Systemy teletransmisyjne

8. SYGNALIZACJA W

SIECI TELEKOMUNIKACYJNEJ

Architektura warstwy teletransmisyjnej – systemy i

urządzenia teletransmisyjne, funkcje warstwy

synchronizacyjnej

Warstwy logiczne struktury

funkcjonalnej

Ze względu na zasady i procesy realizowane w

elementach SI wyróżniamy :

•

Warstwę transmisyjną;

•

Warstwę komutacyjną;

•

Warstwę synchronizacyjną;

•

Warstwę sygnalizacyjną;

•

Warstwę zarządzania

Warstwy logiczne cyfrowej sieci telekomunikacyjnej –

warstwa sygnalizacji

te x t

S i e ć t r a n s m i s j i

S ie ć k o m u t a c y j n a

S i e ć s y g n a li z a c y j n a

S i e ć s y n c h r o n i z a c y j n a

S ie ć z a r z ą d z a n i a

ęz

ły

S ie c i lo k a ln e

S i e c i s tr e f o w e

S ie c i m a g is tr a ln a w ę z ło w a

S i e ć t r a n s m i s y j n a

W a r s t w y lo g i c z n e

s i e c i

t e le k o m u n i k a c y j n y c h

S i e ć s y g n a l i z a c y j n a

S i e ć s y n c h r o n i z a c y j n a

S i e ć z a r z ą d z a n i a

S i e ć k o m u t a c y j n a

Ł ą c z a s y g n a liz a c y j n e

S T P W ę z ły tr a n s f e r u s y g n a liz a c j i

S T P

S P

C e n tr a l e k o ń c o w e

C e n tr a le
tr a n z y to w e

A l te r n a ty w n e

k ie r o w a n i e r u c h e m

C e n tr a l e w ę z ł o w e

S y n c h r o n iz a c j a m a s te r - s la v e d o

w ę z łó w l o k a l n y c h

Z e g a r o d n ie s ie n ia

P R C

Z e g a r r e z e r w a

Z e g a r y s ie c i w ę z ło w e j

S y n c h r o n iz a c ja w z a j e m n a

s ie c i s tr e f o w e j

S i e c io w a b a z a

d a n y c h

C e n tr u m s tr e f o w e

I n n e C Z S

C e n tr u m

z a r z ą d z a n ia s ie c ią

C e n tr u m

p r z e tw a r z a n ia in f o

S P p u n k ty s y g n a liz a c j i

Warstwy logiczne cyfrowej sieci telekomunikacyjnej –

warstwa sygnalizacji

Sygnalizacja w sieci telekomunikacyjnej

Łańcuch telekomunikacyjny i łańcuch

wiadomości

Przykład systemu

telekomunikacyjnego

Teletransmisja

TELETRANSMISJA – dział telekomunikacji

odpowiedzialny za przesyłanie sygnałów

telekomunikacyjnych od punktu do punktu

drogą:

• Przewodową

(teletransmisja kablowa-

miedziana, falowodowa, światłowodowa),

• Radiową

(teletransmisja radiowa

wykorzystująca fale radiowe radiolinie,

urządzenia radiowe nadawczo-odbiorcze).

Klasyfikacja usług

Klasyfikacja systemów teletransmisyjnych

Systemy teletransmisyjne

Rodzaj
zwielokrotnienia

Postać sygnału

Symetryczne

Światłowodowe

Plezjochroniczne

Synchroniczne

Rodzaj linii
teletransmisyjnej

Współosiowe

Analogowe

Cyfrowe

SONET

SDH

PDH

Radiowe

FDM - Frequency Division Multiplexing

PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy
SDH - Synchronous Digital Hierarchy

TDM - Time Division Multiplexing

Wielomodowe

Jednomodowe

Horyzontowe

Statelitarne

Pozahoryzontowe
(Troposferyczne)

Przyczyny powstawania błędów:
 Czynniki deterministyczne:

Zniekształcenia liniowe (amplitudowe i
opóźnieniowe) sygnałów
Zniekształcenia nieliniowe sygnałów
Przesunięcia widma sygnałów

 Czynniki przypadkowe:

Zakłócenia impulsowe
Skoki i fluktuacje fazy
Addytywny szum gaussowski
Zakłócenia multiplikatywne

Systemy telekomunikacyjne

Częstość błędów binarnych - elementowa stopa

błędów

Błędy w transmisji danych

Zjawiska ograniczające jakość i zasięg

transmisji

Przyczyny wywołujące tłumienie

Zwalczanie tłumienia

Opóźnienie sygnału

W telefonii dopuszcza się opóźnienie
nie
większe, niż 400 ms

W łączach satelitarnych nie dopuszcza
się
więcej, niż jednego satelitę
stacjonarnego.

Skażenie sygnału

Wszelkie odchylenie kształtu przebiegu
sygnału (proporcjonalne zmniejszenie
lub
zwiększenie wszystkich wartości
chwilowych sygnału z zachowaniem ich
kolejności nie jest skażeniem)

Skażenie sygnału

Zniekształcenia sygnału

Zniekształcenia tłumieniowe

Kompensacja za pomocą odpowiedniej charakterystyki wzmocnienia

Korekcja zniekształceń opóźnieniowych

Zmiana dynamiki sygnału

kompandor sylabiczny

Zniekształcenia nielinearne

Zakłócenia

Przeniki powstają w wyniku wzajemnego oddziaływania między
dwiema aktywnymi liniami komunikacyjnymi, zwykle położonymi
obok siebie w wiązce na dłuższym odcinku trasy przesyłowej. Jako
istotne rozróżnia się dwa rodzaje przeników: zbliżny NEXT i zdalny
(inaczej odległy) FEXT.

Przenik zbliżny i zdalny

Powstają one w wyniku wzajemnego oddziaływania między dwiema

aktywnymi liniami komunikacyjnymi, zwykle położonymi obok siebie w

wiązce na dłuższym odcinku trasy przesyłowej. Jako istotne rozróżnia

się dwa rodzaje przeników: zbliżny

NEXT

i zdalny (inaczej odległy)

FEXT

• Szczególnie niebezpieczny jest przenik zbliżny

NEXT

(Near End Crosstalk),

powstający w sytuacji, gdy we wspólnej wiązce nieekranowanych przewodów

UTP (Unshielded Twisted Pair) znajdą się skręcone pary wykorzystywane w

danym momencie do transmisji w przeciwnych kierunkach. Takie oddziaływanie

zawsze występuje w trakcie transmisji dupleksowej, gdy pokrywają się pasma

nadawanych

odbieranych

sygnałów.

wyniku

sprzężenia

elektromagnetycznego między parami tych przewodów część energii sygnału

generowanego po stronie lokalnej jednej pary transmisyjnej przenika do innej i

w stłumionej postaci oraz z niejednorodnym opóźnieniem powraca torem

odbiorczym do urządzenia po tej samej stronie linii komunikacyjnej. Poziom

przeniku zbliżnego zależy w dużej mierze od ułożenia par, długości linii,

częstotliwości pracy i szerokości przenoszonego pasma, przyjmując najczęściej

postać kolorowego szumu gaussowskiego.

• Drugim elementem zakłóceń w kablach miedzianych jest przenik zdalny

FEXT

(Far End Crosstalk). Ten rodzaj przeniku pojawia się wówczas, kiedy dwa sygnały

lub więcej (o pokrywającym się widmie) przesyła się w tym samym kierunku,

lecz za pomocą różnych par przewodów miedzianych. Na skutek zjawiska

indukcji elektromagnetycznej do odbiornika odległego od źródła sygnałów (po

drugiej stronie toru transmisyjnego) mogą docierać w tych przypadkach, oprócz

sygnału podstawowego, sygnały mające swe źródło w liniach sąsiednich.

W obu przypadkach zarówno przenik zbliżny, jak i zdalny zależą od

rodzaju kabla i jego tłumienności, jednak ich wpływ na przeniki nie jest

jednakowy.

Zakłócenia

Przenik w kanałach czasowych

Transmisja dla systemów cyfrowych

Kody transmisyjne

Stosowane w celu uzyskania pożądanych
(z punktu widzenia toru lub kanału
transmisyjnego) własności sygnału
cyfrowego (binarnego)

Kodowanie transmisyjne – transmisja danych w paśmie
podstawowym
Chcąc przesłać sygnał cyfrowy łączami analogowymi
(telefonicznymi) należy dokonać przetworzenia (konwersji) sygnału z
cyfrowego na analogowy z wykorzystaniem procesu modulacji.

Kody transmisyjne -

wymagane własności

• dopasować widmo sygnału do

charakterystyki toru

• umożliwić wyłowienie przebiegu

synchronizacyjnego (zegara) w każdym
punkcie toru

• umożliwić nadzór nad jakością transmisji -
wykrywanie błędów

Kody transmisyjne -

wymagane własności

Dla systemów przewodowych nie
może być składowej stałej
(transformatory)

Dla systemów światłowodowych
musi być składowa stała

Rodzaje kodów

Kod systematyczny:

• Tworzy się na podstawie reguły formalnej
• Każda kombinacja wartości zmiennych

jest zdefiniowana w sposób jednoznaczny

• Możliwe rozróżnienie bitów

informacyjnych i kontrolnych

Kod niesystematyczny

• Wymaga podania tabeli określającej

kolejność poszczególnych kombinacji

występujących w dowolnym porządku

Rodzaje kodów

• Kod stałowagowy

– stała waga

ciągu kodowego (czyli stała liczba
jedynek w słowie kodowym)

• Kod pseudoternarny

– trzy stany

sygnału kodowego mimo jedynie
dwóch stanów sygnału
informacyjnego

Stałowagowy kod „2 z 5”

Zastosowania kodu „2 z

5”

Kody ilorazowe –

definicje

h(x):
• wielomian informacyjny

(„niezakodowany”)

g(x):
• wielomian tzw. „generujący”

(generator kodu, „klucz”)

s(x):
• wielomian kodowy („zakodowany”)

Kody ilorazowe –

definicje

k:
• długość ciągu informacyjnego

(„niezakodowanego”)

n:
• długość ciągu kodowego

(„zakodowanego”)

p:
• stopień wielomianu generującego

Kodowanie ilorazowe

• Mnożenie ciągów informacyjnych

h(x) przez generator g(x):

s(x) = h(x) g(x)

• Wynik:
• Wielomian s(x) podzielny bez reszty

przez wielomian g(x)

• Jednakowa długość (n) każdego ciągu

kodowego

Dekodowanie ilorazowe

• Dzielenie odebranego ciągu (s’(x))

przez generator g(x):

h(x)=s’(x)/g(x)+r(x)
gdzie r(x) – reszta z dzielenia
• Jeżeli r(x)=0, to ciąg został

przesłany bezbłędnie lub zaszedł
błąd niewykrywalny dla danego kodu

Kody transmisyjne – kody

liniowe

Konwersję kodów sygnałów do innej postaci, bardziej

efektywnej przy przesyłaniu przez szeregowe łącza cyfrowe i

uwzględniającej fizyczne aspekty transmisji, zapewniają kody

liniowe. Przy małych szybkościach transmisji (np. do 2400b/s)

konwersja

kodowania

zwykle

nie

jest

potrzebna,

transmitowane sygnały w łączu fizycznym odpowiadają

oryginalnym kodom przesyłanej informacji. Duże szybkości

transmisji wymagają konwersji sygnałów do postaci i poziomów

wymaganych przez konkretne medium transmisyjne (skrętka,

koncentryk,

światłowód),

uwzględnieniem

bardziej

efektywnego wykorzystania dostępnego pasma transmisji.

Wśród wielu liniowych kodów transmisyjnych do najczęściej

spotykanych należą:

• dwustanowe NRZ, NRZI, kody Manchester i ich modyfikacje

(światłowód),

• trójstanowe AMI (ISDN), CMI, HDB3, 4B/3T, 4B/5B i pochodne

• 2B1Q i inne.

Kody

• Ze względu na dolnoprzepustowy charakter łączy naturalnych nie

zachodzi potrzeba przesuwania widma sygnałów otrzymanych ze

źródła danych w zakres większych częstotliwości. Do przesyłania

takich sygnałów przez łącze naturalne wystarczą prostsze i tańsze

metody niż systemy modulacji.

• Urządzenia które te metody realizują nazywają się konwerterami, a

transmisja sygnałów za pośrednictwem tych modemów naturalnych

czyli konwerterów nazywa się transmisją danych w paśmie

podstawowym. Do transmisji danych na małe odległości mogą być

wykorzystywane tory symetryczne miejscowej sieci telefonicznej lub

tory specjalne.

• Przy zastosowaniu torów miejscowej sieci telefonicznej wymaga

galwanicznego oddzielenia urządzeń transmisji danych od toru.

• Przy zastosowaniu torów specjalnych możliwa jest transmisja danych

bezpośrednio ze źródła danych do ujścia danych ( bez użycia

konwerterów ). Osiągany zasięg jest niewielki ze względu na

niewielką czułość znormalizowanego z zaleceniami ITU odbiornika

sygnałów.

Kody

Trzy podstawowe przypadki w których transmisja danych

odbywa się zastosowaniem modemów naturalnych

• pomiędzy stacjami abonenckimi,
• pomiędzy multiplekserami pracującymi z podziałem

czasu,

• pomiędzy stacją abonencką a multiplekserem.
W pierwszym zastosowaniu transmisja jest izochroniczna

lub asynchroniczna a jej szybkość nie przekracza 9600

b/s. W drugim przypadku transmisja danych jest

izochroniczna a jej szybkość wynosi od 48 -72 kb/s. W

trzecim przypadku transmisja jest izochroniczna

rzadziej asynchroniczna a jej szybkość 0,6 -72 kb/s

Przegląd kodów transmisyjnych w

paśmie podstawowym

Do podstawowych parametrów sygnału

liniowego należą:

• właściwości widmowe (wartość

energetyczna, położenie zer widma mocy,

minimalna wartość zajmowanego pasma),

• zdolność do wykrywania i korekcji błędów,
•  odporność na zakłócenia,
•  właściwości synchronizacyjne,
•  informacje o elementowej podstawie czasu,

której odtworzenie w odbiorniku jest

niezbędne.

Kod difazowy (P-FSK)

Zasada kodowania polega na tym, że

każdemu elementowi sygnału danych

odpowiada

dodatni

bipuls

sygnału

difazowego (-1, +1) lub ujemny (+1, -1),

przy czym każdemu elementowi danych 1

odpowiada taki sam bipuls sygnału

difazowego jak bipuls poprzedni, zaś

elementowi danych 0 bipuls przeciwny do

poprzedniego.

Przykład:

1 1

0 0

1 1

P-FSK:

+1 +1

-1 +1

+1 +1

Kod bipolarny NRZ

Tworzenie sygnału liniowego według kodu bipolarnego NRZ (bez

powrotu do zera) polega na tym, że element sygnału danych

0 odpowiada element 0 (bezprądowy) sygnału liniowego,

elementowi danych 1 odpowiadają na przemian elementy

+1, -1. Taki sposób kodowania gwarantuje brak składowej

stałej, suma cyfrowa wynosi 1, a więc przyjmuje wartość

minimalną. Szybkość modulacji pozostaje przy tym

niezmieniona i dlatego nie występuje poszerzenie pasma.

Do wad tego kodowania należą:

• zwiększenie liczby poziomów do trzech, a więc pogorszenie

odporności na zakłócenia;

• brak przezroczystości kodowej wynikający z braku

synchronizacji dla odbiornika w przypadku wystąpienia

długiej sekwencji kolejnych elementów 0.

Kod RZ

W kodzie tym zastosowano elementy +1, -1 o połowę krótsze

aniżeli w kodzie NRZ. Kod ten jest lepszy od NRZ z uwagi na
większe dopuszczalne napięcie międzyszczytowe sygnału
liniowego niż w kodzie NRZ przy tym samym poziomie zakłóceń.

Kod AMI

AMI1: 1 naprzemiennie jak 00 i 11; 0 10

AMI3: 0 10 po 11 i 01 oraz 01 po 00 i 10; 1
naprzemiennie 00 i 11

Przykład

: 0 1 1 0 0 1 1 1

AMI1: 10 11 00 10 10 11 00 11

AMI3: 10 11 00 01 10 00 11 00

Kod HDBn

Zasada tworzenia sygnału liniowego jest następująca:
• jeśli liczba kolejnych 0 nie przekracza "n" to zasada

jest taka sama jak dla kodu bipolarnego NRZ;

• ( n+1 ) elementów 0 przypisuje się kombinację

B0 ... 0V lub 00 ... 0V;

• V={+1;-1} i przyjmuje się taką polaryzację jak

najbliższy poprzedni element niezerowy;

• B={+1;-1} i jest normalnym elementem

bipolarnym;

• pomiędzy elementami V musi znajdować się

nieparzysta liczba elementów bipolarnych B

Zasada kodowania HDBn

Zasada kodowania polega na odwzorowywaniu
elementu “1” przemiennie w impulsy dodatnie i
ujemne zaś “0” w zerowy poziom sygnału, o ile nie
występuje sekwencja zawierająca więcej niż dwa “0”.
W sekwencjach dłuższych każde trzecie zero jest
zastępowane impulsem zakłócającym regułę
przemienności, tzn. impulsem o polaryzacji zgodnej z
polaryzacją ostatniego impulsu.
Impulsy zakłócające zmieniają polaryzację z impulsu
na impuls eliminując w ten sposób zastępowanie
długich sekwencji zer sekwencjami impulsów o
jednakowej
polaryzacji.
Zapobiega to uwypukleniu niepożądanej
niskoczęstotliwościowej części widma.

Kod HDB-2

Kod HDB-2 (ang. „High Density Bipolar Code”)

należy do grupy kodów transmisyjnych, których

zadaniem jest odpowiednie kształtowanie właściwości

transmisyjnych sygnału liniowego

• Kody transmisyjne powinny posiadać wiele cech

niezbędnych do realizacji transmisji przy istniejących

ograniczeniach ze strony kanału transmisyjnego i

współpracujących z nim urządzeń

• Elementy liniowe o czasie trwania równym połowie

okresu charakterystycznego T

• Zwiększenie liczby poziomów do trzech zapewniło

korzystne własności widmowe sygnału pociągając za

sobą zmniejszenie zniekształceń interferencyjnych, a

tym samym powiększenie zasięgu i podniesienie

jakości transmisji

• Zapewnienie dobrych właściwości

synchronizacyjnych uzyskuje się przez częste zmiany

stanu sygnału nawet wtedy gdy stan sygnału danych

nie ulega zmianie

Reguła tworzenia

sygnału liniowego kodu

Opis elementów sygnału:
• V – element o polaryzacji zgodnej z poprzednim
elementem niezerowym.
• B – element o polaryzacji przeciwnej do
poprzedniego elementu niezerowego.

Elementy B i V:
mają wartość “0” przez pierwszą połowę odstępu
charakterystycznego T mają wartość “d” przez drugą połowę
odstępu charakterystycznego (gdzie d oznacza amplitudę
impulsu prostokątnego).

Kod HDB-2:

Eliminacja długich

sekwencji

• Dzięki eliminacji długich sekwencji zer kod

HDB-2 posiada dobre właściwości

synchronizujące

• W wyniku wprowadzenia elementów V, w

sygnale nie mogą wystąpić zaniki zmian

trwające dłużej niż przez 2 odstępy

charakterystyczne T

• Wystarcza to do zachowania dobrych

warunków synchronizacji bez ograniczeń

dotyczących struktury danych.

• Zasada kodowania eliminuje składową stałą i

to w sposób niezależny od struktury danych.

Kod HDB-2:

Eliminacja długich sekwencji

• Dzięki eliminacji długich sekwencji zer kod HDB-2

posiada dobre właściwości synchronizujące

• W wyniku wprowadzenia elementów V, w sygnale

nie mogą wystąpić zaniki zmian trwające dłużej

niż przez 2 odstępy charakterystyczne T

• Wystarcza to do zachowania dobrych warunków

synchronizacji bez ograniczeń dotyczących

struktury danych

• Zmniejszenie czasu trwania impulsu do połowy

odstępu charakterystycznego pozwoliło na

zwiększenie dopuszczalnego napięcia

międzyszczytowego sygnału liniowego, przy tym

samym poziomie zakłóceń w sąsiednich torach

jak dla kodowania bipolarnego.

Kod HDB-2:

Nadmiar kodowania i

widmo

• Nadmiar wynikający z kodowania

trójstanowego (dwie informacje

odwzorowywane w trzy poziomy sygnału)

pozwala na wykrycie błędów transmisyjnych

objawiających się zakłóceniami reguły

przemienności biegunowości kolejnych

impulsów B oraz V

• Kod HDB-2 posiada dobre własności widmowe:

•

Górna granica widma nie jest obniżona w stosunku do

widma sygnału binarnego lecz istotna energetycznie

jego część jest zawężona.

• Dla dowolnego prawdopodobieństwa rozkładu

informacji widmo nie zawiera części dyskretnej.

Kod HDB-2:

Podstawowe wady kodu

• Do podstawowych wad kodu należy zaliczyć małą

odporność na zakłócenia wynikające ze zwiększenia

liczby poziomów elementów sygnału do trzech.

• Zasada kodowania wprowadza również możliwość

powielania błędów (tzw. propagacje błędów).

• Wadą kodu HDB-2 jest niemożność

natychmiastowego kodowania (i dekodowania), gdyż

zarówno w nadajniku jak i odbiorniku przed nadaniem

odpowiedniego impulsu są analizowane każde trzy

pozycje ciągu binarnego.

Kody

Właściwości widmowe kodów

Kody dla systemów

przewodowych

Kody dla systemów

przewodowych

Kod 4B3T

Kody dla systemów

przewodowych

Kod HDB3
Jeśli w sygnale binarnym występuje mniej niż trzy

zera, to kodowanie, jak w AMI; jeśli 4 zera i więcej,

to każde cztery zera są zastępowane sekwencją

000V lub B00V, gdzie B oznacza +1 lub -1 w

sygnale binarnym, poprzedzającym czwórkę. V ma

taką samą polaryzację, jak ostatni element B. 000V

lub B00V wstawia się tak, aby między elementami V

była nieparzysta liczba elementów B.

Kody dla systemów

przewodowych

Kody światłowodowe typu nB-

Dla kodów światłowodowych szybkość transmisji
(częstotliwość) wzrasta w stosunku m/n

Kod bifazowy 1B-2B

Kod AMI II

Łatwy synchronizm
Wykrywanie błędów transmisji
2 razy zwiększona szybkość
transmisji

Charakterystyka kodu nB-mB

• Składowa stała powinna być niezależna od statystyk ciągu

danych (średni poziom ciągu kodowego)

• Brak długich ciągów kolejnych zer w słowie kodowym
• Słowo kodowe powinno umożliwiać wykrywanie bł. trans.
• Powinien zabezpieczać szybką synchr. w obrębie słowa

Tworzenie słów kodowych (alfabetu kodu)

• pierwsze m bitów słowa kodowego jest równe bitom słowa

wej. binarnego, dodatkowy ostatni przyjmuje wartość „0”

jeżeli w sł. wej. było więcej „1” niż ‘0”, lub „1” w przypadku

odwrotnym

• ostatnie m bitów słowa kodowego jest równe zanegowanym

bitom słowa wejściowego (pierwszy bit =”1” jeżeli w słowie

wej. było więcej „1” niż „0” lub „0” gdy było odwrotnie