Борис Крук - ...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь

В старину передача сигналов точного времени производилась механическими, звуковыми или световыми устройствами. В Петербурге ровно в полдень стреляла пушка. В морских портах строго в определенное время с мачты падал шар. В городах для сверки часов служили башенные часы. Сейчас сигналы точного времени передаются по радио, телевидению.

Безусловно, высокая точность хранения и передачи меток времени, достигнутая в наши дни (погрешность не более 1 мкс), позволяет решать сложнейшие научные задачи, в том числе и такие новые, как дальняя космическая навигация. Но в идеале хотелось бы иметь единую систему "всемирного" времени, состоящую из первичных часов и большого числа связанных с ними вторичных часов. Ясно, что высокой точностью должны обладать лишь первичные часы, и они будут синхронизировать работу всей сети вторичных часов. Главные первичные атомно-цезиевые часы этой системы расположены в Риме, но вовсе не в Италии, а в американском штате Нью-Йорк. Они связаны с сетью вторичных часов, расположенных в других странах. Погрешность отсчета времени в этой системе не превышает одной стомиллиардной доли секунды. Вдумайтесь, читатель, в эту цифру. Она, поистине, фантастична!

Однако в повседневной жизни не требуется столь высокая точность, как при астрономических работах, но необходимо, чтобы с точностью хотя бы до секунды во всех частях города, во всех концах нашей страны все часы показывали одинаковое время. Пусть даже не абсолютное время, но одинаковое! Увы, оказывается, сделать это не так просто.

Надеемся, что уважаемый читатель после столь пространного вступления лучше представит, почему создание полностью синхронных цифровых систем передачи - задача достаточно дорогостоящая и трудная. Ведь в них нужно с помощью одного очень высокостабильиого генератора тактовых импульсов, своего рода первичных часов, управлять работой множества других генераторов, так сказать, вторичных часов. В настоящее время такие цифровые системы передачи созданы и получили название систем синхронной цифровой иерархии. Эти цифровые системы передачи объединяются в сети на сравнительно небольших территориях: в пределах одного "среднеевропейского" государства или, как, к примеру, в России, в пределах нескольких областей. В этом случае можно с успехом применить синхронное объединение потоков. А если нужно связать воедино цифровые потоки, начала которых обнаруживаются в Киншасе и Ванкувере, Гонолулу и Москве или других точках планеты? Как тогда быть? Даже в одной стране, такой, как наша, основу единой сети будет составлять великое множество самых разных но числу каналов, а значит, и скоростям передачи, цифровых систем. Как обеспечить их синхронизацию от одного общего генератора?

Может быть и не нужно стремиться к этому? Помните, как мы поступаем с часами? Мы сверяем их с эталонным временем (скажем, с сигналами точного времени, передаваемыми по радио, или с часами, показываемыми на экране телевизора перед информационной программой) и, если наши часы спешат, переводим их стрелки назад, т.е. убираем несколько секундных или минутных интервалов из пройденного стрелками пути по циферблату. В этом случае можно говорить об отрицательном согласовании времени наших часов с эталонным. Когда же наши часы отстают, мы переводим стрелки вперед и добавляем тем самым несколько секундных или минутных интервалов к пути, пройденному стрелкой. Так мы осуществляем положительное согласование хода времени наших часов с ходом времени эталонных. Заметьте, что при этом мы рассчитываем на определенную стабильность наших часов, на то, что в ближайшие сутки они не подведут нас больше чем на 1-2 с или на 1-2 мин - в зависимости от технических данных. В противном случае часы нужно отдавать в ремонт, либо вообще выбрасывать.

А нельзя ли так же, как мы подводим свои часы, "подводить" и другие, пусть своеобразные, но все же часы - генераторы тактовых импульсов? Именно так и делают в цифровых системах передачи при асинхронном объединении потоков. Помните, как происходит объединение четырех потоков, например, в системе ИКМ-120? Тактовые импульсы, выделенные из каждого цифрового потока, записывают информационные биты в ячейки памяти, а другие тактовые импульсы (от местного генератора), которые следуют, как вы знаете, чуть быстрее, считывают биты из ячеек памяти. И если импульсы считывания не "отстают" и не "убегают вперед", а "идут" весьма стабильно, то в каждом потоке регулярно появляются "пустые" интервалы (наподобие пустых кадров в истории с учебным кинофильмом). В системе передачи ИКМ-120 таким "пустым" интервалом, не несущим никакой информации, является во всех потоках каждый 33-й интервал. При объединении потоков в линию поочередно посылаются импульсы каждого из них, а так как на указанных "пустых" интервалах ни в одном из потоков никаких информационных импульсов нет, то в общем потоке периодически образуются "дырки" шириной в четыре интервала. В них-то и "вставляют" синхроимпульсы, а также другую служебную информацию. Напомним, что строгая периодичность синхросигнала - это одно из важнейших свойств, используемое для его распознавания.

Совсем иная картина будет наблюдаться, если местный генератор окажется не очень стабильным. В данном случае главные "часы" цифровой системы передачи могут "отставать" или "убегать вперед" по сравнению с их нормальным "ходом". В свою очередь, это будет вызывать смещение во времени "пустых" интервалов в каждом цикле передачи, и, значит, нарушится строгая периодичность их повторения. На каком-то этапе может произойти полный сбой в работе системы синхронизации и, как следствие, всей аппаратуры в целом. Чтобы такого не случилось, местные "часы" нужно систематически "подводить". Последнее желательно делать не так часто и уж, конечно, не "вручную". Подобная процедура реализована практически во всех современных системах передачи высших (начиная со второй) иерархий и называется согласованием, а иногда выравниванием, скоростей цифровых потоков, или, что то же, скоростей следования тактовых импульсов записи и считывания.

Как же все происходит? Специальное устройство из нескольких микросхем (так сказать, "группа контроля") следит за взаимным положением импульсов записи и считывания. Пусть расстояние между соседними нарами этих импульсов постепенно начинает уменьшаться. Значит, местный генератор ускорил свой бег и импульсы считывания начали следовать быстрее. Как только контролируемый интервал уменьшится до критической величины, наш строгий контролер подаст сигнал тревоги: "пустой" интервал возник раньше. Поскольку ему еще не время появляться, другое устройство (тоже группа микросхем) введет в этот пустой интервал ложный импульс, не несущий никакой информации. Своего рода "обманку", "пустышку". Все происходит так же, как и в случае с нашими часами, когда, подводя их вперед, мы добавляем потерянные секунды. Вот и здесь мы тоже добавляем как бы потерянный импульс. Так достигается согласование, или выравнивание, скоростей записи и считывания цифровых потоков, которое в данном случае называется положительным.