Многоканальные телекоммуникационные системы

Москва
Горячая линия - Телеком
2013

В. Н. Гордиенко
М. С. Тверецкий 

УДК 621.396.4 
ББК 32.889 
    Г67 
 
Р e ц е н з е н т ы : доктор техн. наук, профессор  Н. Н. Васин,  
доктор техн. наук, профессор  В. Н. Дмитриев 
 

Гордиенко В. Н., Тверецкий М. С. 
Г67            Многоканальные телекоммуникационные системы. Учебник для 
вузов. – 2-е издание, испр. и доп. – М: Горячая линия–Телеком, 2013. – 
396 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0251-0. 

Изложены базовые принципы построения цифровых многоканальных 
телекоммуникационных систем, рассмотрены особенности работы оборудования цифровых систем передачи плезиохронной и синхронной цифровой 
иерархий. Рассмотрены вопросы нормирования качества передачи информации по цифровым каналам и трактам, а также особенности применения цифровых систем передачи на современных и перспективных телекоммуникационных сетях, ориентированных на использование волоконно-оптических 
линий связи.  
Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы 
связи» и направлению подготовки дипломированных специалистов 210400 – 
«Телекоммуникации», может быть полезен студентам колледжей телекоммуникационного направления.  

ББК 32.889 

 
Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru 
 
Учебное издание 
 

Гордиенко Владимир Николаевич 
Тверецкий Михаил Серафимович 

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 

Учебник для вузов 

Редактор  Ю. Н. Чернышов 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Художник  О. Г. Карпова 
 
Подписано к печати 30.12.2012.  Формат 60×90 1/16. 
Усл. печ. л. 24,75.  Изд. № 130251.  Тираж 1000 экз. (1-й завод 200 экз.) 
 

ISBN 978-5-9912-0251-0                                 ©  В. Н. Гордиенко, М. С. Тверецкий, 2013 
©  Издательство «Горячая линия–Телеком», 2013 

Введение в цифровой способ
передачи сигналов

1.1. Роль цифровых способов передачи
сигналов

Тенденции развития телекоммуникаций в XXI веке показывают,
что человечество движется по пути создания глобального информационного общества. Понятие информационного общества (ИО) четко не определено, но можно предположить, что это общество, в котором информатизация и телекоммуникации (инфокоммуникации)
будут определять новую ступень развития экономики, социальной
сферы, культуры и науки.
В 1995 г. Международный союз электросвязи (МСЭ) взял на
себя ведущую роль по международной координации работ по электросвязи, направленных на построение глобального ИО. К работе над
ИО подключился и Европейский институт стандартов электросвязи (ETSI) с целью создания Европейской информационной инфраструктуры (ИИ). Предполагается создание национальных информационных инфраструктур (в том числе и российской — РИИ), их объединение в региональные ИИ (например, европейскую — ЕИИ) и
мировую (глобальную — ГИИ).
ГИИ — инфраструктура, которая является технологической основой глобального информационного общества. ГИИ должна поддерживать существующие и будущие средства электросвязи, информационные технологии и бытовую электронику, включая интерактивные, вещательные и мультимедийные возможности. Она охватывает проводные и радиосредства связи, стационарные и подвижные
сети. Таким образом, ГИИ представляет собой интеграцию электросвязи, информатизации, компьютеризации, баз данных и бытовой
электроники. Интеграция указанных областей невозможна без унификации формы представления информации с целью ее передачи и
хранения. Такой универсальной формой является цифровая.
Информация передается и обрабатывается в большинстве случаев в виде сигналов электросвязи — электромагнитных колеба

Г л а в а 1

ний, в изменениях параметров которых и заложена передаваемая
информация. Например, речевое сообщение, представляющее собой
изменение звукового давления, посредством микрофона превращается в изменяющееся соответствующим образом электрическое напряжение. B этих изменениях и будет содержаться та информация,
которая была в исходном сообщении.
Характерно, что в данном
случае напряжение непрерывно изменяется во времени — такие сигналы называются непрерывными.
В дальнейшем будет показано, что при некоторых ограничениях, в частности при ограничении его частотного спектра сверху,
непрерывный сигнал можно представить отдельными его мгновенными значениями, взятыми периодически.
Такой сигнал является дискретным (дискретизированным во времени). Очевидно, что
для передачи дискретного сигнала линия связи будет использоваться периодически в течение коротких отрезков времени. Поэтому при
применении дискретных сигналов можно реализовать принцип многоканальной передачи с временным разделением каналов (ВРК),
периодически предоставляя одну и ту же линию связи для передачи сигналов от разных источников.
Реальный, например телефонный, сигнал в каждый момент времени имеет какое-то одно из бесконечного множества возможных
мгновенных значений. Такие сигналы, мгновенные значения которых образуют бесконечные множества, называются аналоговыми.
Заметим, что аналоговым может быть как непрерывный, так и дискретный (во времени) сигнал.
Прием сигналов в реальных условиях всегда происходит на фоне помех, да и чувствительность приемника конечна.
Например,
можно утверждать, что звуки со звуковыми давлениями, отличающимися менее чем на 0,01 %, будут восприниматься на слух как
одинаковые. Таким образом, перед передачей мгновенных значений
сигнала их можно округлить до некоторых, достаточно близких
друг к другу, разрешенных значений. Такое округление называется квантованием сигнала по уровню или просто квантованием
сигнала. Эта операция превращает аналоговый сигнал в цифровой, т. е. в сигнал, мгновенные значения которого образуют конечное
множество (определяются набором разрешенных значений). Теперь
с сигналом можно обращаться как с набором чисел, что и определяет
универсальность подхода к операциям с сигналами самой разнообразной информации.
Заметим, что наиболее удобной системой счисления для цифровых электронных устройств является двоичная система. Поэто

Введение в цифровой способ передачи сигналов
5

му обычно операция квантования сочетается с операцией кодирования — записи тех или иных полученных значений в двоичной
системе или в двоичном коде (в виде последовательности нулей и
единиц). Сигналы в цифровой форме отличаются друг от друга,
в основном, количественно — необходимой скоростью передачи —
количеством битов∗ информации в секунду.
Кроме этого, иногда
приходится учитывать и некоторые другие параметры, например
размеры групп одинаковых символов, следующих друг за другом
(размеры пакетов символов), и вероятность появления пакетов определенных размеров, процент ошибок, который можно допустить
при передаче, и некоторые другие, о которых будет говориться далее в соответствующих местах.
Передача и обработка сигналов в цифровой форме имеет следующие существенные преимущества перед передачей и обработкой
аналоговых сигналов.
Унификация представления различных видов передаваемой
информации, это позволяет, в свою очередь, унифицировать оборудование передачи, обработки и хранения информации.
Компьютеризация телекоммуникационного оборудования, которая принципиально невозможна при использовании аналоговых
сигналов. B условиях быстро нарастающего информационного обмена без компьютеризации невозможно обеспечить передачу и обработку информации с необходимым высоким качеством.
Интеграция систем передачи информации и систем коммутации — создание полностью цифровых телекоммуникационных сетей.
Такие сети обладают высокой надежностью и эффективностью, поскольку позволяют организовывать альтернативные маршруты передачи и выравнивать сетевой трафик.
Высокая помехоустойчивость. Представление информации
в цифровой форме, позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) символов сигналов при передаче их по линии связи, что
резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации. Суть регенерации заключается в замене принятого искаженного сигнала на заново генерированный сигнал. При этом, в
частности, обеспечивается возможность использования линий связи, на которых из-за высокого уровня помех аналоговые системы
передачи применяться не могут.
Цифровые методы передачи весьма эффективны при работе по
оптическим линиям, позволяющим организовывать передачу высо
∗ Бит — число, принимающее значение или 1, или 0.

Г л а в а 1

коскоростных потоков информации с относительно редким расположением промежуточных станций.
Стабильность параметров каналов. Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и
амплитудной характеристик и других) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства, как будет показано далее, составляют незначительную часть оборудования цифровых телекоммуникационных систем
(ЦТС), стабильность параметров каналов таких систем значительно
выше, чем аналоговых. Этому также способствует отсутствие в ЦТС
с ВРК влияния загрузки системы на параметры отдельных каналов.
Высокие технико-экономические показатели. Передача,
обработка и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют
реализовывать весь аппаратный комплекс цифровой сети на чисто электронной основе с широким применением цифровых интегральных схем. Это значительно снижает стоимость оборудования,
потребляемую энергию и габаритные размеры. Кроме того, существенно упрощается эксплуатация телекоммуникационных систем и
повышается надежность оборудования.

1.2. Иерархия цифровых телекоммуникационных
систем

Исторически сложилось так, что цифровые телекоммуникационные системы (ЦТС) строятся по иерархическому принципу [1],
который позволяет унифицировать каналообразующую аппаратуру,
упростить процессы производства, внедрения и технической эксплуатации соответствующего оборудования и в целом повысить техникоэкономические показатели телекоммуникационных систем и сетей.
Иерархический принцип заключается в следующем. B первичной
системе передачи объединяется (мультиплексируется) n исходных
сигналов в первичный групповой сигнал (в частности, в первичный
цифровой поток), во вторичной системе m групповых первичных
сигналов объединяются во вторичный групповой сигнал и так далее. Таким образом, те или иные групповые сигналы представляют
иерархические наборы исходных сигналов, или, иначе, ступени иерархии, из которых и выбирается та, которая соответствует системе
передачи с необходимым количеством исходных каналов. Величины
m и n в данном случае являются коэффициентами мультиплексирования.
Стандартизация иерархической структуры позволяет создавать
типовые сетевые тракты того или иного уровня (соответствующего

Введение в цифровой способ передачи сигналов
7

ступени иерархии) на базе которых и создаются транспортные телекоммуникационные сети.
Как известно, сети связи общего пользования, являющиеся базой Единой cети электросвязи Российской Федерации (ЕСЭ РФ),
состоят из первичной сети и опирающихся на неё ряда вторичных
(коммутируемых) сетей. Первичная сеть имеет три слоя:
• магистральную сеть, соединяющую зоны, на которые разделена
вся территория Российской Федерации, и состоящую из трактов
высокого уровня;
• внутризоновую сеть, базирующуюся на трактах менее высокого
уровня;
• местную сеть, соединяющую региональные центры со всеми населенными пунктами и использующую тракты низкого уровня.
В дальнейшем будут рассматриваться цифровые телекоммуникационные системы, предназначенные в основном для первичной
сети.
В начале 80-х годов были разработаны три плезиохронные∗ цифровые иерархии (ПЦИ), в которых за исходный сигнал был принят сигнал, передаваемый со скоростью 64 кбит/с, что соответствует сигналу, передаваемому по каналу тональной частоты (ТЧ), но
в цифровой форме.
Канал, предназначенный для передачи этого
сигнала (DS0 — цифровой сигнал нулевого уровня), называется основным цифровым каналом (ОЦК). Схема плезиохронных иерархий
показана на рис. 1.1.
Первая цифровая иерархия, принятая в США и Канаде, имеет
четыре ступени с коэффициентами мультиплексирования: 24, 4, 7
и 6, что соответствует 24, 96, 672 и 4032 ОЦК для первой, второй,
третьей и четвертой ступени соответственно. С учетом добавления
в групповой сигнал на каждой ступени мультиплексирования сервисной информации, сигналы DS1, DS2, DS3 и DS4 имеют скорости
передачи 1544, 6312, 44736 и 274176 кбит/с. (Обычно приводятся
округленные значения 1,5, 6, 45 и 274 Мбит/с.)
Вторая цифровая иерархия, принятая в Японии, также имеет
четыре ступени, но с коэффициентами мультиплексирования 24, 4,
5, 3, что соответствует 24, 96, 480 и 1440 каналам ОЦК. Скорости
передачи на 1–4 ступенях иерархии равны 1544, 6312, 32064, 97728
кбит/с (1,5, 6, 32, 98 Мбит/с).

∗ Плезиохронные («как бы синхронные») иерархии цифровых телекоммуникационных систем, задающие генераторы которых работают на
близких, но не совпадающих частотах.

Г л а в а 1

Рис. 1.1. Схема плезиохронных цифровых иерархий

Третья цифровая иерархия, принятая в Европе и Южной Америке, имеет пять иерархических ступеней с коэффициентом мультиплексирования на первой ступени, равным 30, и с коэффициентами на остальных ступенях, равными четырем. B этой иерархии
количество ОЦК на 1–5 ступенях равно 30, 120, 480, 1920, 7680, а
скорости передачи равны соответственно 2048, 8448, 34368, 139264,
564992 кбит/с (2, 8, 34, 140, 565 Мбит/с).
На рис. 1.1 показаны также рекомендованные пути соединения
систем различных плезиохронных иерархий (пути кросс-мультиплексирования) с соответствующими коэффициентами мультиплексирования. На рисунке даны названия сигналов ступеней иерархий,
скорости передачи и отмечены ступени, не вошедшие в рекомендации МСЭ-Т.
Плезиохронные
цифровые
телекоммуникационные
системы
(ПЦТС) сыграли в деле цифровизации телекоммуникационных сетей роль, которую невозможно переоценить. С их применением стала возможной электронная коммутация и переход к цифровым сетям интегрального обслуживания. Однако такие недостатки ПЦТС,
как громоздкость процедур ввода/вывода компонентных потоков из
потоков высших ступеней, сложность соединений сетей различных

Введение в цифровой способ передачи сигналов
9

ПЦИ и невозможность организации современного менеджмента на
сетях, предопределили разработку новой цифровой иерархии. B концепции этой иерархии, получившей название синхронной цифровой
иерархии (СЦИ), сделана попытка наиболее полно предусмотреть
вероятные перспективы дальнейшего развития телекоммуникационных сетей. B настоящее время можно сказать, что предполагаемые
результаты данной разработки в основном оправдались.
Разработка синхронных цифровых телекоммуникационных систем (СЦТС) преследовала такие цели:
• упрощение процедуры доступа к компонентным потокам;
• обеспечение возможности развитой маршрутизации потоков;
• осуществление в пределах иерархии эффективного управления
сетями любой сложности;
• систематизацию иерархического ряда скоростей передачи и продолжение его за пределы рядов ПЦИ;
• разработку стандартных интерфейсов для облегчения стыковки
оборудования.
Скорость передачи для первой ступени иерархии была выбрана
равной 155,52 Мбит/с. Эта скорость должна превышать максимальную стандартизированную скорость ПЦИ 139,264 Мбит/с и обеспечивать передачу дополнительной сервисной информации.
Кроме того, она должна была быть кратной скорости цифрового потока SDH-0 (51,840 Мбит/с), стандартизированного в США. Скорость
каждой последующей иерархической ступени равна учетверенной
скорости предыдущей.
B настоящее время наибольшее распространение получила аппаратура первых четырех ступеней иерархии,
однако существует оборудование, позволяющее получить скорости
пятой ступени СЦИ. Ступени иерархии обозначаются как STM-N
(синхронные транспортные модули), где N — число объединенных
первичных потоков. B табл. 1.1 указаны ступени СЦИ и соответствующие им скорости передачи.
Более подробно вопросы преобразования сигналов в цифровом
телекоммуникационном оборудовании рассмотрены далее в соответствующих разделах.

1.3. Обобщённые схемы ЦТС

В этом разделе приводятся обобщённые схемы, относящиеся
прежде всего к системам ПЦИ. Однако принципы построения этих
схем могут быть отнесены и к другим ЦТС. Особенности построения других систем будут рассмотрены далее, в соответствующих
разделах.

Г л а в а 1

Таблица 1.1

Уровень
STM-N
Скорость, кбит/с
Количество объединяемых потоков

Е1
Е3
Е4

1
STM-1
155 520
63
3
1

2
STM-4
622 080
252
12
4

3
STM-16
2 448 320
1 008
48
16

4
STM-64
9 953 280
4 032
192
64

5
STM-256
39 813 120
16 128
768
256

Схемы систем высших ступеней ПЦИ практически одинаковые,
а схема системы первой ступени (первичная система) заметно от них
отличается.
Обобщённая схема первичной ЦТС. На рис. 1.2 показана передающая часть обобщённой схемы первичной системы ПЦИ.
B общем случае предполагается, что на вход системы поступает аналоговый сигнал из канала тональной частоты (ТЧ). Сигнал поступает на усилитель, который повышает его уровень до величины,
обеспечивающей работоспособность последующих узлов аппаратуры. Кроме этого, усилитель выполняет ещё две важных функции:
во-первых, ограничивает спектр сигнала сверху и, во-вторых, защищает оборудование от опасных превышений уровня поступающего
сигнала (является ограничителем амплитуды).
Далее сигнал подаётся на амплитудно-импульсный модулятор
(АИМ), осуществляющий дискретизацию сигнала во времени, т. е.
преобразует непрерывный во времени сигнал в ряд периодических
дискретных значений. Возможность такого представления основана на известной теореме В.А. Котельникова, по которой функция
с верхней частотой спектра fв полностью характеризуется своими
мгновенными значениями, отсчитанными через интервалы времени
∆t ⩽ 1/2fв. Дискретизация нужна для временного разделения каналов (ВРК), а кроме того, упрощает последующую обработку сигнала. Как будет показано далее, амплитудно-импульсная модуляция подразделяется на модуляцию первого и второго рода. Обычно
АИМ модулятор реализует модуляцию первого рода (АИМ-1), но
для корректной работы кодера требуется преобразование сигнала в
модуляцию второго рода (АИМ-2), что и осуществляется соответствующим узлом (АИМ-1/АИМ-2).
Кодирующее устройство (кодер) выполняет одновременно две
операции: квантование сигнала по уровню и его кодирование. Квантование — округление мгновенных значений сигнала до ближайших разрешенных значений — является важнейшей операцией аналого-цифрового преобразования (АЦП), которая собственно и прев