2, 8, 17 и 34 Мбит/с. Для выполнения этой задачи была
разработана специальная аппаратура ОЦФ-2У, ОЦФ-8, ОЦФ-17 и ОЦФ-34. Для подобных
«гибридных» РРС характерно достижение высокого качества передачи сигналов при небольших
капиталовложениях на реализацию тракта и отсутствие необходимости в расширении
используемых полос частот радиоспектра. В настоящее время ЗАО «Радиан» (Санкт-Петербург)
выпускает достаточно большую номенклатуру подобного оборудования: АЦТ-8-4/2, АЦТ-17-8/2,
АЦТ-34-16/2.
Подобные методы передачи цифровых потоков по трактам АСП разрабатывались и в
Советском Союзе, но ведущие организации-разработчики (НПО «Дальняя связь», г. Ленинград) и
ЦНИИС, г. Москва) не договорились о выборе единого метода и каждая из них пошла своим
путем. В результате, не смотря на успешные испытания экспериментальных макетов обеих
организаций, в серийное производство эта аппаратура не была запущена. Однако такая аппаратура
использовалась в зарубежных странах на переходном периоде. В результате всего этого,
цифровизация кабельной сети СССР началась резко, с заменой АСП на не доработанные
должным образом, обладающие многими недостатками ЦСП. Выпущенные за последние три
десятилетия городские, сельские и междугородные проводные ЦСП характеризуются невысоким
качеством работы, малой длиной регенерационных участков и поэтому не экономичны.
Первые отечественные цифровые системы ИКМ-12С, ИКМ-12М, а затем их
модернизированный вариант ИКМ-15 использовали амплитудную манипуляцию в линейном
тракте, т. е. код 1В1В, что означает один двоичный информационный символ «кодируется» одним
двоичным сигналом линейного тракта. Это в чистейшем виде амплитудный телеграф XIX в., такая
передача в теории кодирования именуется как «передача без кодирования». ЦСП ИКМ-30 (1979 г.)
и ИКМ-120А (1983 г.) использовали более совершенную амплитудно-фазовую манипуляцию, так
называемый код ЧПИ (AMI) с чередованием полярности импульсов. Это код типа 1В1Т, что
означает один двоичный информационный символ «кодируется» одним троичным сигналом
линейного тракта, а более точно символ 0 «кодируется» отсутствием импульса в линии, а символы
1 – импульсами чередующейся полярности. По существу это тот же амплитудный телеграф, в
котором благодаря фазовой манипуляции отсутствует постоянная составляющая, что несколько
оптимизирует энергетический спектр сигнала. ЦСП ИКМ-30-4 (1987 г.), ЦСП ИКМ-120У (1989 г.)
и ЦСП ИКМ-480 (1992 г.) использовали модифицированный код с чередованием полярности
импульсов МЧПИ (MAMI) или КВП-3 (HDB-3). Этот код незначительно отличается от кода ЧПИ
и по существу того же типа 1В1Т.
Передача в многопарных высокочастотных кабелях по сравнению с одноканальной
телеграфной линией осложняется переходными помехами с одной пары на другие. Для
уменьшения влияния переходных помех пришлось разработчикам ввести скважность два в
импульсную последовательность, чтобы амплитуды двух рядом находящихся импульсов
положительной и отрицательной полярности не складывались. В результате передатчики всех
ЦСП к концу XX в. работали ¼ времени и ¾ времени не работали. Суммарный энергетический
проигрыш составил около 9,5 dB [2] по сравнению с фазовой телеграфией.
Нелишне вспомнить, что амплитудная манипуляция имеет проигрыш только 6 dB по сравнению
с фазовой манипуляцией. Никакого выигрыша от применения троичного кода вместо двоичного в
линейном тракте не было получено ввиду посимвольного кодирования 1В1Т. Согласно [3]
уменьшение скорости манипуляции Вlt в канале при применении m-ичного кодирования значности
n по сравнению с двоичным кодом значности k в информационном потоке со скоростью Вinf равно
Blt 
n
Binf
k
При манипуляции 1В1Т имеем n = 1, k = 1, что дает
(1)
3
Bit  Binf
(2)
т.е. сокращения полосы частот в линейном тракте за счет применения троичного кода не
происходит. Прогресс в разработке отечественных ЦСП наступил лишь при применении кода
4В3Т (табл. 1) для кодирования линейного сигнала в отечественных ИКМ-480×2 (НПО «Дальняя
связь»), ЦСП-2×E1, ЦСП-2×Е2 (ОАО «Морион», г. Пермь), ЦСП-2Е3, (ЗАО «Технодалс», СанктПетербург) (табл. 2). Согласно соотношению (1) для кода 4В3Т имеем:
Bit 
3
Binf ,
4
(3)
что позволяет или увеличить длину регенерационного участка на 1-1,5 км, что сделано в
зарубежных ЦСП (см. табл. 1), или оставить ту же длину регенерационного участка, удвоив
информационную скорость, что сделано в вышеуказанных отечественных системах (табл.2).
Таблица 1
Фирма производитель
Тип ЦСП
Тип коаксиального кабеля
ИКМ-480
1,2/4,4
2,6/9,5
Длина участка, км
4,1
9,3
Скорость передачи, Мбит/с 34,368
Электрическая
скорость, 25,776
Мгц
Линейный код
MMS43
(4В3Т)
Таблица 2
Фирма производитель
Тип ЦСП
Тип кабеля
Длина участка, км
Скорость
передачи,
Мбит/с
Электрическая скорость,
Мгц
Линейный код
SEL, Simens, ФРГ
ИКМ-1920 ИКМ-7680
1,2/4,4
2,6/9,5
2,6/9,5
2,05
1,55
4,65
139,264
564,992
104,448
423
4B3T
4B3T
ATT, США
ИКМ-7680 ИКМ-1920
2,6/9,5
1,2/4,4
2,6/9,5
1,5
2,0
4,5
564,992
139,264
423
104,448
4B3T
FOMOT
(4В3Т)
ОАО «Морион», Россия
ИКМ-30×2С
ИКМ-120×2
КСПП
МКС
5,5
5,5
4,096
16,896
ЗАО «Технодалс», Россия
ЦСП-Е1
ЦСП-2Е2 ЦСП-2Е3
МКС, ЗК МКС, ЗК МКБ, МКТ
21
5,5
3
2, 048
16,896
68,736
3,072
12,672
1,056
17,184
51,84
4В3Т
8B4QI
8B4QI
1B1T
4В3Т
Дальнейшим шагом в увеличение дальности ЦСП явилось применение кода 2В1Q [4]. Во всех
современных публикациях код 2В1Q рассматривается как одна из значительных разработок
последних десятилетий. Это еще раз доказывает отсутствие преемственности между техникой
ЦСП и телеграфией, т. к. код 2В1Q был запатентован Т.А.Эдисоном в XIX в. и известен в
телеграфии как квадруплексный метод передачи сигналов двух телеграфных аппаратов по одной
телеграфной линии. В радиотелеграфии этот метод известен как метод двойного частотного
телеграфирования (ДЧТ) и широко применялся в середине прошлого века. Согласно соотношению
(1) для кодирования 2В1Q (k =2, n =1) имеем:
Blt 
1
Binf ,
2
(4)
4
что позволяет в два раза сократить ширину полосы частот линейного сигнала. Cистемы,
построенные на основе технологий xDSL при работе по кабелям типа МКС-1,2 в двухкабельном
режиме передачи потока Е1, позволили достичь следующих длин регенерационных участков: 12,5
км – для ЦСП с кодом 2В1Q, 14,5 км – ЦСП с кодом САР-64 и 19,0 км – для системы с кодом
САР-256 [5].
Перейдем теперь к анализу самого массового в настоящее время метода кодирования линейных
сигналов в ЦСП. Суть этого метода состоит в использовании М-позиционной фазоамплитудной
манипуляции при условии, что блоки из k информационных двоичных символов кодируются
одним М-ичным символом в линейном тракте, т.е. 2k  M из них половина отрицательных и
половина положительных символов. Поэтому электрическая скорость манипуляции символов в
линейном тракте снижается до величины (согласно соотношению (1))
Blt 
1
Binf
k
(5)
В модемах Watson III и Watson IV (Schmid Telecom, Швейцария), системе Кама-Ц (ОАО
«Морион») имеем соответственно k = 6 и 7, в системах Watson Links (Schmid Telecom),
Megatrans-III (НТЦ Натекс, Россия) k = 4. В модеме Карат-Е1 (ЗАО «Технодалс») k = 1.
Определим требуемые энергетические соотношения для этих систем.
Вероятность ошибки на символ для М-позиционной фазоамплитудной манипуляции
определяется следующим образом [6] (соотношение (5.2.46))
PM 
(6log 2 M ) Eb
2( M  1)
Q(
)
M
( M 2  1) No

(6)
2
t

1
2
e
dt и No – спектральная плотность мощности
где Eb-средняя энергия на бит, а Q( x) 

2 x
помехи.
Определим эквивалентную вероятность ошибки на бит qэкв, приравнивая вероятности
правильного приема блока из k информационных двоичных символов и правильного приема
одного символа М-позиционной фазоамплитудной манипуляции
(1- qэкв)k = 1-PM
(7)
где k=log2M. Отсюда
qэкв =1 -
k
1  PM
(8)
Рис. 1 иллюстрирует зависимость эквивалентной вероятности ошибок на бит от 10log
со значением М в качестве параметра, подсчитанную на основе соотношения (8).
На рис. кривые расположены в порядке возрастания k от 1 до 7 слева направо.
Eb
No
5
Рисунок 1
Практически допустимая вероятность ошибки на один регенератор ЦСП –
10-8. Для
E
достижения такой вероятности ошибки требуемое отношение сигнал/шум (10log b )
No
E
представлено в табл.3. Для расчета линейного тракта требуется знание отношения ( 10 log s ). Это
No
легко определить на основании того, что Es = Eb×k. Поэтому
10 log
Значения 10 log
Таблица 3
М
E
10log b
No
E
10 log s
No
Es
E
= 10log b +10lg k
No
No
(9)
Es
также представлены в табл.3.
No
2
10,5
4
13
8
20
16
22
32
30
64
32
128
40
10,5
16
24,8
28
37
39,8
48,4
Анализ табл. 3 показывает, что современные ЦСП с большим основанием линейного кода
требуют для нормальной работы более высокого отношения сигнал/помеха. Отсюда вытекает
6
вывод о том, что при работе в однокабельном режиме многоосновные и малоосновные ЦСП
несовместимы в одном кабеле.
Более того на старых кабелях с пониженными характеристиками переходного затухания
невозможна совместная работа даже двух систем. Например, если переходное затухание на
ближнем конце не превосходит 40db, то длина регенерационного участка lрег для аппаратуры
Watson IV в однокабельном режиме (М=128 табл.3) будет
A0  10 log
lreg 
d db
km
Es
N0

40  48
0
d db
(10)
km
что и было подтверждено на реальных испытаниях [7].
Регенерационные участки современных ЦСП в несколько раз длиннее чем у старых систем, что
позволяет производить перевод сети связи с АСП на ЦСП наиболее экономичным образом.
Достижение таких длин регенерационных участков означает кардинальный скачок в
приборостроении – революцию в ЦСП. Но это произошло только в 2002 г. Длины
регенерационных участков современных ЦСП превосходят длину усилительных участков К-60П
и, следовательно, не требуется реконструкция самого кабеля (дополнительной врезки
промежуточных пунктов с оборудованием). Если включить транскодеры АДИКМ-30×2 на
оконечных станциях, то можно обеспечить в пределе 60 телефонных каналов методом АДИКМ-32
кбит/с. Таким способом на магистралях симметричного высокочастотного кабеля МКС-4×4
можно заменить 480 аналоговых каналов ТЧ на 480 цифровых каналов ТЧ сменив только
электронное оборудование в промежуточных необслуживаемых пунктах и не производя
дополнительных работ на самом кабеле. Создание современных систем передачи
с
использованием трехуровневых и пятиуровневых кодов находится в классических традициях
многолетней разработки и серийного производства отечественных ЦСП. Схемы построения
линейного тракта, решающих устройств, усилителей-корректоров импульсных сигналов,
выделителей тактовой частоты, с одной стороны, вобрали в себя лучшие достижения
отечественных разработчиков, с другой, явились дальнейшим развитием научно-технической
мысли данного направления. Помехозащищенность регенераторов (пороговое отношение
сигнал/шум) для этих ЦСП также требуется прежней, а это сводит к минимуму их влияние на АСП
при постепенной (поэтапной) реконструкции кабельных магистралей. Таким образом многие
наработки отечественной телекоммуникационной промышленности за предыдущие 30 лет
оказались полезными и для новых систем передачи.
Основу построения линейного оборудования современных проводных ЦСП составляют
адаптивные, настраиваемые с помощью микроконтролеров аналоговые усилители-корректоры,
более совершенные линейные коды и современная элементная база с улучшенными
надежностными и качественными характеристиками. Оперативное создание цифровой сети
общего пользования, учитывая специфические условия нашей страны (обширная территория с
малой плотностью населения, сложные экономические условия), возможно лишь с
комбинированной стратегией: на направлениях, где требуется большая пропускная способность,
строительство волоконно-оптических линий; на менее загруженных направлениях: реконструкция
имеющейся первичной сети медного кабеля с заменой устаревших АСП на современные ЦСП без
перенарезки кабеля. Указанная реконструкция возможна ввиду отсутствия со стороны ЦСП,
особенно с небольшим числом уровней в линейном сигнале, каких-либо особых требований к
параметрам металлических кабелей по сравнению с предъявляемыми АСП и совместимость ЦСП
с АСП близкой емкости, работающими по другим парам этого кабеля. Это позволит с
наименьшими экономическими затратами осуществлять построение цифровой сети без нарушения
функционирования существующих линий связи. Построенная таким способом цифровая сеть не
будет наложенной. Топологически она будет совпадать с аналоговой сетью за исключением,
может быть, новых волоконно-оптических магистралей.
Это значительно облегчит ее
7
эксплуатацию ввиду рационального использования сложившейся инфраструктуры сети (НРП
будут там же, где были НУПы, кабельные магистрали останутся на месте, их нумерация и карты
линий связи останутся без изменения). Реконструкция линий может производиться постепенно по
мере накопления необходимых денежных резервов, так как новые ЦСП совместимы со старыми
АСП при одновременной работе в одном кабеле по разным парам. Более того использование
трансмультиплексоров и аналого-цифрового оборудования второго уровня иерархии (АЦО-21)
позволяет производить реконструкцию магистралей не по всей длине одновременно, а по частям
без остановки и перерыва связи. При этом установка трансмультиплексоров и АЦО на концах
АСП фиксирует начало цифровизации с возможностью подключения электронных станций
коммутации на узлах связи сначала на одном конце, а затем и на обоих концах. Аналогичную
реконструкцию возможно производить и на коаксиальном кабеле МКТ-4.
Другим направлением совершенствования ЦСП может явиться следующее направление.
Троичный код FOMOT (4B3T) не дает максимального выигрыша, который могут дать троичные
коды. Действительно код 3В2Т дает больший выигрыш по скорости, чем код FOMOT
Blt 
2
Binf
3
(11)
Однако код 3В2Т не сбалансированный. Увеличивая значность кода 3В2Т в два или три раза
получаем коды 6В4Т и 9В6Т с тем же выигрышем в 2/3 раза (соотношение (11)), но с большей
сбалансированностью. В последнем коде 9В6Т (он является избыточным кодом) имеется лишних
36-29=729-512=217 комбинаций, что позволяет легко подобрать 512 комбинаций, делающих
данный код более сбалансированным, по сравнению с предыдущими. Еще больше выигрыш
может дать код 11В7Т, но он получается менее сбалансированным, т.к. лишних комбинаций
меньше 37-211=135. В группе из n символов многоуровневого кода с количеством уровней М
каждая комбинация может иметь вес, абсолютное значение которого находится в диапазоне от 0
М/2. Среди Мn возможных комбинаций многоуровневого кода содержится N(0,n,M) с нулевым
разбалансом и Mn - N(0,n,M) с ненулевым. Чтобы получить полностью балансный код, нужно для
кодирования каждой группы из k двоичных символов использовать либо одну кодовую
комбинацию с нулевым разбалансом ,или две с ненулевым [8], отсюда условие получения баланса
в многоуровневом сигнале можно выразить неравенством
1
( M n  N (0,n , M ) )  2k  N (0,n , M )
2
(12)
M n  2k 1  N(0,n,M )
(13)
или
Исходя из этого соотношения балансным кодом с выигрышем в 2/3 раза и наименьшей длиной
блоков является код 15B10T.
Итак, построение ЦСП на коде 9В6Т дает выигрыш в скорости в 2/3 раза согласно сотношению
(10), что лучше чем в коде 4В3Т (соотношение (3)). Для ИКМ-30 с линейным кодом 9В6Т
полутактовая частота согласно соотношению (10) равна
F = (1/2) × (2/3) ×2048 = 683 кГц
(14)
Для кабеля МКС-4×4 это дает коэффициент затухания а = 4dB/км. По сравнению с ИКМ-120 на
коде ЧПИ получаем уменьшение коэффициента затухания в 10,661/4 = 2,67 раза. Этот выигрыш
может быть достигнут за счет применения блокового кодирования 9 бинарных символов в шесть
троичных символов. Кроме того, защищенность цепей от переходных помех увеличивается на 30
8
dB из-за уменьшения частоты в 4,224МГц/0,683МГц = 6,2 раза (Табл. 6.5 работы [9]). Однако, при
планируемом учетверении длины регенерационного участка защищенность цепей от переходных
помех снижается на 6 dB (3dB на октаву). Таким образом, прирост длины регенерационного
участка l из-за увеличения защищенности получается равным
l = (30-6)/10,661 = 2,25 км,
а увеличение длины в ИКМ-30 из-за снижения коэффициента затухания происходит в 2,67 раза по
сравнению с ИКМ-120, т.е. длина равна
l = (5,5+2,25) × 2,67 = 20,7 км,
где 5,5-номинальная длина регенерационного участка ИКМ-120. За счет применения
высокоточных аналоговых корректоров фактическая длина может быть увеличена до 22 км.
Выводы
1.Отечественные кабельные ЦСП прошлого столетия в основном строились с простейшим
линейным кодированием либо вообще без него, в них использовалась амплитудная или
комбинированная амплитудно-фазовая манипуляция, а в качестве кодов использовались
первичные коды речевых источников или передачи данных без перекодирования в линейный код.
Это привело к тому, что передатчики подавляющего большинства ЦСП активно работали лишь ¼
всего времени, а ¾ всего времени были заперты и не излучали никаких сигналов, а частота
манипуляции в канале равнялась информационной скорости источника. Отсюда чрезвычайно
низкая эффективность прежних ЦСП, проявляющаяся в малых длинах регенерационных участков,
что не позволяло эффективно реконструировать тракты, заменяя АСП на ЦСП.
2.Кабельные ЦСП нынешнего столетия в большинстве своем строятся с линейным
многоосновным кодированием, что обеспечивает большие длины регенерационных участков, по
сравнению со старыми системами передачи в несколько раз. Достижение таких длин
регенерационных участков означает кардинальный скачок в
развитии технологии ЦСП.
Реконструкция старых аналоговых сетей получается с новыми ЦСП предельно простой – замена в
НУП усилителей АСП на регенераторы ЦСП без врезки дополнительных регенераторов и без
проведения строительных работ на кабеле.
3.Возможности многоосновного кодирования далеко не исчерпаны и вариант построения
высокоэффективной ЦСП на троичном коде представлен в настоящей работе.
Литература
1. Коршунов С.Е., Горбатовский А.Д. Эффективность линейного кодирования в кабельных
системах передачи. – Вестник связи. – № 9. – 2001 г.
2. Мешковский К.А., Шехтман Л.И. Помехоустойчивость кодов AMI и HDB-3
Электросвязь. – № 10. – 1995 г.
3. Мешковский К.А. К оценке избыточности линейных кодов ЦСП. – Электросвязь. – № 2. –
1991 г.
4. Мешковский К.А. Теория связи и Великая теорема Ферма. – Информация и космос. – № 3. –
2004 г.
5. Сторожук Н.Л., Щитников В.Н. Цифровизация сети медного кабеля. – Вестник связи. – № 4.
– 2001 г.
6. Прокис Дж. Цифровая связь. – М. – Радио и связь. – 2000 г.
7. Парфенов Ю.А., Чернова О.Н. К практическому использованию оборудования xDSL. –
Электросвязь. –№ 10. – 2001 г.
8. Кэтермоул К.В. Принципы импульсно кодовой модуляции. – М. – Связь. – 1974 г.
9. Голубев А.Н., Иванов Ю.П., Левин Л.С., Меккель А.М. и др. Аппаратура ИКМ-120. – М. –
Радио и связь. – 1989 г.