Что такое телекоммуникации

ВВЕДЕНИЕ Что такое телекоммуникации и из чего они состоят? Термин телекоммуникации состоит из двух слов: теле (в переводе с греческого означает – "далеко") и коммуникация (в переводе с латыни – "сообщение, связь") и означает "дальняя связь" или "связь, сообщение на расстоянии". Телекоммуникации - это любые формы связи, способы передачи информации на большие расстояния. Телекоммуникации – это также процессы передачи, получения и обработки информации на расстоянии с применением электронных, электромагнитных, сетевых, компьютерных и информационных технологий. Знания и умения специалиста по телекоммуникационным технологиям примерно наполовину - это информационные технологии (программирование, настройка, конфигурирование, использование телекоммуникационных систем, оборудования, протоколов связи) и наполовину - знание принципов работы, умение проектировать телекоммуникационное оборудование, устройства и системы. Основными отраслями телекоммуникаций на сегодняшний день являются: Интернет, мобильная связь, сети передачи данных (беспроводные, оптоволоконные и т.д.), спутниковые системы связи, цифровое и аналоговое телевидение, телефонная связь, электронный банкинг (см. рисунок). Что изучают в ВУЗах по направлению телекоммуникации?  Интернет-технологии (телекоммуникационное оборудование, протоколы, выбор, конфигурирование, настройка, сопровождение)  Радиосвязь  Оптоволоконная связь, проводная связь  Цифровое и аналоговое телевидение  Мобильная связь, мобильные телефоны  Спутниковая связь  Системы глобального позиционирования  IP-телефония  Локальные и глобальные сети  Электронный банкинг, электронная коммерция  Защита информации в телекоммуникационных системах Тема 1 Основные понятия и принципы электросвязи 1.1 Историческая справка Первые информационные системы: сигнальные костры и деревянные барабаны, изобретение голубиной почты и фельдъегерской связи, создание оптического телеграфа Шаппа, и других средств. Затем появились ружья, которые гремят громче барабанов, и в 1796 году известие о начале коронации императора Павла I было передано ружейными выстрелами 3000 солдат, расставленных на всем пути от Москвы до Петербурга. Затем пошли пушки. В1838 году сообщение об отходе первого парохода по новому каналу Эри было послано из Буффало в Нью-Йорк посредством пушечных выстрелов. Сигнал преодолел расстояние в 700 км и поступил в Нью-Йорк через 1 ч. 20 мин. В конце XVIII века, после опытов Гальвани и Вольта, положивших практическое начало науке об электричестве, начались работы, направленные на создание электрических средств связи. Первые из них касались передачи телеграфных сообщений. Наиболее примитивный способ телеграфии был основан на том, что две телеграфные станции соединяли между собой линиями связи, число которых было равно числу знаков алфавита, и каждый провод служил для передачи одного определенного знака. На этом принципе были построены электростатический телеграф Маршалла (Англия, 1753 г.) и электрохимический телеграф Земмеринга. Одним из таких способов явился равномерный шестиэлементный код, созданный Павлом Львовичем Шиллингом, Первый буквопечатающий аппарат был изобретен эмигрантом из Германии академиком Петербургской Академии наук Борисом Семеновичем Якоби. Буквопечатающие аппараты Якоби успешно работали на подземной кабельной линии между Зимним дворцом и Главным управлением путей сообщения, а затем на кабельной линии Петербург – Царское село. Контракт на закупку стрелочных синхронных аппаратов, ранее изобретенных им же, правительство Николая I заключило с прусским бизнесменом Вернером фон Сименсом Первая международная телеграфная линия Лондон–Париж с подводным участком Дувр–Кале (1851), прокладка первого трансатлантического кабеля (1866), История телефона Этот патент с приоритетом от 14 февраля 1876 года на «телеграфное устройство для передачи человеческой речи» был вторым великим открытием, составившим одну из основ сегодняшнего глобального информационного общества. (Александр Белл в Бостоне и Элайша Грей в Чикаго). После появления патента на телефон практическая ценность изобретения была отнюдь не столь очевидной, как сегодня. Согласно исторической версии, одно время Белл безуспешно предлагал патент компании Western Electric за 100 тысяч долларов. Одним из наиболее поучительных документов в истории телефонии является письмо, написанное уполномоченым Western Union составить заключение по поводу этого предложения. Получив же в 1876 году отказ, Белл совместно с юристом Гардинером Хаббардом (отцом Мейбл) и своим ассистентом Ватсоном организовали собственную фирму New England Telephone Company, впоследствии названную Bell Telephone Co. Сам Александр Белл был назначен главным электротехником компании, а его помощник Ватсон – управляющим и бухгалтером. При этом Хаббард и Ватсон получили 1497 акций в компании, в то время как сам Белл получил только 10 акций. Первые коммерческие телефонные аппараты, предложенные Bell Telephone Company, состояли из цельного куска дерева (черный орех или красное дерево) с элементом, который служил и передатчиком, и приемником. Источником энергии чаще всего выступал постоянный магнит, находившийся внутри устройства, а не батарея или внешний источник электропитания. Каждый телефонный аппарат имел прямое соединение с другим аппаратом через частную линию, которую телеграфисты обычно сдавали в аренду телефонной компании. В первых рекламных объявлениях пользование двумя телефонами и соединяющей их линией предлагалось за 20 долл. в год для общественных целей и за 40 долл. в год – для корпоративных; при этом обеспечивалось бесплатное техобслуживание. В 1879 году Белл покинул правление своей компании, и Bell Telephone Company продолжала двигаться вперед уже без своего основателя. В 1881 году Bell Telephone Company полностью приобрела Western Electric, которая продолжала оставаться эксклюзивным производителем телефонного оборудования в течение 100 лет, пока сама Bell System не распалась. В 1922 году Александр Грэхем Белл умер от диабета, не будучи богатым, но хорошо сознавая значение сделанного им самого важного открытия в истории телефонии. Его ассистент Ватсон ушел из Bell Telephonе вскоре после смерти Белла и избрал для себя карьеру актера; он умер в 1934 году. Подразделение разработчиков Western Union стало единой организацией, которая в 1925 году превратилась во всемирно известные Bell Telephone Laboratories. Этот крупнейший научный центр дал миру транзистор, цифровую АТС, аппаратуру ИКМ, узлы коммутации с программным управлением, лазер, пакетную коммутацию, сотовую связь, операционную систему Unix и многие другие изобретения и открытия, а по количеству сотрудников, ставших нобелевскими лауреатам В 1856 году француз Дю Монсель (Du Moncel) опубликовал результаты своих исследований, из которых следовало, что графитовые электроды обладают способностью отвечать значительным изменением электрического сопротивления при небольшом изменении площади соприкосновения проводников. Данное свойство стало основой для различных вариантов конструкций микрофонов. Первый угольный микрофон построил американский изобретатель Эмиль Берлинер 4 марта 1877 года. Однако, развитие получил микрофон американского изобретателя Дэвида Юза (англ. David Hughes) в мае 1878 года. Микрофон Юза содержал угольный стержень с заострёнными концами, упиравшийся в две угольные же чашечки, и соединённый с подвижной мембраной. Площадь контакта угольного стержня с чашечками сильно менялась при колебаниях мембраны, соответственно менялось и сопротивление угольного микрофона, а с ним и ток в цепи. Микрофон Юза совершенствовался многими изобретателями. Весьма значительно усовершенствовал этот тип микрофонов Эдисон (в частности, он предложил использовать угольный порошок вместо угольного стержня, т.е. изобрёл новый вид угольного микрофона с угольным порошком). Автор наиболее прижившейся конструкции угольного микрофона – Энтони Уайт (1890). Радиосвясь 1886-1888 – немецкий физик Г.Герц доказал существование электромагнитных волн, предсказанных Максвеллом математическим путём Герц с помощью устройства, которое он назвал вибратором, осуществил успешные опыты по передаче и приёму электромагнитных сигналов на расстояние (до 16 м) без проводов. 1890 – французский физик и инженер Эдуар Бранли изобрёл прибор для регистрации электромагнитных волн, названный им радиокондуктор (позднее – когерер). В своих опытах Бранли использует антенны в виде отрезков проволоки. Результаты опытов Эдуара Бранли были опубликованы в Бюллетене Международного общества электриков и отчётах Французской Академии Наук. 1891–1892 – главный инженер британского почтового ведомства Уильям Прис успешно экспериментировал с индукционной передачей сигналов азбукой Морзе между прибрежными приёмно-передающими станциями, разнесёнными на несколько километров (до 5 км). 1891 – Никола Тесла (Сент-Луис, штат Миссури, США) в ходе лекций публично описал принципы передачи радиосигнала на большие расстояния. 1893 – Н. Тесла патентует радиопередатчик и изобретает мачтовую антенну, с помощью которой в 1895 г. передаёт радиосигналы на расстояние 30 миль. 1894 – Г. Маркони, под влиянием идей профессора Риги, высказанных в некрологе Герцу, начинает эксперименты по радиотелеграфии (первоначально – с помощью вибратора Герца и когерера Бранли). Однако никаких письменных свидетельств того времени, которые могли бы подтвердить опыты Маркони проводимые в 1894 году, не имеется. 1894 – первая публичная демонстрация опытов по беспроводной телеграфии британским физиком Оливером Лоджем и Александром Мирхедом на лекции в театре Музея естественной истории Оксфордского университета. При демонстрации сигнал был отправлен из лаборатории в соседнем Кларендоновском корпусе и принят прибором в театре на расстоянии 40 м. Изобретённый Лоджем «прибор для регистрации приёма электромагнитных волн» содержал радиокондуктор – «трубку Бранли» (которой Лодж дал название когерер) со встряхивателем, источник тока и гальванометр. Для встряхивания когерера, с целью периодического восстановления его чувствительности к «волнам Герца», впоследствии использовался или звонок, или заводной пружинный механизм с молоточком-зацепом. Ноябрь 1894 – публичная демонстрация опытов по беспроводной передаче сигнала в миллиметровом диапазоне сэром Джагадишем Чандра Боше в Ратуше города Калькутты. Кроме того, Боше изобрёл ртутный когерер, не требующий при работе физического встряхивания 1895 – английский физик Эрнест Резерфорд опубликовал результаты своих экспериментов по детектированию радиоволн на расстоянии в три четверти мили от их источника. Для приёма радиоволн Резерфорд дополнил резонатор Герца катушкой из тонкой проволоки с намагниченной стальной иглой внутри. Под действием радиоволновых импульсов игла размагничивалась, что и показывал магнитометр. 7 мая 1895 – на заседании Русского физико-химического общества в Санкт-Петербурге Александр Степанович Попов читает лекцию «Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям», на которой, воспроизводя опыты Лоджа c электромагнитными сигналами, демонстрирует прибор, схожий в общих чертах с тем, который ранее использовался Лоджем. При этом Попов внёс в конструкцию усовершенствования. Отличительной особенностью прибора Попова был молоточек, встряхивавший когерер (трубку Бранли), который работал не от часового механизма, как ранее, а от самого принимаемого радиоимпульса. Кроме того, было введено реле, повышающее чувствительность и стабильность работы прибора. Строго говоря, прибор Попова следует называть прибором для обнаружения и регистрирования электрических колебаний с автоматическим встряхиванием когерера. В мае 1895 года прибор был приспособлен для улавливания атмосферных электромагнитных волн на метеостанции Лесного института. Название прибора «разрядоотметчик» (впоследствии, «грозоотметчик») дал товарищ и коллега А. С. Попова по Русскому физико-химическому обществу, основатель кафедры физики Лесного института Д. А. Лачинов, который в июле 1895 года во 2-м издании своего курса «Основ метеорологии и климатологии» впервые изложил принцип действия «разрядоотметчика Попова» – это и есть первое описание прототипа. Весна 1895 г. – Маркони добивается передачи радиосигнала на 1,5 км. Сентябрь 1895 – по некоторым утверждениям, Попов присоединил к приёмнику телеграфный аппарат и получил телеграфную запись принимаемых радиосигналов. Однако никаких документальных свидетельств об опытах Попова с радиотелеграфией до декабря 1897 г. (то есть до опубликования патента и сообщений об успешных опытах Маркони) не существует. 2 июня 1896 г. – Маркони подаёт заявку на патент. 2 сентября 1896 – Маркони демонстрирует своё изобретение на равнине Солсбери, передав радиограммы на расстояние 3 км. 1897 – Оливер Лодж изобрёл принцип настройки на резонансную частоту. 1897 – Французский предприниматель Эжен Дюкрете строит экспериментальный приёмник беспроволочной телеграфии по чертежам, предоставленным А.С.Поповым. 24 апреля 1897 – Попов на заседании Русского физико-химического общества, используя вибратор Герца и приёмник собственной конструкции, передаёт на расстояние 250 м первую в России радиограмму: «Генрих Герц». 2 июля 1897 – Маркони получает британский патент № 12039 «Усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов в передающем аппарате». В общих чертах приёмник Маркони воспроизводил приёмник Попова, (с некоторыми усовершенствованиями), а его передатчик – вибратор Герца с усовершенствованиями Риги. Принципиально новым было то, что приёмник был изначально подключён к телеграфному аппарату, а передатчик соединён с ключом Морзе, что и сделало возможным радиотелеграфическую связь. Маркони использовал антенны одной длины для приёмника и передатчика, что позволило резко повысить мощность передатчика; кроме того детектор Маркони был гораздо чувствительнее детектора Попова, что признавал и сам Попов. 6 июля 1897 – Маркони на итальянской военно-морской базе Специя передаёт фразу Viva l’Italia из-за линии горизонта – на расстояние 18 км. Ноябрь 1897 – строительство Маркони первой постоянной радиостанции на о.Уайт, соединённой с Бормотом (23 км.) Январь 1898 – Первое практическое применение радио: Маркони передаёт (за обрывом телеграфных проводов из-за снежной бури) сообщения журналистов из Уэльса о смертельной болезни Уильяма Гладстона. Май 1898 – Маркони впервые применяет систему настройки. 1898 – Маркони открывает первый в Великобритании «завод беспроволочного телеграфа» в Челмсфорде, Англия, на котором работают 50 человек. Конец 1898 – Эжен Дюкретэ (Париж) приступает к мелкосерийному выпуску приёмников системы Попова. Согласно мемуарам Дюкретэ, чертежи устройств он получил от А.С.Попова благодаря интенсивной переписке. 1898 – присуждение А. С. Попову премии Русского Технического Общества в 1898 г. «за изобретение приёмника электромагнитных колебаний и приборов для телеграфирования без проводов». Май 1899 – Помощники Попова П.Н.Рыбкин и Д.С.Троицкий обнаружили детекторный эффект когерера. На основании этого эффекта, Попов модернизировал свой приёмник для приёма сигналов на головные телефоны оператора и запатентовал как «телефонный приёмник депеш». 1900 – Маркони получает патент № 7777 на систему настройки радио («Oscillating Sintonic Circuit»). 1900 – Работы Попова отмечены Большой золотой медалью и Дипломом на международной электротехнической выставке в Париже. 12 декабря 1901 Маркони провёл первый сеанс трансатлантической радиосвязи между Англией и Ньюфаундлендом на расстояние 3200 км (передал букву S Азбуки Морзе). До того это считалось принципиально невозможным 1905 – Маркони получает патент на направленную передачу сигналов. 1906 – Реджинальд Фессенден и Ли де Форест обнаруживают возможность амплитудной модуляции радиосигнала низкочастотным сигналом, что позволило передавать в эфире человеческую речь. 1909 – Присуждение Маркони и Ф.Брауну Нобелевской премии по физике «в знак признания их заслуг в развитии беспроволочной телеграфии». Изобретение радиосвязи дало начало таким научно-техническим направлениям, как радиоастрономия, радиометрология, радионавигация, радиолокация, радиоразведка, радиопротиводействие. 1.2. Организации стандартизации в области телекоммуникаций Организации стандартизации в области телекоммуникаций - это организации, цель деятельности которых заключается в создании единых международных стандартов. Отсутствие единых стандартов приводит к несовместимости оборудования различных производителей и, как следствие, невозможности организации международной связи. Организации стандартизации обеспечивают условия для обсуждения прогрессивных технологий, утверждают результаты этих обсуждений в виде официальных стандартов, а также обеспечивают распространение утвержденных стандартов. Порядок работы организаций стандартизации по принятию стандартов может отличаться. Однако он схож в том, что производится несколько этапов разработки и обсуждения новых технологий, разработки проектов стандартов, голосования по всем или некоторым аспектам этих стандартов и, наконец, официального выпуска завершенных стандартов. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Наиболее известными организациями стандартизации являются следующие: Международная организация стандартизации (МОС) (International Standard Organization - ISO) - является автором стандартов в различных областях деятельности, включая стандарты по телекоммуникациям. Членами ISO являются национальные организации стандартизации. Участие в ISO является добровольным. Наиболее известным стандартом ISO в области телекоммуникаций является эталонная модель взаимодействия открытых систем. Телекоммуникационный сектор стандартизации Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) (Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union - ITU-T) - специализированный орган ООН, с 1993 года преемник Международного Консультативного Комитета по Телеграфии и Телефонии (МККТТ) (Comite Consultatif International Telegraphique et Telephonique - CCITT) - международная организация, разрабатывающая стандарты в области связи. Кроме МСЭ-Т в состав МСЭ входят Сектор радиосвязи МСЭ-Р (Radiocommunication Sector - ITU-R) и Сектор развития электросвязи (Telecommunication Development Sector - ITU-D). Стандарты ITU-T охватывают практически всю область телекоммуникаций. Институт Инженеров по Электротехнике и Электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers - IEEE) - профессиональная организация, разрабатывающая стандарты для сетей. Стандарты локальных сетей LAN являются наиболее известными стандартами IEEE по телекоммуникациям. Европейский институт стандартизации электросвязи (European Telecommunications Standards Institute - ETSI). Определяет единую техническую политику в области телекоммуникаций для стран - членов Европейского сообщества. Наиболее известным стандартом ETSI является стандарт сотовой системы подвижной радиосвязи GSM. Европейская конференция администраций почт и электросвязи (Conference of European Posts and Telegraphs - CEPT). Европейская ассоциация производителей ЭВМ (European Computer Manufactures Association - ECMA). Американский Национальный Институт Стандартизации (American National Standard Institute - ANSI) - является координирующим органом добровольных групп по стандартизации в пределах США. ANSI является членом ISO. Широко известным стандартом ANSI по коммуникациям является FDDI. Ассоциация Телекоммуникационной Промышленности (Telecommunication Industrial Association - TIA) - одна из групп ANSI, выпускающая стандарты по телекоммуникациям. Самым известным стандартом TIA является стандарт сотовой системы подвижной радиосвязи США IS-54. Ассоциация Электронной Промышленности (Electronic Industrial Association - EIA) - так же одна из групп ANSI. 10. Федеральная комиссия по связи (Federal Communication Commission - FCC) США. Правительственная организация США, занимающаяся регулированием в отрасли связи, в том числе распределением спектра радиочастот. 11. Совет по Регуляции Работы Internet (Internet Activities Board - IAB) - Совет определяет основную политику в области глобальной сети Internet. Включает в себя два подкомитета: исследовательский - IRTF ( Internet Reseach Task Forse) и стандартизации - IETF (Internet Engineering Task Forse). Стандарты IAB называются "Request for Comments" (RFC) (Запрос для комментария). Производители оборудования телекоммуникаций, заинтересованные в быстром продвижении некоторой конкретной технологии, также создают организации стандартизации в данной области. В качестве примера можно привести такие организации как Форум ATM, Форум Frame Relay, Альянс Gigabit Ethernet и пр. В нашей стране работы по стандартизации в области связи наряду с Государственным комитетом по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандартом) проводят также Министерство связи РФ и Государственная комиссия по электросвязи (ГКЭС) Минсвязи РФ, Государственная комиссия по распределению частот (ГКРЧ) Минсвязи РФ и Главгоссвязьнадзор России. Наиболее известным стандартом Минсвязи РФ являются "Нормы на электрические параметры каналов ТЧ магистральной и внутризоновых первичных сетей", введенные в действие приказом № 43 от 15 апреля 1996 года. 1.3 Эталонная модель взаимодействия открытых систем Общие положения В начале 80-х годов ISO признала необходимость создания модели сети, на основе которой поставщики оборудования телекоммуникаций могли создавать взаимодействующие друг с другом сети. В 1984 году такой стандарт был выпущен под названием "Эталонная модель взаимодействия открытых систем" (Open System Interconnect - OSI) или OSI/ISO. Эталонная модель OSI стала основной архитектурной моделью для систем передачи сообщений. При рассмотрении конкретных прикладных телекоммуникационных систем производится сравнение их архитектуры с моделью OSI/ISO. Эта модель является наилучшим средством для изучения современной технологии связи. Эталонная модель OSI делит проблему передачи информации между абонентами на семь менее крупных и, следовательно, более легко разрешимых задач. Конкретизация каждой задачи производилась по принципу относительной автономности. Очевидно, автономная задача решается легче. Каждой из семи областей проблемы передачи информации ставится в соответствие один из уровней эталонной модели. Два самых низших уровня эталонной модели OSI реализуются аппаратным и программным обеспечением, остальные пять высших уровней, как правило, реализуются программным обеспечением. Эталонная модель OSI описывает, каким образом информация проходит через среду передачи (например, металлические провода) от прикладного процесса-источника (например, по передаче речи) до процесса-получателя. Рис. 1.1. Пример связи уровней OSI В качестве примера связи типа OSI предположим, что Система А на Рис. 1.1 имеет информацию для отправки в Систему В. Прикладной процесс Системы А сообщается с Уровнем 7 Системы А (верхний уровень), который сообщается с Уровнем 6 Системы А, который в свою очередь сообщается с Уровнем 5 Системы А, и так далее до Уровня 1 Системы А. Задача Уровня 1 - отдавать (а также забирать) информацию в физическую среду. После того, как информация проходит через физическую среду и принимается Системой В, она поднимается через слои Системы В в обратном порядке (сначала Уровень 1, затем Уровень 2 и т.д.), пока она, наконец, не достигнет прикладного процесса Системы В. Каждый из уровней сообщается с выше- и нижестоящими уровнями данной системы. Однако для выполнения присущих уровню задач необходимо сообщение с соответствующим уровнем другой системы, т.е. главной задачей Уровня 1 Системы А является связь с Уровнем 1 Системы В; Уровень 2 Системы А сообщается с Уровнем 2 Системы В и т.д. Уровневая модель OSI исключает прямую связь между соответствующими уровнями разных систем. Следовательно, каждый уровень Системы А использует услуги, предоставляемые ему смежными уровнями, чтобы осуществить связь с соответствующим ему уровнем Системы В. Нижестоящий уровень называется источником услуг, а вышестоящий - пользователем услуг. Взаимодействие уровней происходит в так называемой точке предоставления услуг. Взаимоотношения между смежными уровнями отдельной системы показаны на Рис. 1.2. Рис. 1.2. Взаимодействие между уровнями отдельной системы Обмен управляющей информацией между соответствующими уровнями разных систем производится в виде обмена специальными "заголовками", добавляемыми к полезной информационной нагрузке. Обычно заголовок предшествует фактической прикладной информации. Каждый нижележащий уровень передающей системы добавляет к поступившему от вышележащего уровня информационному блоку свой заголовок с необходимой управляющей информацией для соответствующего уровня другой системы (Рис. 1.3). Рис. 1.3. Формирование информационных блоков В принимающей системе производится анализ данной управляющей информации и удаление соответствующего заголовка перед передачей информационного блока вышележащему уровню. Таким образом, размер информационного блока увеличивается при движении сверху вниз по уровням в передающей системе и уменьшается при движении снизу вверх по уровням в принимающей системе. Эталонная модель OSI не является реализацией сети. Она только определяет функции протокола каждого уровня. 1.4 Общие понятия о передаче информации Основные определения Информация - сведения о каких-либо процессах, событиях, фактах или предметах. Известно, что 80..90% информации человек получает через органы зрения и 10..20% - через органы слуха. Другие органы чувств дают в сумме 1..2% информации. Физиологические возможности человека не позволяют обеспечить передачу больших объемов информации на значительные расстояния. Связь - техническая база, обеспечивающая передачу и прием информации между удаленными друг от друга людьми или устройствами. Аналогия между связью и информацией такая же, как у транспорта и перевозимого груза. Средства связи не нужны, если нет информации, как не нужны транспортные средства при отсутствии груза. Сообщение - форма выражения (представления) информации, удобная для передачи на расстояние. Различают оптические (телеграмма, письмо, фотография) и звуковые (речь, музыка) сообщения. Документальные сообщения наносятся и хранятся на определенных носителях, чаще всего на бумаге. Сообщения, предназначенные для обработки на ЭВМ, принято называть данными. Информационный параметр сообщения - параметр, в изменении которого "заложена" информация. Для звуковых сообщений информационным параметром является мгновенное значение звукового давления, для неподвижных изображений - коэффициент отражения, для подвижных - яркость свечения участков экрана. По характеру изменения информационных параметров различают непрерывные и дискретные сообщения. Сигнал - физический процесс, отображающий передаваемое сообщение. Отображение сообщения обеспечивается изменением какой-либо физической величины, характеризующей процесс. Эта величина является информационным параметром сигнала. Сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными. Информационный параметр непрерывного сигнала с течением времени может принимать любые мгновенные значения в определенных пределах. Непрерывный сигнал часто называют аналоговым. Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Часто этот параметр принимает всего два значения. На Рис. 1.4 показаны виды аналогового и дискретного сигналов. Рис. 1.4. Виды сигналов: а - аналогового, б - дискретного В дальнейшем будем рассматривать принципы и средства связи, основанные на использовании электрической энергии в качестве переносчиков сообщений, т.е. электрических сигналов. Выбор электрических сигналов для переноса сообщений на расстояние обусловлен их высокой скоростью распространения (около 300 км/мс). Общее определение уровней передачи В технике связи наряду с абсолютными единицами измерения параметров электрических сигналов (мощность, напряжение и ток) широко используются относительные единицы. Уровнем передачи сигнала в некоторой точке канала или тракта называют логарифмическое преобразование отношения энергетического параметра S (мощности, напряжения или тока) к отсчетному значению этого же параметра. S S Правило преобразования определяется формулой: p  m log  a o   ,  где m - масштабный коэффициент; a - основание логарифма. Уровни передачи измеряются в децибелах, если справедливы соотношения: для уровней по мощности P p  10 lg  , дБм; P  U  p  20 lg  , дБн; U  M o для уровней по напряжению Н o Уровень передачи называется абсолютным, если Pо=1 мВт. Если теперь задать Rо, то при заданных значениях мощности и сопротивления легко получить соответствующие величины напряжения Uо и тока Iо: U  P R ; U  P / R . При Rо= 600 Ом в практических расчетах принимают округленные значения: для Uо= 0,775 В, а для Iо= 1,29 мА. Измерительные уровни служат для определения уровней передачи с помощью измерительных приборов, называемых указателями уровня. Для измерения уровня наиболее часто применяется схема известного генератора, показанная на Рис. 1.5. o o o o o o Рис. 1.5. Схема известного генератора В этой схеме ко входу исследуемого объекта, например некоторого четырехполюсника, подключается генератор испытательного сигнала с полностью определенными параметрами, т.е. должно быть известно его выходное сопротивление RГ, развиваемая ЭДС EГ (или напряжение на входе объекта UВХ). Входное сопротивление объекта RГ также должно быть известно. К выходу объекта подключается указатель уровня с входным сопротивлением, равным номинальному значению сопротивления нагрузки; реальная нагрузка при этом отключается. В качестве испытательного при измерении уровней передачи чаще всего применяют одночастотный синусоидальный сигнал, частота которого также должна быть известна, а начальная фаза, как правило, не фиксируется. Если по значению параметров подключенный генератор испытательного сигнала обладает свойством нормального, т.е. его внутреннее сопротивление равно 600 Ом, развиваемая ЭДС равна 1,55 В, то измеренный на сопротивлении RН уровень называется измерительным. 1.4 Параметры первичных сигналов Описание сигналов электросвязи некоторым образом необходимо для их адекватной обработки в процессе передачи. Описанием сигнала может служить некоторая функция времени. Определив так или иначе данную функцию, определяем и сигнал. Однако такое полное определение сигнала не всегда требуется. Достаточно описание в виде нескольких параметров, характеризующих основные свойства сигнала с точки зрения его передачи. Если провести аналогию с транспортированием грузов, то для транспортной сети определяющими параметрами груза являются его масса и габариты. Сигнал также является объектом транспортирования, а техника связи - техникой транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи. Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных. Телефонный (речевой) сигнал. Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа. Частота импульсов основного тона (f0 на Рис. 3.3) лежит в пределах от 50..80 Гц (бас) до 200..250 Гц (женский и детский голоса). Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40) (2f0,..,nf0 на Рис. 3.3), причем их амплитуды убывают с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву (кривая 1 на Рис. 3.3). (Напомним, что октавой называется диапазон частот, верхняя частота которого в два раза выше нижней. Т.о. амплитуда гармоники 2f0 на 12 дБ больше, чем гармоники 4f0 и т.д.). При разговоре частота основного тона f0 меняется в значительных пределах. Рис. 1.6. Спектральный состав речевого сигнала В процессе прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа образуются звуки речи, причем мощность гармоник частоты основного тона меняется (кривая 2 на Рис. 1.6). Области повышенной мощности гармоник частоты основного тона называются формантами (см. Рис. 3.3). Различные звуки речи содержат от двух до четырех формант. Высокое качество передачи телефонного сигнала характеризуется уровнем громкости, разборчивостью, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Эти факторы определяют требования к телефонным каналам. Основными параметрами телефонного сигнала являются:  мощность телефонного сигнала PТЛФ. Согласно данным МСЭ-Т средняя мощность телефонного сигнала в точке с нулевым измерительным уровнем на интервале активности составляет 88 мкВт. С учетом коэффициента активности (0,25) средняя мощность телефонного сигнала PСР равна 22 мкВт. Кроме речевых сигналов в канал связи могут поступать сигналы управления, набора номера и пр. С учетом этих сигналов среднюю мощность телефонного сигнала принимают равной 32 мкВт, т.е. средний уровень телефонного сигнала составляет pСР = 10 lg (32 мкВт/1мВт) = - 15 дБм;  коэффициент активности телефонного сообщения, т.е. отношение времени, в течение которого мощность сигнала на выходе канала превышает заданное пороговое значение, к общему времени занятия канала для разговора. При разговоре каждый из собеседников говорит приблизительно 50% времени. Кроме того, отдельные слова, фразы отделяются паузами. Поэтому коэффициент активности составляет 0,25..0,35.  динамический диапазон определяется выраженным в децибелах отношением максиP P мальной и минимальной мощности сигнала D  10 lg C max min   (дБ). Динамический диапазон те лефонного сигнала составляет DС=35...40 дБ;  P   , который составляет 14 дБ. При этом максимальная  P   пик-фактор сигнала Q  10 lg max Cp мощность, вероятность превышения которой исчезающе мала, равна 2220 мкВт (+3,5 дБм0);  энергетический спектр речевого сигнала - область частот, в которой сосредоточена  П (f )  где П ( f ) – спектральная плотность  П  основная энергия сигнала (Рис. 1.7),   10 lg 2 2 2 о среднего квадрата звукового давления; По – порог слышимости (минимальное звуковое давление, которое начинает ощущаться человеком с нормальным слухом на частотах 600..800 Гц); f = 1 Гц. Из Рис.3.4 следует, что речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50..100 Гц до 8000..10000 Гц. Установлено, однако, что качество речи получается вполне удовлетворительным при ограничении спектра частотами 300..3400 Гц. Эти частоты приняты МСЭ-Т в качестве границ эффективного спектра речи. При указанной полосе частот слоговая разборчивость составляет около 90%, разборчивость фраз - более 99% и сохраняется удовлетворительная натуральность звучания. Рис. 1.7. Энергетический спектр речевого сигнала Сигналы звукового вещания. Источником звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные инструменты или голос человека. Динамический диапазон вещательной передачи следующий: речь диктора 25..35 дБ, художественное чтение 40..50 дБ, вокальные и инструментальные ансамбли 45..55 дБ, симфонический оркестр до 65 дБ. При определении динамического диапазона максимальным считается уровень, вероятность превышения которого равна 2%, а минимальным - 98%. Средняя мощность сигнала вещания существенно зависит от интервала усреднения. В точке с нулевым измерительным уровнем средняя мощность составляет 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт - за минуту и 4500 мкВт - за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания в точке с нулевым измерительным уровнем составляет 8000 мкВт. Частотный спектр сигнала вещания расположен в полосе частот 15..20000 Гц. При передаче как телефонного сигнала, так и сигналов вещания полоса частот ограничивается. Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) эффективная полоса частот должна составлять 0,05..10 кГц, для безукоризненного воспроизведения программ (каналы высшего класса) 0,03...15 кГц. Факсимильный сигнал формируется методом построчный развертки. Частотный спектр первичного факсимильного сигнала определяется характером передаваемого изображения, скоростью развертки и размерами сканирующего пятна. Для параметров факсимильных аппаратов, рекомендованных МСЭ-Т, верхняя частота сигнала может составлять 732, 1100 и 1465 Гц. Динамический диапазон сигнала составляет около 25 дБ, пик-фактор равен 4,5 дБ при 16 градациях яркости. Телевизионный сигнал также формируется методом развертки. Анализ показывает, что энергетический спектр телевизионного сигнала сосредоточен в полосе частот 0..6 МГц. Динамический диапазон DС  40 дБ, пик-фактор 4,8 дБ. Основным параметром дискретного сигнала с точки зрения его передачи является требуемая скорость передачи (бит/с). Аналогичные параметры определяются и для каналов связи. Параметры каналов связи должны быть не меньше соответствующих параметров сигналов. Свести параметры аналоговых сигналов к единому параметру (скорости передачи) позволяет преобразование этих сигналов в цифровые. 1.5. Обобщенная структурная схема систем электросвязи Система электросвязи - совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сообщений. Обобщенная структурная схема систем электросвязи показана на Рис. 1.8. Рис. 1.8. Обобщенная структурная схема систем электросвязи Сообщение при помощи преобразователя сообщение-сигнал преобразуется в первичный электрический сигнал. Первичные сигналы не всегда удобно (а иногда невозможно) непосредственно передавать по линии связи. Поэтому первичные сигналы при помощи передатчика ПРД преобразуются в так называемые вторичные сигналы, характеристики которых хорошо согласуются с характеристиками линии связи. Канал связи - совокупность технических устройств (преобразователей) и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов на расстояние. Каналы и системы связи, использующие искусственную среду распространения (металлические провода, оптическое волокно), называются проводными, а каналы и системы связи, в которых сигналы передаются через открытое пространство - радиоканалами и радиосистемами. Основные сведения о сетях электросвязи Сеть связи - совокупность технических средств, обеспечивающих передачу и распределение сообщений. Принципы построения сетей связи зависят от вида передаваемых и распределяемых сообщений. В настоящее время применяют следующие принципы построения (топологии) сетей:  "каждый с каждым" (Рис. 1.9). Сеть надежна, отличается оперативностью и высоким качеством передачи сообщений. На практике применяется при небольшом числе абонентов; Рис. 1.9. Топология сети "каждый с каждым"  радиальный ("звезда") (Рис. 1.10). Используется при ограниченном числе абонентских пунктов, расположенных на небольшой территории; Рис. 1.10. Топология сети "звезда"  радиально-узловой (Рис. 1.11). Такую структуру имеют городские телефонные сети, если емкость сети не превышает 80...90 тысяч абонентов; Рис. 1.11. Радиально-узловая топология сети  радиально-узловой с узловыми районами (Рис. 1.12). Используется при построении телефонных сетей крупных городов. Рис. 1.12. Топология радиально-узловой сети с узловыми районами Телеграфные сети строятся по радиально-узловому принципу с учетом административнотерриториального деления страны. Оконечными пунктами телеграфной сети являются либо отделения связи, либо телеграфные абоненты, обладающие телеграфной аппаратурой. Сеть имеет три уровня узловых пунктов: районные, областные и главные. Сеть передачи данных имеет схожую структуру. Сеть факсимильной связи строится на базе телефонной сети. Сети передачи индивидуальных сообщений Для обеспечения передачи индивидуальных сообщений необходимо связать (соединить) оконечные аппараты абонентов. Электрическая цепь (канал), состоящая из нескольких участков и обеспечивающая передачу сигналов между абонентами, называется соединительным трактом. Процесс поиска и соединения электрических цепей называется коммутацией каналов. Сеть, обеспечивающая коммутацию каналов, называется сетью с коммутацией каналов (СКК). Узловые станции сети СКК называются станциями коммутации. При передаче документальных сообщений кроме организации связи с коммутацией каналов возможно осуществлять поэтапную передачу сообщения от узла к узлу. Такой способ передачи получил название коммутации сообщений. Соответственно сеть, обеспечивающая коммутацию сообщений, называется сетью с коммутацией сообщений (СКС). Разновидностью сети СКС является сеть с коммутацией пакетов (СКП). В этом случае полученное от передающего абонента сообщение разбивается на блоки (пакеты) фиксированной длины. Пакеты передаются по сети (необязательно по одному и тому же маршруту) и объединяются в сообщение перед выдачей принимающему абоненту. Узловые станции сетей СКС и СКП называются центрами коммутации сообщений (ЦКС) и пакетов (ЦКП) соответственно. Сети передачи массовых сообщений Важнейшими сетями передачи массовых сообщений являются сети вещания. Вещание процесс одновременной передачи различных сообщений общего назначения широкому кругу абонентов с помощью технических средств связи. Вещательная программа - последовательность передачи во времени различных сообщений. Организация вещания включает в себя две задачи: подготовка вещательных программ и доведение программ до абонентов. Основными требованиями к сетям вещания являются: охват вещанием всего населения страны, высокое качество передаваемых программ, надежность и экономичность. Сеть звукового вещания. Распределение программ производится по каналам связи, разветвление - на специальных узлах. Сеть каналов звукового вещания строится по радиальноузловому принципу. По способу доведения различают радиовещание и проводное вещание (по специальным проводным линиям или линиям телефонной связи). Сеть телевизионного вещания. Распределение программ производится по каналам связи, разветвление - на специальных узлах. Сеть ТВ вещания строится по радиально-узловому принципу. Используется два способа доведения ТВ программ: радиовещание с помощью радиотелевизионных передающих станций (РТПС) (эфирное ТВ) и проводное вещание (кабельное ТВ). Современной разновидностью эфирного ТВ является спутниковое телевизионное вещание с непосредственным приемом на установки, расположенные у абонентов. Закономерность распространения радиоволн метрового и дециметрового диапазона, которая будет рассмотрена ниже, ограничивает зону уверенного приема сигналов РПТС пределами оптической (прямой) видимости. Для увеличения зоны уверенного приема необходимо поднимать передающую и приемную антенны. Для типовых РТПС с опорами для антенн высотой 200...350 м радиус зоны обслуживания составляет 60...100 км. Останкинская телебашня при высоте 536 м обеспечивает радиус зоны обслуживания 120...130 км. Сеть передачи газет. Передача газет обеспечивается факсимильным способом с использованием аналоговой аппаратуры "Газета-2", находящейся в эксплуатации более 20 лет. На территории России имеются 32 пункта приема газет, обычно расположенные непосредственно в типографиях. Пункт разветвления каналов находится на центральной междугородной телефонной станции, поскольку для передачи газет используются телефонные каналы. Газеты передаются ежедневно, по 4...5 ч в сутки. В настоящее время происходит спад нагрузки на данную сеть, поскольку применение аналогового способа передачи не обеспечивает в полной мере требований, предъявляемых полиграфистами. Структура Взаимоувязанной сети связи В историческом плане все виды электросвязи длительный период развивались независимо друг от друга, в результате чего сформировались несколько независимых сетей. Вместе с тем, сети общего пользования (Министерства связи) не справлялись с требуемыми объемами передачи сообщений, требуемых для нормального экономического развития страны, и поэтому ряд министерств и ведомств стали создавать свои сети для удовлетворения собственных нужд. Такая техническая политика привела к еще большему разобщению технических средств, а эффективность совокупности сетей в масштабах страны оставалась низкой. Уже в начале 60-х годов стало ясно, что перспективным направлением развития связи должно стать объединение сетей. Можно выделить следующие предпосылки для объединения сетей: унификация методов преобразования, необходимость передачи сигналов в совпадающих направлениях, сходство функций систем передачи и коммутации. В 70-х годах было принято решение о создании Единой автоматизированной сети связи (ЕАСС) Союза ССР. Работа по созданию сети ЕАСС не была завершена и прекратилась в связи с развалом СССР. В настоящее время этот проект, отражая изменение геополитической ситуации и новые революционные достижения в области связи, носит название Взаимоувязанная сеть связи России. Взаимоувязанная сеть связи (ВСС) - это совокупность технически сопряженных сетей электросвязи общего пользования, ведомственных и других сетей электросвязи на территории России независимо от ведомственной принадлежности и форм собственности, обеспеченная общим централизованным управлением. Основными требованиями к ВСС являются надежность и экономичность. Определенные технические средства ВСС участвуют в процессе передачи не зависимо от вида передаваемых сообщений. Совокупность этих элементов образует первичную сеть (ПС) ВСС. Принцип построения первичной сети ВСС показан на Рис. 1.13. В состав ПС входят сетевые узлы, сетевые станции и линии передачи. Рис. 1.13. Принцип построения первичной сети ВСС Структура ПС учитывает административное деление страны. Территория страны поделена на зоны. Признак зоны - единая 7-значная нумерация. Как правило зоны совпадают с территориями областей. В соответствии с этим делением ПС состоит из отдельных частей:  местные ПС (МСП) - ограничены территорией города или сельского района;  внутризоновые ПС (ВЗПС) - охватывает территорию зоны и обеспечивает соединение местных сетей внутри зоны;  магистральная ПС (СМП) - соединяет зоновые сети. Каждая сеть связи, входящая в ВСС, помимо технических средств первичной сети использует устройства, присущие этой сети. Вторичная сеть (ВС) ВСС - совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сообщений определенного вида. В состав ВС входят: оконечные абонентские устройства, абонентские линии (АЛ), коммутационные устройства и каналы, выделенные из ПС для организации данной ВС. 1.6. Спектральный состав сигналов и его связь с пропускной способностью канала передачи данных. Информация может передаваться по проводам за счет изменения какой-либо физической величины, например, напряжения или силы тока. Представив значение напряжения или силы тока в виде однозначной функции времени, можно смоделировать поведение сигнала и подвергнуть его математическому анализу. Ряды Фурье В начале XIX столетия французский математик Жан-Батист Фурье (Qean-Baptiste Fourier) доказал, что любая периодическая функция g(t) с периодом Т может быть разложена в ряд (возможно, бесконечный), состоящий из сумм синусов и косинусов: В случае периодической функции u(t) с периодом Т ее спектр состоит из бесконечного числа гармонических составляющих, частоты которых равны n, где  (п=1, 2, 3. ..). Амплитуды спектральных составляющих являются в этом случае коэффициентами ряда Фурье: Uo  u (t )   U n Cos(nt   n ) , (2.1) 2 n1 T 2 где U o   u (t )dt , T0 U n  an2  bn2 T и tg  bn an T 2 2 an   u (t ) Cos(nt )dt bn   u (t ) Sin( nt )dt (2.2) T 0 T 0 Рассмотрим спектр для последовательности «П» импульсов с периодом Т и длительноU tи Е Т t стью tи. Рис.1.14. Последовательность идеальных «П» импульсов. Для таких ко- лебаний спектр будет дискретный с частотой n= n = 2n/T, tп где (n = 1, 2, 3. ..). Теперь найдем амплитуды этих гармоник Un. T Uo  t 2 2 и 2E u ( t ) dt  u (t )dt  tи   T0 T 0 T T an  2 2 E E t u (t ) cos(nt )dt  sin(nt ) 0и  sin(ntи )  T0 T n n T 2 2 E E t bn   u (t ) sin(n t )dt   cos(nt ) 0и  (1  cos(ntи )) T0 T n n U n  an2  bn2  E n sin 2 (ntи )  (1  cos(ntи )) 2  2E n  ntи  sin   2  Рис. 1.15. Амплитудно-частотный спектр периодических прямоугольных импульсов. На рисунке 1.15 приведена спектрограмма этой последовательности (длины вертикальных отрезков на спектрограмме пропорциональны амплитудам соответствующих гармонических составляющих). Как видно из рисунка, спектр рассматриваемого сигнала является дискретным; все частоты спектра кратны основной частоте, определяющейся периодом повторения импульсов, амплитуды спектральных составляющих с увеличением их номера убывают. Для наблюдения временных характеристик сигналов применяется осциллограф, для наблюдения спектральных характеристик используются анализаторы спектра. Если высокочастотные гармоники будут «обрезаться» каналом связи, на временной диаграмме «П» импульсы будут расплываться, что в конечном итоге приведет к уменьшению предельной скорости передачи информации. Сигналы с ограниченным спектром Чтобы понять, какое отношение все вышеизложенное имеет к передаче данных, рассмотрим конкретный пример – передачу двоичного кода ASCII символа «Ь». Для этого потребуется 8 бит (то есть 1 байт). Задача – передать следующую последовательность бит: 01100010. На рис. 2.1,а слева изображена зависимость выходного напряжения от времени на передающем компьютере. В результате анализа Фурье для данного сигнала получаем следующие значения коэффициентов: 1 cos(n / 4)  cos(3n / 4)  cos(6n / 4)  cos(7n / 4) n 1 b  sin(n / 4)  sin(3n / 4)  sin(6n / 4)  sin(7n / 4) n a  n n Среднеквадратичные амплитуды U  a b для нескольких первых гармоник показаны на рис. 2.1,а справа. Эти значения представляют интерес, поскольку их квадраты пропорциональны энергии, передаваемой на соответствующей частоте. Ни один канал связи не может передавать сигналы без потери мощности. Если бы все гармоники ряда Фурье уменьшались при передаче в равной степени, то сигнал уменьшался бы по амплитуде, но не искажался (то есть у него была бы та же самая замечательная прямоугольная форма, как на рис. 1.16,а). К сожалению, все каналы связи уменьшают гармоники ряда Фурье в разной степени, тем самым искажая передаваемый сигнал. Как правило, амплитуды передаются без уменьшения в частотном диапазоне от 0 до некоей частоты (измеряемой в периодах в секунду или герцах (Гц)), при этом высокочастотная составляющая сигнала (выше частоты fс, называемой частотой среза) заметно ослабляется. Этот диапазон частот называется полосой пропускания. На практике срез вовсе не является таким резким, поэтому обычно в упомянутую полосу пропускания включают те частоты, которые передаются с потерей мощности, не превышающей 50%. n 2 2 n n Рис. 1.16. Двоичный сигнал и его среднеквадратичные гармоники Фурье и последовательные приближения к оригинальному сигналу. Полоса пропускания является физической характеристикой среды передачи данных и зависит обычно от конструкции, толщины и длины носителя. Иногда для намеренного уменьшения полосы пропускания, доступной абонентам, в линию включается специальное устройство – фильтр. Например, кабель, используемый в телефонии при небольших расстояниях, имеет полосу пропускания, равную 1 МГц, однако телефонные компании с помощью частотных фильтров урезают ее, предоставляя пользователям лишь 3100 Гц. Такой полосы, впрочем, вполне хватает для отчетливой передачи речи, зато за счет уменьшения расходуемых каждым абонентом ресурсов повышается общая эффективность системы. Теперь посмотрим, как будет выглядеть сигнал, изображенный на рис. 2.1,а, если полоса пропускания канала будет такой, что через него будут проходить только самые низкие частоты (то есть функция g(t) будет аппроксимирована лишь несколькими первыми членами рядов уравнения (2.1)). На рис. 1.16,б показан сигнал на выходе канала, пропускающего лишь первую (основную, f) гармонику сигнала. Аналогично, рис. 2.1,в-д показывают спектры и восстановленные сигналы для каналов с более широкой полосой пропускания. При заданной скорости передачи в битах, равной b бит/с, время, требуемое для передачи, скажем, 8 бит, будет равно 8/ b секунд. Таким образом, частота первой гармоники равна b/8 Гц. Обычная телефонная линия, часто называемая речевым каналом, имеет искусственно созданную частоту среза около 3000 Гц. Это ограничение означает, что номер самой высокой гармоники, прошедшей сквозь телефонный канал, примерно (срез не очень крутой) равен 3000/(6/8) или 24000/6. Для некоторых скоростей передачи данных эти значения показаны в табл. 2.1. Из приведенных данных ясно, что попытка передать по речевому каналу данные на скорости 9600 бит/с превратит сигнал, показанный на рис. 1.16,а, в нечто подобное рис. 1.16,в, что сделает прием исходного потока битов с приемлемым качеством практически невозможным. Очевидно, что у сигналов, передаваемых со скоростью 38 400 бит/с и выше, нет никаких шансов пройти через речевой канал, даже при полном отсутствии помех на линии. Другими словами, ограничение полосы пропускания частот канала ограничивает его пропускную способность для передачи двоичных данных, даже для идеальных каналов. Однако схемы, использующие несколько уровней напряжений, существуют и позволяют достичь более высоких скоростей передачи данных. Таблица 1.1. Соотношение между скоростью передачи данных и числом гармоник Скорость, бит/о Т, мс 1 -я гармоника, Гц Количастао пропускаемых гармоник 300 26.67 37.5 80 600 13.33 75 40 1200 6,67 150 20 2400 3.33 300 10 4800 1.67 600 5 9600 0.83 1200 2 19 200 0.42 2400 1 38 400 0.21 4800 Максимальная скорость передачи данных через канал В 1924 году американский ученый X. Найквист (Н. Nyquist) из компании AT&T пришел к выводу, что существует некая предельная скорость передачи даже для идеальных каналов. Он вывел уравнение, позволяющее найти максимальную скорость передачи данных в бесшумном канале с ограниченной полосой пропускания частот. В 1948 году Клод Шеннон (Claude Shannon) продолжил работу Найквиста и расширил ее для случая канала со случайным (то есть термодинамическим) шумом. Мы кратко рассмотрим результаты работы Найквиста и Шеннона, ставшие сегодня классическими. Найквист доказал, что если произвольный сигнал прошел через низкочастотный фильтр с полосой пропускания Н, то такой отфильтрованный сигнал может быть полностью восстановлен по дискретным значениям этого сигнала, измеренным с частотой 2Н в секунду. Производить измерения сигнала чаще, чем 2Н в секунду, нет смысла, так как более высокочастотные компоненты сигнала были отфильтрованы. Если сигнал состоит из У дискретных уровней, то уравнение Найквиста будет выглядеть так Максимальная скорость передачи данных = 2Н log2V, бит/с Так, например, бесшумный канал с частотой пропускания в 3 кГц не может передавать двоичные (то есть двухуровневые) сигналы на скорости, превосходящей 6000 Кбит/с. Итак, мы рассмотрели случай бесшумных каналов. При наличии в канале случайного шума ситуация резко ухудшается. Уровень термодинамического шума в канале измеряется отношением мощности сигнала к мощности шума и называется отношением сигнал/шум. Если обозначить мощность сигнала S, а мощность шума – N, то отношение сигнал/шум будет равно S/N. Обычно сама величина отношения не употребляется. Вместо нее используется ее десятичный логарифм, умноженный на 10: 10lgS/N. Такая единица называется децибелом (decibel, dB, дБ). Таким образом, если отношение сигнал/шум 10, это соответствует 10 дБ, отношение 100 равно 20 дБ, отношение 1000 равно 30 дБ и т. д. Производители стереоусилителей часто указывают полосу частот (частотный диапазон), в котором их аппаратура имеет линейную амплитудно-частотную характеристику в пределах 3 дБ. Отклонение в 3 дБ соответствует ослаблению сигнала примерно в два раза (потому что log103 = 0,5). Главным результатом, который получил Шеннон, было утверждение о том, что максимальная скорость передачи данных в канале с полосой частот Н Гц и отношением сигнал/шум, равным S/N, можно вычислить по формуле Максимальная скорость передачи данных = Н log2(l+ S/N). Например, канал с частотной полосой пропускания в 3000 Гц и отношением мощностей сигнала и термального шума в 30 дБ (обычные параметры для аналоговой части телефонной системы) никогда не сможет передавать более 30000 бит/с, независимо от способа модуля- ции сигнала, то есть количества используемых уровней сигнала, частоты дискретизации и т.д. Результат, полученный Шенноном и подкрепленный постулатами теории информации, применим к любому каналу с гауссовским (термальным) шумом. Попытки доказать обратное следует считать обреченными на провал. Однако следует заметить, что данная теорема описывает верхний, теоретический предел пропускной способности информационного канала, и реальные системы редко достигают его.