5.2. Синхронизация

Тактовая синхронизация. Итак, совершенно ясно, что такие уст-ройства, как АЦП и ЦАП, должны работать, как говорится, в такт, син-хронно. Если, скажем, АЦП выдает 8-разрядные кодовые слова:

10011010 | 101011101 | 10010101 | 100011010...,

где каждый бит появляется через строго определенные интервалы времени - такты, то, чтобы ЦАП расшифровывал именно эти кодовые комбинации, он должен «выбирать» биты из последовательности точно через те же интервалы, в те же такты. Генераторы тактовых импульсов (ГТИ) имеются как на передающей, так и на приемной сторонах. Это они дают «указания», когда АЦП выдавать, в ЦАПу соответственно принимать очередной бит. Но как согласовать действия этих генераторов, если передающая и приемная станции разделены тысячами верст, а на работу генераторов влияют температура окружающего воздуха, его влажность, изменение напряжения питания и другие факторы. В результате интервалы между управляющими (тактовыми) импульсами на передающей и приемной станциях могут существенно отличаться друг от друга, и, следовательно, ЦАП декодирует совсем не ту последовательность, которая передана. К сожалению, искажение информации случается при очень небольших расхождениях длин тактовых интервалов так как с течением времени все равно наступит момент, когда ЦАП начнет «ошибаться» в выборе битов.

Несинхронность генераторов тактовых импульсов передающей и приемной станций скажется также и на том, что «двери» мультиплек-сора будут открываться не в такт друг с другом. Как в случае несовпа-дения скоростей вращения щеток в распределителях Бодо, информа-ция из одного канала передающей станции будет попадать совсем в другой канал приемной станции. Вывод из всего сказанного один: нуж-но синхронизировать работу генераторов передающей и приемной станций на каждом такте. Для этого достаточно знать на приемной сто­роне частоту следования тактовых импульсов, и управлять генерато-ром приемной станции так, чтобы он выдавал импульсы с той же час-тотой (такое же количество в секунду). И, конечно же, управление гене-ратором должно производиться автоматически, без участия человека.

Рис. 5.7. Выделение тактовых импульсов из цифрового потока

Мы уже говорили о том, что цифровой поток можно представить в виде суммы двух последовательностей: регулярной и случайной (см. рис. 1.14), т.е. можно увидеть тактовые импульсы в явном виде. В спектре такого сигнала присутствуют основная и высшие гармоники тактовой частоты (см. рис. 1.15). Значит, с помощью электрического фильтра можно выделить из цифрового потока колебание тактовой частоты и затем сформировать из него тактовые импульсы (рис. 5.7).

Электрический фильтр подключают на приемной станции к линии связи параллельно с приемником, чтобы он не мешал цифровому по­току попадать в приемник и в то же время сам мог анализировать частотное «содержание» этого потока. Поскольку фильтр изготавли­вается заранее настроенным на частоту тактовых колебаний, он и выделяет из поступающего на его вход цифрового потока колебание именно данной частоты. Но колебание одной частоты - это всегда синусоидальное колебание. Однако с помощью специальных уст­ройств - усилителя и ограничителя - из него легко «изготовить» ко­лебания в виде последовательности тактовых импульсов. Они-то и будут управлять генератором приемной станции, заставляя его вы­давать импульсы с точно таким же интервалом. Синхронизация по тактам действует!

Может возникнуть мысль отказаться от генератора на приемной станции, поскольку тактовые импульсы получены из цифрового пото­ка. Однако это не разумно. Если по каким-либо причинам система синхронизации даст сбой и тактовые импульсы на какое-то время пропадут, то связь по всем каналам немедленно нарушится, что недопустимо. Наличие же генератора на приемной станции дает гарантию что нарушения связи не произойдет: пройдет достаточно много времени, прежде чем генератор выйдет из синхронизма, а за это вре-мя тактовые импульсы могут вновь появиться.

Сбой в синхронизации может произойти по многим причинам. Вот них. Глубокой ночью, когда большинство абонентов спит и, естественно, не пользуется услугами связи, в подавляющем боль-ниве каналов информация не передается, и в цифровом потоке появляются очень длинные последовательности нулей. Не исключено появление длинных последовательностей нулей в цифровом потоке и в любые другие часы.

Устранить эти «белые пятна» в цифровом потоке можно с помощью следующего приема. К двоичным символам цифрового потока прибавляется по правилам двоичной арифметики некоторая двоичная последовательность:

• Цифровой поток 01110000000000000000011

• Скремблер 10101010101010101010101

• Поток в линии 11011010101010101010110

Как видите, в цифровом потоке исчезли длинные последовательности нулей. Теперь из него снова можно выделить тактовые импульсы. А чтобы вернуться к исходному потоку, перед тем как подать его в приемник, нужно снова сложить его по законам двоичной арифметики же двоичной последовательностью. Убедитесь в этом сами, без нашей помощи.

Подобная операция получила у специалистов название «скремблирование» (от английского слова scramble - перемешивать). Выпол-няется она довольно просто с помощью микросхем, «умеющих» скла-дывать, двоичные цифры по нужным правилам. Это так называемые сумматоры по модулю 2», они выпускаются промышленностью. цифровой поток, перед тем как отправить его в линию, подают на один из входов этого сумматора, на второй его вход поступает двоич-ная последовательность выбранной структуры. Результат суммиро-вания-«скремблированный» цифровой поток - направляется в ли-нию связи. Он уже не содержит длинных последовательностей нулей. Точно такой же сумматор есть и на приемной станции. Через него пропускаются» выходящий из линии цифровой поток и та же после-довательность, что и на передаче. Происходит «дескремблирова-ние . и восстановленный в первоначальном виде поток обрабатыва-ется приемником. Естественно, что для выделения тактовых импуль-сов используют цифровой поток, еще не подвергшийся процедуре восстановления.

Итак, синхронизация цифровой системы передачи на каждом такте ив работы осуществлена. Но этого недостаточно. Хотя теперь на приемной станции подключение линии к каналам и происходит в такт с передающей станцией, нужно еще знать, к какому конкретному ка­налу следует в данный момент подключить линию связи. Другими словами, речь идет о том, что приемная и передающая «электронные щетки» - мультиплексор и демультиплексор, как и в системе Бодо, должны начинать свое «вращение» с одного и того же положения, например с первого канала.

Как же решил эту проблему в своем изобретении Ж. Бодо? Он применил оригинальное и довольно простое устройство синхрониза­ции. Если вы посмотрите внимательно на рис. 5.3, на котором изо­бражена система Бодо с «чередованием кодовых комбинаций», то обратите внимание, что на распределителях кроме четырех ламелей (по пять сегментов в каждой), соединенных с четырьмя телеграфны­ми аппаратами, есть еще совершенно отдельный, не связанный ни с одной ламелью, 21-й сегмент. На передающем распределителе к нему подключена батарея, а на приемном - электромагнит тормоз­ного устройства. Мотор приемного распределителя вращается чуть быстрее, чем передающего. Теперь представим, что щетка на прием­ной станции находится в конце упомянутого нами 21-го сегмента. Пусть в это время из-за меньшей скорости работы мотора щетка на передающей станции только-только вступает на такой же сегмент. Заметьте, цепь электромагнита тормозного устройства замкнулась. В результате мотор приемного распределителя притормозился, и его щетка застыла на месте. Она останется неподвижной до тех пор, пока щетка передатчика не совершит весь свой путь по 21-му сегменту. Миг довольно краткий, но его хватает, чтобы выровнять положение щеток и начать их движение и на приеме, и на передаче с одной и той же позиции, а именно с самого первого в распределителях сегмента. Синхронность начала движения щеток (еще говорят: их синфазность) достигается в системе Бодо за счет притормаживания приемного рас­пределителя и установки его тем самым в начальное положение. Ес­ли один оборот щеток считать за один цикл передачи информации от всех телеграфных аппаратов, то можно сказать, что каждый новый цикл щетки обоих распределителей начинают одновременно. Такой вид синхронизации уместно назвать синхронизацией по циклам.

Взглянем на устройство синхронизации, предложенное Ж. Бодо, с несколько более общих позиций. Когда щетка передающего распре­делителя скользила по сегменту, соединенному с батареей, в линию посылается «отрезок» постоянного тока, т.е. импульс. Этот импульс является ничем иным, как синхросигналом, дающим приемнику ука­зание «начинаем новый цикл!», и приемник исполнял эту директиву, притормаживая распределитель с тем, чтобы сразу же после окон­чания синхросигнала начать новый цикл. Таким образом, один цикл работы системы Бодо включает в себя (рис. 5.8) передачу в линию сначала сигнала синхронизации, а затем поочередно 5-разрядных кодовых комбинаций букв от каждого телеграфного аппарата.

Рис. 5.8. Цикл передачи в системе Бодо

Длится такой цикл по современным понятиям невероятно долго - около 200 мс. Это и понятно, ведь мотору приходится совершать около 5 об./с (300 об./мин), а для небольших моторов это и сейчас едва ли не предел.

Схему, предложенную Бодо, можно считать прямой предшественницей схем цикловой синхронизации, применяемых в современных цифровых системах передачи, поскольку и во всех современных системах, перед тем как объединять цифровые потоки различных каналов, в приемник посылается сигнал о начале цикла. Приемное устройство «знает»: поступил такой синхронизирующий сигнал - распа­хивай «двери» демультиплексора для цифрового потока первого ка­нала. Затем под «руководством» тактовых импульсов открываются следующие «двери» для цифровых потоков остальных каналов. приходом нового синхросигнала начинается все сначала, опять с первых «дверей». синхросигнал нужно как-то отличать от других принятых комбина-ций. Для этого ему присваивают вполне определенную комбинацию I. Например, в разработанной российскими специалистами системе передачи ИКМ-30 для синхросигнала принята следующая ком-бинация: 0011011 (рис. 5.9). Но где гарантия, что подобная комбина-ция импульсов не встретится и в цифровом потоке какого-либо канала? Конечно, такое может произойти, но только не так часто. Вероят­ность данного события чрезвычайно мала. А вот синхросигнал такой структуры встречается с завидной регулярностью - через каждые 250 Это его свойство - повторяемость - используется для «узнава-ния . Необходимо каждую принятую кодовую комбинацию сравнивать с комбинацией синхросигнала, которая на приеме известна и хранит-ся в ячейке памяти. Специальное устройство следит за тем, регуляр­но ми появляется такая комбинация. Если через каждые 250 мкс, то все в порядке - мы имеем дело с синхросигналом. Решение принима-ется обычно после нескольких его повторений.

При включении аппаратуры в работу цикловой синхронизм уста-навливается не сразу, а через определенный промежуток времени, который называется временем вхождения в синхронизм.

Это время должно быть достаточно малым (не более нескольких миллисекунд). В противном случае при случайной потере синхронизма может про­изойти разъединение абонентов приборами АТС.

Рис. 5.9. Цикл передачи в системе ИКМ-30

Поиск состояния синхронизма осуществляется последовательным контролем и сравнением кодовых групп группового сигнала с эталоном синхросигнала, который вырабатывается генераторным оборудовани­ем (ГО) приемной станции. Если кодовая группа не соответствует эта­лону, приемник синхросигнала осуществляет сдвиг («торможение») последовательности управляющих импульсов, вырабатываемых ГО приема, на один период тактовой частоты. Такое «торможение» прием­ного ГО по отношению к передающему продолжается до тех пор, пока между сравниваемой кодовой группой и эталоном синхросигнала не установится однозначное соответствие, фиксирующее состояние син­хронизма в системе.

Все кодовые комбинации в объединяемых цифровых потоках име­ют по восемь разрядов, а синхросигнал - только семь (см. рис. 5.9). Значит, комбинацию синхросигнала можно дополнять до «стандарт­ного» числа разрядов, т.е. до восьми, передавая в «пустом» проме­жутке времени биты, например, от персональных компьютеров. Ско­рость передачи таких данных достигает при этом 8 кбит/с.

Получается, что с вводом сигнала синхронизации в цифровой сис­теме передачи, по сути, организован еще один «стандартный» канал, в котором скорость передачи битов (вместе с битом компьютерных данных) оказывается равной 64 кбит/с и который, следовательно, ни­чем не отличается от основных, или информационных, каналов. Он не относится к информационным каналам, а является служебным и создан для обслуживания самой системы передачи. Цифра же 30 в названии системы передачи указывает на количество только инфор­мационных каналов. Существует еще один служебный канал, 32-й (по счету но не по расположению его среди других), который тоже явля-ется стандартным, со скоростью 64 кбит/с. Правда, предназначен он уже не для обслуживания цифровой системы передачи. По нему пе­редают различные служебные сигналы, без которых невозможно установление связи, например: импульсы от номеронабирателя, сигнал в том, что абонент занят (короткие гудки), и многие другие, используемые на телефонных станциях для управления ее приборами.