Podręcznik: Synchronizacja częstotliwości taktowania w cyfrowych sieciach transmisyjnych

3. Synchronizacja częstotliwości

3.1. Synchronizacja częstotliwości taktowania w cyfrowych sieciach transmisyjnych

Niezależnie od tego z jakim typem przesyłania sygnałów cyfrowych mamy do czynienia: synchronicznym, pakietowym czy asynchronicznym zawsze w urządzeniach sieciowych są układy taktowania pracujące z pewną, określoną częstotliwością, częstotliwością nominalną. Sygnały przez nie nadawane mają określone, nominalne przepływności binarne. Jeżeli układ taktowania urządzenia pracuje z inną niż nominalna częstotliwością to również przepływność binarna sygnału nadawanego przez to urządzenie różni się od przepływności nominalnej. W sygnale nadawanym są tworzone kanały transmisyjne przeznaczone do transportu sygnałów klientów sieci transmisyjnej. Przepustowość kanału transmisyjnego powinna być identyczna jak przepływność binarna sygnału klienta na całej drodze transmisyjnej, to jest od urządzenia, w którym sygnał jest wprowadzany do sieci do urządzenia, z którego sygnał jest wyprowadzany z sieci.
Układ taktowania urządzenia generującego sygnał cyfrowy, który ma być przesłany nie musi być zsynchronizowany z układam taktowania urządzenia sieciowego. W takim przypadku przepływność binarna sygnału wejściowego jest inna niż przepływność nominalna. Gdyby urządzenie wejściowe, nie bacząc na to jaka jest przepływność binarna sygnału wejściowego utworzyło kanał transmisyjny o przepływności nominalnej to jego przepustowość byłaby niedopasowana do przepływności binarnej sygnału – byłaby zbyt duża albo zbyt mała. Aby temu zaradzić trzeba wprowadzić pewien mechanizm dopasowania przepustowości do przepływności binarnej. Byłoby to zbędne w przypadku synchronizacji częstotliwości taktowania obu wspomnianych urządzeń. Podobny problem pojawia się wewnątrz sieci transmisyjnej, jeżeli urządzenia sieciowe nie są zsynchronizowane. Wystąpi wtedy niedopasowanie przepustowości kanałów wejściowego i wyjściowego. Również i w takim przypadku musi być zastosowany pewien mechanizm dopasowania. Tym razem przepustowość kanału wyjściowego musi się dopasować do przepustowości kanału wejściowego. I znowu można by tego uniknąć, gdyby zegary taktujące urządzeń sieci transmisyjnej były zsynchronizowane.
Wspomniane dopasowania są nazywane dopełnianiem. Dopełnianie może być:

dodatnie, gdy przepustowość kanału jest zmniejszana
ujemne, gdy przepustowość kanału jest zwiększana
dopełnianie zerowe, gdy jest dopasowanie.

Ilustruje to rysunek 4.5.

Rys. 4.5. Rodzaje dopełniania

Zastosowanie dopełniania zawsze jest źródłem potencjalnych błędów binarnych, ale ich liczba jest znacząco mniejsza niż gdyby dopełniania nie stosować. Zostanie to wyjaśnione dalej. Reasumując dopełnianie jest zbędne, gdy sieć jest zsynchronizowana, czyli gdy we wszystkich urządzeniach tej sieci zegary taktujące pracują z tym samym taktem. Wskazane byłoby również zsynchronizowanie układów taktowania urządzeń zewnętrznych, które generują sygnały przesyłane przez sieć.

W sieciach hierarchii PDH – sieciach plezjochronicznych – każde urządzenie może korzystać z własnego niezsynchronizowanego z innymi zegara taktującego. Nie są to zegary pracujące całkowicie dowolnie. Ich częstotliwości taktowania muszą być takie, by sygnały wyjściowe miały przepływności binarne mieszczące się w pewnym ustalonym zakresie o czy była mowa wcześniej.
Jeżeli odbierany sygnał cyfrowy, na przykład E2 jest multipleksowany i dalej transmitowany, to w sygnale wyjściowym E3 z multipleksera musi być utworzony kanał o przepustowości dopasowanej do przepływności binarnej sygnału multipleksowanego. Przepustowość tego kanału nie może być stała, bo przepływność binarna sygnału multipleksowanego nie jest ustalona. Przepustowość zależy od zegara używanego w multiplekserze, a przepływność od zegara generującego sygnał multipleksowany. Zegary te nie są zsynchronizowane w sieciach plezjochronicznych. Dopasowanie przepustowości kanału do przepływności w multiplekserze nazywa się dopełnianiem. W systemach plezjochronicznych założono, że maksymalna przepustowość binarna kanału znacznie przewyższa dopuszczalne maksymalne przepływności sygnałów multipleksowanych, a to oznacza, że dopasowanie zawsze wiąże się ze zmniejszaniem dostępnej przepustowości kanału. Ten rodzaj dopełniania nazywa się dopełnianiem dodatnim i polega on na dokładaniu dodatkowych bitów (usuwanych po stronie odbiorczej), rysunek 4.6, tak by razem z bitami sygnału multipleksowanego zapełnić całą dostępną przepustowość kanału transmisyjnego. Wstawienie dodatkowych bitów powoduje zmianę fazy bitów sygnału multipleksowanego. Po stronie odbiorczej trzeba nie tylko usunąć dodatkowe bity, ale też usunąć zniekształcenia fazowe w przesyłanym sygnale. Analogowe pętle fazowe używane do tego celu nie „radziły sobie” z fluktuacjami o dużych amplitudach oraz fluktuacjami wolnozmiennymi (wander). Dlatego w standardach PDH przyjęto rozwiązanie, w którym dopełnianie występuje z dużą częstością i jest tylko jednobitowe.

W sygnale E2 w każdej nadawanej ramce dla multipleksowanego sygnału E1 przeznaczono maksymalnie 206 bitów, z tym że jeden bit jest bitem dopełniania, co oznacza, że może w zależności od potrzeb być zapełniony nie bitem z sygnału E1, ale bitem dopełniającym wstawionym przez system E2. Maksymalna przepustowość kanału dla sygnału E1 w strumieniu E2 wynosi około 2,05223 Mb/s. Tymczasem nominalna przepływność sygnału E1 wynosi 2,048 Mb/s i może różnić się nie więcej niż o około ± 102 b/s. Częstość dopełniana w przypadku sygnału o przepływności nominalnej wynosi około 4,2 kb/s (jest to tak zwane dopełnianie nominalne) i taką też częstość mają fluktuacje fazy sygnału podawanego na wejście pętli cyfrowej odtwarzania fazy. Są to fluktuacje szybkozmienne – jitter, o małej amplitudzie w dużym stopniu możliwe do wyeliminowania przez analogowe pętle fazowe. Częstość dopełniania w systemach plezjochronicznych można obliczyć korzystając ze wzoru:

$\vartheta_{dop}=\dfrac{p_{En+1}}{N\left(1+\frac{P}{Q}\right)}-p_{En}$
gdzie:

$\vartheta_{dop}$ – częstość dopełniania, p_En₊₁ i p_En – przepływności binarne sygnałów E_n₊₁ i E_n, N – krotność systemu, P – liczba bitów dopełniania w ramce sygnału E_n₊₁ , Q – liczba wszystkich bitów w ramce, które mogą być bitami multipleksowanymi (także bitów dopełniania).

Rys. 4.6. Dopełnianie dodatnie w systemach PDH

Gdyby dopuścić oprócz dopełniania dodatniego, także możliwość dopełniana ujemnego, czyli zwiększania przepustowości kanału ponad przepustowość dopasowaną do przepływności nominalnej sygnału multipleksowanego wówczas sytuacja byłaby inna. Gdy sygnał multipleksowany miałby przepływność binarną nominalną, żadne dopełnianie nie byłoby potrzebne, co odpowiadałoby przypadkowi synchronizacji częstotliwości. Taki przypadek wymagałby zmiany struktury ramek. Jeżeli różnice częstotliwości byłyby nieznaczne, na przykład wymagające dopełniania raz na minutę, to mielibyśmy do czynienia z wolnozmiennymi fluktuacjami, z którymi analogowa pętla fazowa nie poradziłaby sobie. Transmitowany sygnał były obarczony nie tylko bardzo dużymi fluktuacjami fazy, ale i w rezultacie licznymi błędami binarnymi. Synchronizacja sieci transmisyjnych w przypadku systemów plezjochronicznych nic nie daje pod warunkiem, że sygnały mają przepływności mieszczące się w dopuszczalnym zakresie tolerancji.
Wprowadzenie rozwiązania z dopełnianiem dodatnim, ujemnym i brakiem dopełniania stało się możliwe dopiero po wynalezieniu i skonstruowaniu cyfrowych pętli fazowych. Potrafią one skutecznie eliminować nie tylko fluktuacje wolnozmienne, ale i fluktuacje mające dużą amplitudę. Takie rozwiązanie po zsynchronizowaniu zegarów taktujących prowadzi do systemów synchronicznych.
Częstość dopełniania można zawsze obliczyć z następującej zależności:
$\vartheta_{dop}=\frac{p_k-p_s}{L_{dop}}$
gdzie: p_k – przepustowość kanału w sygnale wyjściowym, p_s – przepływność binarna sygnału wejściowego, L_dop – liczba bitów jednorazowego dopełniania.

W teletransmisyjnych systemach synchronicznych SDH, pracujących w sieci w pełni zsynchronizowanej dopełnianie nie zachodzi. Możliwość dopełniania w tych sieciach musi być jednak brana pod uwagę, na przykład ze względu na możliwość uszkodzenia sieci synchronizacyjnej, albo przesyłania sygnałów między dwiema sieciami wzajemnie niezsynchronizowanymi (przypadek pracy pseudosynchronicznej). W tym celu we wskaźniku jednostki administracyjnej AU albo jednostki składowej TU wprowadzono mechanizm dopełniania dodatniego i ujemnego, który jest używany w razie potrzeby. Dopełnianie w sieciach SDH jest dopełnianiem jedno- albo trzybajtowym i najczęściej powoduje wolnozmienne fluktuacje fazy.
Rozpatrzmy następujący przypadek. Sygnał wyjściowy STM-4 z multipleksera liniowego ma przepływność binarną 622,08 Mb/s, a przepływność binarna jednego z czterech sygnałów wejściowych STM-1 wynosi 155,52 Mb/s + 10 ppm. Obliczmy częstość dopełniania w takim przypadku zakładając, że sygnał STM-1 pochodzi z sieci zsynchronizowanej. Należy pamiętać, że dopełnianie dotyczy sygnałów transferowanych przez multiplekser, a więc ścieżki VC-4 a nie sygnału STM-1. Należy zatem najpierw obliczyć przepływność binarną strumienia VC-4.
155,52 Mb/s + 10 ppm = 155,52 Mb/s + 1555,2 b/s
W strumieniu STM-1 bity kontenerów VC-4 stanowią 261/270 (patrz struktura ramki STM-1), a więc przepływność strumienia VC-4 wynosi:
PVC-4 = (261·155,5215552)/270 Mb/s = 1503375 Mb/s
Przepustowość kanału dla tego strumienia w sygnale STM-4 wynosi:
(261/270)·(622,08/4) Mb/s = 150,3359 Mb/s
Różnica między przepustowością kanału wyjściowego a przepływnością binarną sygnały VC-4 wynosi zatem:
(150,3359 – 150,3375) Mb/s = - 1600 b/s
W przypadku dopełniania poprzez wskaźnik jednostki administracyjnej AU-4 dopełnianie jest zawsze dopełnianiem 24 bitowym, stąd częstość dopełniania

$\vartheta_{dop}$ wynosi:

$\vartheta_{dop}=\frac{1600\ b/s}{24\ b}=66\left(6\right)\ razy/s$
Jest to dopełnianie ujemne, gdyż przepustowość kanału jest mniejsza od przepływności binarnej sygnału wejściowego

Mechanizm dopełniania dotyczy również optycznych sieci transportowych hierarchii OTH, ale przede wszystkim w przypadku sygnałów spoza sieci OTH przez nią transmitowanych. Wewnątrz sieci problem ten w zasadzie nie istnieje, jeżeli urządzenia sieciowe są w pełni optyczne, to znaczy nie dokonują konwersji sygnałów optycznych na elektryczne i odwrotnie. Impulsy światła są wtedy retransmitowane z takim samym taktem z jakim pojawiają się na wejściu. Nie są one buforowane i opóźniane. Sygnały wejściowe do sieci OTH są zawsze sygnałami elektrycznymi. W urządzeniu wejściowym bity sygnału wejściowego są umieszczane w kolejnych ramkach systemu OTH. I tu, tak jak w innych rozwiązaniach musi być uwzględniony mechanizm dopełniania. Opiera się on na ośmiobitowym dopełnianiu, które może być zarówno dopełnianiem dodatnim, jak i ujemnym. Jeżeli źródłem sygnału wejściowego jest urządzenie zsynchronizowane z siecią OTH to oczywiście dopełnianie nie będzie występowało.

Odpowiedzmy na następujące pytanie: w jaki sposób urządzenie detekuje potrzebę zastosowania mechanizmu dopełniania?
Odbywa się to poprzez zastosowanie, tak zwanej pamięci buforowej typu FIFO (rysunek 4.7), do której wpisywane są kolejne bity sygnału przychodzącego. Wpis odbywa się z częstością pojawiania się tych bitów na wejściu. Odczyt bitów odbywa się z częstotliwością jaka wynika z częstotliwości taktowania w urządzeniu. Różnica między częstością i częstotliwością będzie skutkowała zmianą stopnia zapełnienia pamięci buforowej. Stopień zajętości pamięci jest monitorowany i na tej podstawie podejmowana jest decyzja o dopełnianiu.

Rys. 4.7. Pamięć buforowa (kolorem niebieskim zaznaczono zajęte komórki pamięci

W każdym urządzeniu sieci SDH jest pamięć buforowa, w której są ustalone dwa adresy graniczne rysunek S8 .Jeżeli wpis danych do pamięci odbywa się szybciej niż ich odczyt to pamięć będzie się stopniowo zapełniała. Gdy przekroczy górny adres graniczny uruchomiony zostanie mechanizm dopełnia ujemnego. Z kolei jeżeli wpis odbywa się wolniej niż odczyt to stopień zajętości pamięci danymi będzie się zmniejszał, gdy zejdzie poniżej dolnego adresu granicznego uruchomiony zostanie mechanizm dopełniania, tym razem dopełniania dodatniego.

Należy pamiętać, że każde dopełnianie nie tylko wprowadza fluktuacje fazy, ale w ich efekcie jest źródłem błędów binarnych (przekłamań bitów). Dlatego tak ważna jest synchronizacja częstotliwości taktowania.
Synchronizacja częstotliwości taktowania i zagwarantowanie możliwości pracy synchronicznej, to jest bez dopełniania, jest bardzo ważna jeszcze z jednego powodu. Aby to wyjaśnić posłuszny się sieciami hierarchii PDH. Przyjmijmy, że sygnał zewnętrzny, który ma być przesyłany przez sieć plezjochoniczną PDH ma pewną stałą przepływność binarną. Kanał transmisyjny utworzony do przesyłania tego sygnału ma przepustowość taką samą jak jego przepływność binarna. Po dotarciu do odbiornika sygnał ten nie jest od razu podawany na wyjście tylko najpierw zapisywany w pamięci buforowej FIFO, bit po bicie, tak jak bity docierają do odbiornika, a więc z częstotliwością wynikającą z zegara taktującego w nadajniku. Odczyt danych odbywa się z częstotliwością taktowania obowiązującą w odbiorniku, a ponieważ nie mamy synchronizacji zegarów stopień zajętości pamięci buforowej będzie się zmieniał. Na przykład, gdy częstotliwość zegara nadajnika jest stale większa od częstotliwości taktowania w odbiorniku dojdzie do przepełnienia pamięci, a to wiąże się z cykliczną utratą bitów, tym częstszą im większa jest różnica częstotliwości taktowania. Prowadzić to może nie tylko do utraty bitów, ale do lawiny błędów binarnych.

W tym celu rozpatrzmy przypadek transmitowania przez sieć PDH sygnału mowy w klasycznej usłudze telefonicznej. Dla uproszczenia załóżmy, że dwie centrale telefoniczne są połączone bezpośrednio łączem PDH E1. Sygnał mowy jest konwertowany na sygnał cyfrowy o przepływności 64 kb/s i na czas trwania połączenia jest mu przydzielana ośmiobitowa szczelina czasowa (kanał).
W kolejnych ramkach E1 tworzących strumień o nominalnej przepływności binarnej 2,048 Mb/s Przepływność binarna strumienia E1 i przepływność binarna sygnału mowy wynikają z pracy zegara taktującego cyfrowej centrali telefonicznej (wcześniej podano, że w przypadku strumienia E1 w stosunku do jego przepływności nominalnej różnica może wynosić maksymalnie ± 50 ppm). Po stronie odbiorczej sygnał E1 jest wpisywany do pamięci buforowej z taktem strumienia odbieranego , a następnie odczytywany i demultipleksowany z taktem wynikającym z pracy zegara w centrali odbiorczej. Ponieważ zegary w obu centralach nie są zsynchronizowane może dochodzić do stopniowego zapełniania, albo opróżniania pamięci buforowej. Aby zapobiec całkowitemu zapełnieniu, albo opróżnieniu pamięci buforowej stopień jej zapełnienia jest monitorowany, po to by w krytycznej sytuacji zastosować, tak zwany poślizg ramkowy. Jest to operacja polegająca na jednorazowym pominięciu albo zdublowaniu dwóch kolejnych ramek strumienia E1. Z punktu widzenia sygnału mowy (zakładamy kodowanie PCM) operacja taka skutkuje pominięciem dwóch kolejnych próbek sygnału mowy, albo wstawieniem dwóch dodatkowych próbek takich samych jak próbka je poprzedzająca. W obu przypadkach nie pozostanie to bez wpływu na jakość sygnału mowy postrzeganą przez odbiorcę, która ulegać będzie pogorszeniu, tym większemu im częściej operacja poślizgu będzie miała miejsce. Pojawia się pytanie: po co w takim razie stosować poślizg? Na to pytanie Czytelnik znajdzie odpowiedź w dalszej części podręcznika.