Линейный тракт систем передачи с ИКМ

Исходный код ИКМ сигнала представляет собой однополярную двухуровневую последовательность. Для того, чтобы понять каков спектр ИКМ сигнала и определить возможность его передачи по линиям связи необходимо представить мультиплексированный сигнал ИКМ в разложенном на 2 составляющие виде:

Рис. 6.16. – Разложение произвольного двоичного кода на две составляющие: постоянную U₁(t) и случайную U₂(t)

Таким образом, видно, что имеется регулярная и случайная составляющая данного сигнала, которые имеют дискретный и сплошной спектр соответственно (рис. 6.17.).

Рис. 6.17. – Спектр ИКМ-сигнала

Известно, что любая линия связи (симметричная, коаксиальная) имеет ограниченную полосу пропускания сверху. Затухание растет с ростом частоты. А низкочастотные составляющие и постоянная составляющая подавляются различными трансформаторами в цепях (постоянный ток не индуцирует магнитное поле в катушке). Тогда полоса пропускания линии передачи будет выглядеть как показано на рис 6.18.

Рис. 6.18. – Полоса пропускания линии связи

Влияние ограничений по частоте приводит к искажениям передаваемого, в показанном на рис 6.16. сигнале. Ограничение верхних частот ведет к образованию межимпульсных помех первого рода.

Рис. 6.19. – Межимпульсные помехи 1 рода

Ограничение нижних частот и постоянной составляющей ведет к образованию межимпульсных помех второго рода.

Рис. 6.20. – Межимпульсные помехи 2 рода

Наличие межимпульсных помех ведет к неверному приему кодовых комбинаций, появлению ошибок. Поскольку приемное оборудование не сможет четко распознать какой сигнал поступил на вход единица или ноль. Т.е. возникает большая вероятность неверного распознавания поступающих данных. Таким образом, однополярная двухуровневая последовательность импульсов по особенностям спектра является неприемлемой для непосредственной передачи по линейному тракту.

Поэтому линейный цифровой сигнал должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Иметь как можно более узкий энергетический спектр. В нем должна отсутствовать постоянная составляющая и ослаблены высоко- и низкочастотные составляющие;

2. Иметь высокую и почти постоянную плотность импульсов (количество импульсов на единицу времени);

3. Обеспечивать возможность выделения тактовой частоты.

Перечисленные требования могут быть выполнены введением избыточности, т.е. преобразованием исходящего кода с основанием 2 в код с основанием > 2.

Известны следующие основные коды цифровых сигналов:

– биполярный код (квазитроичный или код с чередованием полярности);

– биполярные коды с высокой плотностью единиц (достигается путем замены определенного числа последовательных нулей специальными кодовыми комбинациями – коды типа КВПЕ (код высокой плотности единиц – High Density Bit (HDB-3)) и BNZS (Bipolar with N Zeroes Substitution – биполярный код с заменой серии из N нулей) либо путем преобразования символов всей двоичной последовательности – парно-избирательный троичный код и почти разностный квазитроичный код ПРКК);

– биполярные коды, понижающие тактовую частоту передаваемого сигнала.

12 Принципы коммутации

Коммутация на сети – это комплекс технических операций, в результате которых между любыми абонентами по определенной адресной информации устанавливается соединение.

Классификация:

1. По принципу реализации: - ручная; - автоматическая;

2. По продолжительности: - оперативная; - кроссовая;

3. По типу коммутации:

- каналов – это соединение узлов с образованием сквозного канала на время необходимое для передачи информации.

- сообщений – в этом случае, информация передается от узла к узлу последовательно по мере свободности узлов. Длина сообщения как правило не ограничивается.

- пакетов (виртуальный, датаграммный). В случае коммутации пакетов, сообщение разбивается на пакеты заданной длины, которые могут передаваться либо по заранее установленным маршрутам либо по принципу до следующего свободного узла по адресной информации, записанной в заголовке пакета.

4. По принципу коммутации: - временная; - пространственная; - пространственно-временная.

На рис. 3.1. показана упрощенная структурная схема коммутационного узла, содержащая коммутационное поле, осуществляющее коммутацию информации, линейные комплекты подключающие пользователей или другие коммутационные узлы и управляющее устройство, контролирующее работу всего узла.

Рис. 3.1.

13 Комутаторы Клоза

Clos-коммутаторы

Клос доказал, что для того, чтобы трехкаскадный коммутатор имел неблокирующую архитектуру, необходимое количество коммутаторов k в среднем каскаде должно быть не меньше 2n–1.

Для доказательства условия Клоса рассмотрим трехкаскадный Clos-коммутатор (N, n, k), имеющий N входов, с размерностью коммутаторов в первом каскаде n x k, показанный на рис. 3.6. В самом худшем случае требуется установить соединение, исходящее от коммутатора n x k, в котором уже занято (n–1) соединений, оккупирующих (n–1) промежуточных коммутаторов, то есть коммутаторов второго каскада. Пусть, кроме того, это соединение требуется установить с выходным коммутатором, в котором также занято (n–1) выходов, которые занимают еще (n–1) коммутаторов второго каскада. Следовательно, занятыми оказываются 2(n–1) коммутаторов второго каскада, а для того, чтобы можно было установить еще одно соединение, потребуется еще один коммутатор во втором каскаде. Таким образом, их общее количество во втором каскаде должно быть не менее 2(n–1)+1=2n–1.

Теперь рассмотрим, сколько точек пересечения имеет Clos-коммутатор (N, n, k). Учитывая, что количество коммутаторов во втором уровне должно быть равным k=2n–1, получим:

Таким образом, количество точек пересечения зависит от размерности количества входов n в каждом коммутаторе первого каскада или от количества выходов в коммутаторах в третьем каскаде. Поэтому, продифференцировав данную зависимость по количеству входов n, можно определить минимальное количество точек пересечения:

Рис. 3.6. –Условие неблокирующей архитектуры трехкаскадного

Clos-коммутатора (N, n, k)

Условие минимального значения определяется равенством нулю производной функции, но при достаточно большом значении n последним членом выражения можно пренебречь. Тогда:

Таким образом, для обеспечения минимально возможного количества точек пересечения необходимо, чтобы коммутаторы в первом уровне имели бы по N/2 – входов и (2n–1) выходов. Количество точек пересечения при этом будет равным:

Как нетрудно заметить, что полученное количество точек пересечения меньше, чем N 2, при N>32.

14 Баньяновидные коммутаторы

В баньяновидных коммутаторах простейшим коммутационным элементом, называемым также бета-элементом (b-элемент), является коммутационная матрица, состоящая из двух входящих и двух выходящих портов.

Структурная схема такого базового элемента, представленная на рис. 3.7., включает управляющую логическую схему, назначение которой заключается в обработке заголовков пакетов и в принятии решения о состоянии коммутационной матрицы, а также регистр-защелку для фиксации принятого решения и линий задержки в целях синхронизации коммутационной матрицы и входных сигналов. Сама коммутационная матрица может обеспечивать либо прямое соединение между входами и выходами, либо перекрестное.

Рис. 3.7.

Баньяновидные сети, строятся путем формирования рекурсивных каскадов бета-элементов, каждый из которых обрабатывает входящую ячейку в соответствии с управляющим битом. Если этот бит равен нулю, то коммутируется прямое соединение с выходным портом бэта-элемента, в противном случае – с диагональным (рис. 3.8.).

Рис. 3.8.

Управляющее слово легко формируется путем сложения по модулю 2 номеров входа и выхода.

При построении баньяновидного коммутатора 4x4 (рис. 3.9) используются два каскада бета-элементов, а для построения маршрута коммутации необходимо использовать два управляющих бита. Например, для коммутации порта 00 и 01 необходимо сложить их номера по модулю 2, получим 00Å01=01. То есть 1 замыкает коммутатор первого звена по диагонали, а 0 напрямую коммутирует коммутатор второго звена.

Рис. 3.9

Баньяновидный коммутационный элемент размером 8х8 формируется рекурсивно и состоит из трех каскадов бета-элементов, а для указания маршрута коммутации требуется использовать уже три адресных бита.

Например, для коммутации порта 010 и 001 необходимо сложить их номера по модулю 2, получим 010Å001=011. То есть по диагонали замыкаются коммутаторы первого и второго звена и напрямую коммутатор третьего звена.

Рис. 3.10.

Учитывая рекурсивный способ формирования каскадов баньяновидных коммутационных сетей, нетрудно подсчитать, что количество входов в таких коммутационных сетях представляется как степень числа 2 (2, 4, 8, 16, 32 и т.д.) и с увеличением числа входов вдвое добавляется еще один каскад, поэтому количество входов можно связать с числом каскадов по формуле N = 2^k, где k — количество каскадов в схеме. Соответственно количество каскадов определяется как k = log₂N, а учитывая то, что в каждом каскаде имеется N/2 бета-элементов, мы найдем, что в баньяновидной коммутационной сети размером NxN общее количество бета-элементов составит (N/2)log₂N.

Минусом баньяновидных сетей является их блокирующая архитектура, причем вероятность блокировки быстро возрастает с ростом сети.

15 Пакетные коммутаторы