Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей

Федеральное агентство связи Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» __________________________________________________________________________ Кафедра ___________Систем связи___________ (наименование кафедры) КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей (наименование учебной дисциплины) по специальности (направлению подготовки): 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» наименование специальности (направления подготовки) Самара 2017 УДК 681.3 Марыкова Л.А. Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей. Конспект лекций. – Самара: ФГБОУ ВО ПГУТИ, 2017. – 207 с. Изложены принципы построения инфокоммуникационных систем и сетей. Приведены основные характеристики сигналов и каналов. Рассмотрены методы мультиплексирования каналов многоканальных систем передачи информации, рассмотрены принципы построения систем и сетей с временным разделением каналов и импульсно кодовой модуляцией. Рассмотрены способы объединения цифровых потоков. Рассмотрены основы построения инфокоммуникационных мультисервисных сетей передачи информации. Рецензент: Васин Н.Н. - д.т.н., профессор, зав. кафедрой СС ФГОБУ ВПО ПГУТИ Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»  Марыкова Л.А., 2017 Оглавление Введение.......................................................................................................................... Лекция 1 Тема 1. Основные понятия и определения. Классификация систем электросвязи. Уровни передачи............................................................................ Раздел 1.1. Основные понятия и определения.................................................... Раздел 1.2. Классификация систем электросвязи............................................... Раздел 1.3. Уровни передачи................................................................................ Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 2 Тема 2. Первичные сигналы электросвязи......................................................... Раздел 2.1. Первичные сигналы электросвязи и их физические характеристики...................................................................................................... Раздел 2.2. Телефонные сигналы.......................................................................... Раздел 2.3. сигналы звукового вещания.............................................................. Раздел 2.4. Факсимильные сигналы..................................................................... Раздел 2.5. Телевизионные сигналы.................................................................... Раздел 2.6. Сигналы передачи данных и телеграфии......................................... Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 3 Тема 3. Каналы передачи........................................................................................ Раздел 3.1. Каналы передачи, их классификация и основные характеристики....................................................................................................... Раздел 3.2. Канал передачи как четырехполюсник............................................ Раздел 3.3.Типовые каналы передачи.................................................................. Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 4 Тема 4. Двусторонние каналы................................................................................ Раздел 4.1. Построение двусторонних каналов................................................... Раздел 4.2. Развязывающие устройства, требования к ним и их классификация........................................................................................................ Раздел 4.3. Анализ неуравновешенной трансформаторной дифференциальной системы................................................................................. Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 5 Тема 5. Устойчивость двухсторонних каналов.................................................. Раздел 5.1. Двусторонние усилители................................................................... Раздел 5.2. Устойчивость телефонного канала................................................... Раздел 5.3. Искажения от обратной связи........................................................... Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 6 Тема 6. Принципы построения много канальных систем передачи.............. Раздел 6.1. Обобщенная структурная схема многоканальной системы передачи.................................................................................................................. Раздел 6.2. Методы разделения канальных сигналов......................................... Раздел 6.3. Взаимные помехи между каналами.................................................. Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 7 Тема 7. Основы построения систем передачи с частотным разделением каналов (ЧРК)..................................................................................................................... Раздел 7.1. Структурная схема системы передачи с ЧРК.................................. Раздел 7.2. Групповой принцип построения систем передачи с ЧРК............. Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 8 Тема 8. Основы построения систем передачи с временным разделением каналов (ВРК)..................................................................................................................... Раздел 8.1. Структурная схема системы передачи с ВРК.................................. Раздел 8.2. Формирование канальных сигналов................................................. Раздел 8.3. переходные влияния между каналами систем передачи с ВРК..... Вопросы и задания для самоконтроля................................................................. Лекция 9 Тема 9. Построение цифровых систем передачи................................................. Раздел 9.1. Импульсно-кодовая модуляция. Квантование сигнала по уровню............................................................................................................................. Раздел 9.2. Шумы квантования............................................................................. Раздел 9.3. Кодирование квантованных отсчетов............................................... Раздел 9.4. Виды синхронизации в цифровых системах передачи................... Раздел 9.5. Обобщенная структурная схема цифровой ситемы передачи....... Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 10 Тема 10. Способы объединения цифровых потоков.......................................... Раздел 10.1. Объединение цифровых потоков в плезиохронной цифровой иерархии................................................................................................................. Раздел 10.2. Объединение цифровых потоков в синхронной цифровой иерархии................................................................................................................. Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 11 Тема 11. Основы построения волоконно-оптических систем передачи......... Раздел 11.1. Особенности передачи электромагнитных колебаний по оптическому кабелю.............................................................................................. Раздел 11.2. Уплотнение оптических кабелей.................................................... Раздел 11.3. Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи.................................................................................................. Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 12 Тема 12. Основные узлы оптических систем передачи..................................... Раздел 12.1. Лазеры и светодиоды....................................................................... Раздел 12.2. Затухание оптического излучения в ОВ......................................... Раздел 12.3. Оптические усилители..................................................................... Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 13 Тема 13. Основы построения систем радиосвязи............................................... Раздел 13.1. Упрощенная структурная схема беспроводной линии связи....... Раздел 13.2. Общие принципы построения радиорелейных систем связи....... Раздел 13.3. Спутниковые системы связи........................................................... Раздел 13.4. Основные характеристики цифровых транкинговых систем....... Раздел 13.5. Принцип построения сотовых систем связи. Стандарты сотовой связи......................................................................................................................... Вопросы для самоконтроля................................................................................... Лекция 14 Тема 14. Основы построения инфокоммуникационных сетей........................ Раздел 14.1. Назначение и состав сетей электросвязи....................................... Раздел 14.2. Принципы построения систем коммутации................................... Раздел 14.3. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем.......... Раздел 14.4. Топология сетей................................................................................ Вопросы для самоконтроля................................................................................... Заключение..................................................................................................................... Список литературы....................................................................................................... Глоссарий........................................................................................................................ 6 9 9 10 13 18 19 19 22 25 26 30 35 39 40 40 42 48 60 61 61 68 78 81 82 82 83 84 88 89 89 93 104 106 107 107 110 112 114 114 116 118 119 120 120 120 121 123 126 127 128 128 132 134 135 135 139 142 145 146 146 146 148 148 149 149 150 154 168 173 182 183 183 186 191 196 199 200 204 205 Введение Инфокоммуникации - это новая отрасль экономики, которая развивается как единое целое информационных и телекоммуникационных технологий.  В инфокоммуникациях технологии связи используются как средство передачи информации различной природы на произвольные расстояния. В прошлом телекоммуникационные и информационные технологии развивались отдельно и, по сути, независимо друг от друга. Предоставление телекоммуникационных услуг было неразрывно связано с организациями, называемыми операторами связи, которые выстраивали свой бизнес на продаже голосового трафика. Информационные технологии в свою очередь развивались самостоятельно и были связанны с разработкой программного обеспечения. Однако постепенное развитие цифровых технологий привело к тому, что для того чтобы оперативно обмениваться информацией компьютеры стали объединяться в небольшие локальные сети. В них стали появляться специализированные мощные компьютеры - серверы, ресурсы которых стали доступны другим пользователям сети. Это в свою очередь способствовало развитию сетевых технологий, поскольку возрастала потребность в надежных высокоскоростных системах передачи. Со временем возникла необходимость в объединении разрозненных сетей, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Так стал зарождаться Интернет, который, по сути, является сетью между сетями (перевод: inter - между или среди, net - сеть). То есть Интернет объединяет локальные сети в одну глобальную сеть. Такая сеть оказалась востребованной на рынке, что привело к быстрому развитию Интернета. Более того, оказалось, что возможности этой сети позволяют передавать не только данные, но также голос и видео. Бурный рост интернет-компаний, представляющих различные сетевые сервисы, ознаменовал собой переход от "экономики трафика" к "экономике сервиса". Будущее телекоммуникаций неразрывно связано с развитием сервисов. Интеграция телекоммуникаций и информационных технологий в единую отрасль - инфокоммуникации - общемировая тенденция, ориентированная на развитие телекоммуникационной сети и расширение на её основе числа глобальных информационных сервисов. В течение ближайших лет термин инфокоммуникации приобретет большее употребление, поскольку возрастет количество компаний, в которых телекоммуникации и информационные технологии будут составлять основу бизнеса. Современные инфокоммуникационные системы и сети представляют сложный комплекс разнообразных технических средств, обеспечивающих передачу различных сообщений на любые расстояния с заданными параметрами качества. Основу инфокоммуникационных систем составляют многоканальные системы передачи по электрическим, волоконно-оптическим кабелям и радиолиниям и предназначены для формирования типовых каналов и трактов. С использованием систем передачи создана инфокоммуникационная сеть страны, реализованная в виде комплекса технологически сопряженных сетей электросвязи общего пользования, ведомственных и частных сетей электросвязи на территории России, охваченная общим централизованным управлением и называемая Взаимоувязанной сетью связи Российской Федерации (ВСС РФ). Взаимоувязанная сеть связи, как информационная транспортная среда, кроме сетей передачи привычных сообщений, позволит создать: - цифровую сеть связи с интеграцией служб, обеспечивающую полностью цифровые соединения между оконечными устройствами для предоставления абонентам широкого спектра услуг для передачи телефонных и нетелефонных сообщений, доступ к которым осуществляется через ограниченный набор стандартизированных многофункциональных интерфейсов; - интеллектуальную сеть, которая предоставит абонентам расширенный набор услуг в заданное время в заданном месте, например, установления телефонного соединения с оплатой за счет вызываемого абонента, вызов по кредитной карте, общение по сокращенному набору номера, телеголосование и др; - сотовые мобильные сети связи, предоставляющие абоненту, находящемуся в движении, получить услуги связи в любом месте; - широкополосные цифровые сети с интеграцией услуг со скоростью обмена информацией свыше 140 Мбит/с; - высокоскоростные сети на основе транспортирования информации с помощью технологии асинхронного режима переноса (Asynchronous Transfer Mode – ATM). Материал, изложенный в цикле лекций, является основой для изучения таких специальных дисциплин как “Многоканальные телекоммуникационные системы”, “Спутниковые и радиорелейные системы передачи”, “Волоконно-оптические системы передачи” и др. Изучение дисциплины “Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей” предусматривает соответствующую подготовку студентов по дисциплинам “Теория электрической связи” и “Теория электрических цепей”, владение основными понятиями и определениями этих дисциплин, таких как: четырехполюсник и его основные параметры и характеристики, сообщение, сигнал, канал передачи, система передачи, частотное и временное разделение каналов, условия неискаженной передачи в системах с частотным и временным представлением сигналов, прямое и обратное преобразование Фурье, элементы теории случайных процессов. Лекция 1 Тема 1. Основные понятия и определения. Классификация систем электросвязи. Уровни передачи Раздел 1.1. Основные понятия и определения Развитие человеческой цивилизации - это непрерывное и динамичное развитие средств общения от личного до общественного, от примитивных с помощью жестов, мимики, наскальных рисунков, звуков и света и оптических семафоров до создания глобальных телекоммуникационных систем и сетей, обеспечивающих передачу, прием, обработку, распределение и хранение различной информации. Под информацией понимается совокупность сведений о событиях, явлениях, процессах, понятиях и фактах, предметах и лицах независимо от формы представления. Телекоммуникационные системы – это комплекс технических средств, обеспечивающих электрическую связь - электросвязь определенного типа. В приведенном определении есть ключевые слова “cвязь” и “’электросвязь”. Связь (communication) – обмен информацией или пересылка информации с помощью средств, функционирующих в соответствии с согласованными правилами (называемых в конкретных условиях протоколами). Международная Конвенция по электросвязи определила “электросвязь” (Найроби, 1982 год) как “…передачу, получение и прием знаков, сигналов, письменного текста, изображений и звуков или сообщений любого рода по проводной, радио и оптической или другим электромагнитным системам …”. В Основных положениях развития ВСС РФ “электросвязи” дается такое определение: электросвязь (telecommunication) – передача или прием знаков, сигналов, текстов, изображений, звуков по проводной, оптической или другим электромагнитным системам. Это определение может быть выражено в такой форме: электросвязь это передача и прием сообщений с помощью сигналов электросвязи по проводной, радио, оптической или другим средам распространения. Вышеприведенные определения содержат слова: сообщение, сигнал, сигнал электросвязи. Сообщение – форма представления информации для передачи ее от источника информации к потребителю. Применительно сфере телекоммуникаций сообщение это информация, передаваемая с помощью электромагнитных сигналов средствами электросвязи. Примеры сообщений: текст телеграммы, речь, музыка, фототелеграмма - факс, телевизионное изображение, данные на выходе вычислительной машины, команды в системах телеуправления и телеконтроля и др. Сигнал – материальный носитель или физический процесс, отражающий (несущий) передаваемое сообщение. Классификация сигналов может быть самой разнообразной, но особый интерес представляют электрические сигналы, называемые сигналами электросвязи, и представляющими электрические напряжения или токи, изменение параметров которых во времени отражает передаваемое сообщение. К электрическим сигналам относятся: телефонные, телеграфные, факсимильные сигналы, сигналы передачи данных, сигналы телевизионного и звукового вещания, сигналы телеконтроля и телеуправления. С понятием телекоммуникационные системы и тесно связано понятие телекоммуникационные сети или сети, представляющие совокупность пунктов, узлов и линий (каналов, трактов) их соединяющих. Раздел 1.2. Классификация систем электросвязи Телекоммуникационные системы и телекоммуникационные сети, взаимодействуя друг с другом, образуют систему электросвязи – комплекс технических средств, обеспечивающих электросвязь определенного вида. Классификация систем электросвязи весьма разнообразна, но в основном определяется видами передаваемых сообщений, видами среды распространения электрических сигналов (рис. 1.1) и способами распределения информации: коммутируемые или некоммутируемые сети передачи сообщений. Телекоммуникационные системы и сети, как отмечалось выше, представляют совокупность технических средств и осуществляют следующие операции передачи сообщения от его источника до получателя: - преобразование сообщения, поступающего от источника сообщения (ИС) в сигнал электросвязи; - преобразование сигналов электросвязи в форму удобную для получателя сообщения (ПС); - сопряжения сигналов электросвязи с каналами передачи и станциями коммутации (СК), установленными в оконечных пунктах (ОП) или узлах связи (УС). Рис.1.1- Классификация систем электросвязи по видам передаваемых сообщений и среды распространения Обобщенная структурная схема взаимодействия телекоммуникационных систем и сетей представлена на рис. 1.2, приняты следующие обозначения: Рис. 1.2 - Взаимодействие телекоммуникационных систем и сетей ИС – источник сообщения (информации); ПР1 – преобразователь сообщения в электрический сигнал, называемым первичным электрическим сигналом (в дальнейшем просто “первичный сигнал”; СК – станция коммутации, представляющая совокупность коммутационной и управляющей аппаратуры, обеспечивающая установление различного вида соединений (местные, междугородные, международные, входящие, исходящие и транзитные) и реализующей определенный метод коммутации (коммутация каналов, коммутация сообщений или коммутация пакетов); ПР1 – преобразователь сообщения в первичный сигнал; ОС1 – оборудование сопряжения, осуществляющее преобразование первичных сигналов в линейные электрические сигналы, физические характеристики которых согласуются с параметрами передачи среды распространения (СР); ОС-1 – оборудование сопряжения, осуществляющее преобразование линейных электрических сигналов в исходные; ПР-1 – преобразователь первичного сигнала в сообщение и ПС – получатель сообщения. Комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу первичного сигнала в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между сетевыми станциями или сетевыми узлами называется каналом передачи. Комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий преобразование первичных сигналов в линейные сигналы и их передачу по среде распространения называется системой передачи. Линейные сигналы при прохождении по среде распространения испытывают затухание, подвергаются различного вида искажениям и помехам. Для устранения влияния этих факторов на качество передачи сигналов через определенные расстояния в зависимости от вида системы передачи устанавливаются усилители, регенераторы или ретрансляторы, которые вместе со средой распространения образуют линейный тракт системы передачи. Раздел 1.3. Уровни передачи Сигналы, используемые для передачи сообщений в системах электросвязи, представляют собой электрические напряжение или ток, изменяющиеся во времени. Характер изменений мгновенных значений напряжения или тока сигнала однозначно соответствует передаваемым сообщениям. Значения напряжений (токов) сигналов и помех в различных точках каналов и трактов имеют величины от пиковольт (пикоампер) до десятков вольт (ампер) Мощности токов имеют величины от долей пиковатт до ватт, киловатт и даже мегаватт. Чтобы облегчить измерения и расчеты величин, значения которых изменяются в широком диапазоне и чтобы при сравнении результатов измерений или расчетов операции умножения и деления заменить соответственно сложением и вычитанием, вместо величин мощности, напряжения и тока, выраженных в ваттах, вольтах и амперах (или их долях), используют логарифмы отношения этих величин к одноименным величинам, принятым за отсчетные. Относительные величины, выраженные в логарифмической форме называют уровнями передачи. Уровни передачи, представляющие десятичные логарифмы отношения одноименных величин, называются децибелами (дБ), а уровни передачи, представляющие натуральные логарифмы отношения одноименных величин, называются неперами (Нп). В технике телекоммуникационных систем в основном принято пользоваться децибелами. Уровни передачи по мощности, напряжению и току определяются следующими формулами соответственно: рм=10lg(Wх/W0); рн=20lg(Uх/U0); рт=20lg(Iх/I0). В этих формулах Wх, Uх, Iх—величины кажущейся мощности, напряжения или тока в рассматриваемой точке, а W0, U0 и I0 — величины, принятые за исходные при определении уровней передачи. Уровни называются абсолютными, если за исходное приняты следующие величины: кажущаяся мощность W0=1 мВт; дей­ствующее напряжение U0=0,775 В; действующий ток I0=1,29 мА. В общем случае численные значения уровней передачи по мощности, напряжению и току не совладают. Однако между ними легко установить взаимозависимость, если известны сопротивления Zх и Z0, на которых выделяются мощности Wх и W0. Действительно: рм =101g = 10lg =201g -101g. Откуда: рм=рн-101g. Аналогично получим: рм=рт+101g. Если абсолютные уровни определяются при сопротивлении Z=600 Ом, то рм=рн=рт. Это объясняется выбором исходных величин: U0=0,775 В; I0=1,29 мА; W0=1 мВт и Z0=0,775 В/1,29 мА=600 Ом. Уровни передачи называются относительными, если величины W0 , U0 , I0 соответствуют значениям мощности, напряжения и тока в точке цепи, принятой за отсчетную (начало, вход цепи). Легко показать, что относительный уровень сигнала равен разности абсолютных уровней в данной точке цепи (рх) и в точке, принятой за начало (р0). Так, для уровня по мощности имеем: рм.отн =101g(Wх/W0) =10lg (Wх/1 мВт) - 10 lg (W0/1 мВт) = рмх-рмо. От логарифмических единиц (уровней в децибелах) легко перейти к абсолютным (мощности, напряжению, току) по очевидным формулам: Рх=W0100,1рм; Uх=U0100,05рн; Iх=I0100,05рт. При передаче сигналов по каналам связи имеют место потери энергии в пассивных четырехполюсниках или ее увеличение в активных четырехполюсниках. Чтобы охарактеризовать изменение энергии сигнала в различных четырехполюсниках, образующих каналы связи, вводится понятие рабочего затухания и рабочего усиления. Рабочее затухание измеряется в децибелах и определяется по формуле: ap=10lg(Wг/W2)= 10lg(Wвх/Wвых), где Wг—кажущаяся мощность, которую отдал бы источник сигнала согласованной с ним нагрузке, W2 — кажущаяся мощность, выделяющаяся в нагрузке четырехполюсника в реальных условиях включения. При таком определении учитывается возможная несогласованность на входе и выходе четырехполюсника. Рабочее усиление определяется выражением: Sp=10lg(W2/Wг)= 10lg(Wвых/Wвх) Очень важным является понятие измерительного уровня. По определению МККТТ измерительным уровнем называется абсолютный уровень в рассматриваемой точке системы (канала), если в начале этой системы (на входе канала) включен нормальный генератор. Нормальным называется генератор с ЭДС, равной 2775 мВ, и внутренним активным сопротивлением, равным 600 Ом. Частота тока нормального генератора может быть любой, однако, на практике, если нет специальной оговорки, частоту считают равной 800 Гц. Если входное сопротивление канала активно и равно 600 Ом, то при подключении нормального гене­ратора на входе канала оказывается абсолютный нулевой уровень мощности, тока и напряжения. При проектировании и эксплуатации систем связи необходимо знать величины уровней сигнала в различных точках тракта передачи. Чтобы охарактеризовать изменения энергии сигнала при его передаче, пользуются диаграммой уровней — графиком, показывающим распределение измерительных уровней вдоль тракта передачи. Рис. 1.3 - Диаграмма уровней На рис. 1.3 показана диаграмма уровней канала передачи, состоящего из усилителя передачи УСпер, трех участков линии связи l1, l2 и l3, двух промежуточных усилителей Ус1 и Ус2 и усилителя приема УCпр. На диаграмме отмечены характерные точки тракта: точка 1—вход; точка 2—выход канала; точки 3 — выходы оконечного усилителя передающей станции и промежуточных усилителей; точки 4 — входы промежуточных и оконечно-приемного усилителей. Уровни в точках 3 определяются усилением усилителей; уровни в точках 4 зависят от затуханий участков линии. Минимально допустимый уровень в точках 4 определяется требуемым превышением сигнала над помехой (защищенностью): Аз=10lg(WС/Wп)=рс- рп, где Wс и Wп — мощности сигнала и помехи, а рс и рп — соответствующие уровни. Соотношение между уровнями на входе и выходе канала определяется его остаточным затуханием, которое представляет собой рабочее затухание, определенное в условиях замыкания входа и выхода канала на активные сопротивления нагрузки, соответствующие номинальным значениям входного и выходного сопротивлений канала. Остаточное затухание равно разности между суммой всех рабочих затуханий, имеющихся в канале, и суммой всех рабочих усилений: Ar= aр.i- Si Для того чтобы обеспечить нормальную работу системы связи величины мощностей, напряжений и токов сигналов и соответствующих уровней нормируют; нормируют также допустимые уровни помехи. При этом приходится считаться с тем, что вследствие наличия затуханий и усилений, уровни сигналов и помех в различных точках канала будут различными. Чтобы избавиться от неопределенности, все нормируемые величины относят к точке тракта передачи с нулевым измерительным уровнем (ТНОУ). Уровни по мощно­сти, отнесенные к точке с нулевым измерительным уровнем, обозначают через дБм0. Возможно также использование натуральных логарифмов; при этом логарифмические единицы называются неперами (Нп); рм= 1/2 In(Wх/W0), рн=1n (Ux/Uy), Iт=1n (Iх/I0). Очевидно, при таких определениях 1 Нп =8,686 дБ, а 1 дБ=0,115 Нп. На практике применяются только децибелы. И в заключение отметим, что приборы для измерения уровней передачи называются указателями уровней и представляют собой обычные вольтметры, измерительная шкала которых и входные регуляторы отградуированы в уровнях мощности и напряжения. Вопросы и задания для самоконтроля 1. Что такое уровни по мощности, по напряжению и току и как они связаны между собой? 2. Что такое абсолютный, относительный и измерительный уровни по мощности, напряжению, току и как они связаны между собой? 3. Какой мощности, напряжению, току соответствует абсолютный уровень 0 дБ? 4. Как по диаграмме уровней определить помехозащищенность? Лекция 2 Тема 2. Первичные сигналы электросвязи Раздел 2.1. Первичные сигналы электросвязи и их характеристики Электрический сигнал, получаемый на выходе преобразователя сообщения или соответствующего ему сигнала неэлектрической природы (рис.1.2, лекция 1), называется первичным сигналом электросвязи. Параметр первичного сигнала “x(t)”, изменение величины которого однозначно отображает передаваемое сообщение, называется информационным параметром. Таким параметром, например, может быть амплитуда, частота или фаза гармонического электрического сигнала; амплитуда, длительность или фаза импульсов периодической последовательности; структура и разрядность кодовых комбинаций и др. Первичный сигнал в структуре телекоммуникационных систем и сетей (ТКСС) является объектом транспортировки, так как он должен быть передан по каналу от передатчика к приемнику. Техника ТКСС представляет технику транспортирования сигнала, а телекоммуникационные сети – специфическую транспортную сеть. Поэтому для установления соотношений между параметрами и характеристиками первичных сигналов и свойствами каналов передачи вводят такие параметры и характеристики первичных сигналов, которые просто измерить и по которым возможно определить условия их передачи с минимальными искажениями и максимально возможной защищенностью. Первым таким параметром является длительность первичного сигнала Тс, определяющая интервал времени, в пределах которого сигнал существует. Следующим параметром первичного сигнала является его средняя мощность, определяемая выражением: , где Т – период усреднения; если Т = 1 мин, то такая средняя мощность называется среднеминутной мощностью, если Т = 1 ч, то речь идет о среднечасовой мощности и при Т 1 ч говорят о долговременной средней мощности сигнала; R – сопротивление нагрузки, на которой определяется средняя мощность сигнала; U(t) – напряжение первичного сигнала. Первичный сигнал характеризуется максимальной мощностью Wмакс, под которой понимается мощность эквивалентного синусоидального сигнала с амплитудой Um, которая превышается мгновенными значениями переменной составляющей сигнала U(t) с определенной малой вероятностью  . Для различных видов сигналов значение  принимается равным 10-2, 10-3 и даже 10-5. Средняя и максимальная мощности сигнала должны быть такими, чтобы при прохождении сигнала по каналу передачи не превышались допустимые значения, обеспечивающие неискаженную передачу сигналов для правильного воспроизведения передаваемого сообщения на приеме. Минимальная мощность Wмин – это мощность эквивалентного синусоидального сигнала с амплитудой Umмин, которая превышается мгновенным значением переменной составляющей сигнала U(t) с определенной вероятностью, которая обычно равна  0,98. Возможный разброс мощностей первичного сигнала в конкретной точке канала характеризуется динамическим диапазоном Dc, под которым понимается отношение вида: , дБ, где Wмакс – максимальная (пиковая) мощность и Wмин – минимальная мощность сигнала в одной и той же точке канала. Превышение максимальной мощности сигнала средней мощности называется пик-фактором Qc, определяемым по формуле: , дБ. Превышение средней мощности первичного сигнала Wср средней мощности помехи Wп называется защищенностью, которая равна . Первичные сигналы электросвязи (непрерывные и дискретные) являются непериодическими функциями времени. Таким сигналам соответствует сплошной спектр, содержащий бесконечное число частотных составляющих. Однако всегда можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90%) и ширина которого равна Fc = Fмакс – Fмин , где Fмин – минимальная частота первичного сигнала, Fмакс – максимальная частота первичного сигнала. Этот диапазон еще называют эффективно передаваемой полосой частот сигнала, устанавливаемой экспериментально, исходя из требований качества передачи для конкретного вида первичных сигналов. Произведение трех физических параметров первичного сигнала: длительности Тс, динамического диапазона Dc и эффективно передаваемой полосы частот Fc, т.е. Vc =Tc  DcFc, называется объемом первичного сигнала. Важным параметром первичного сигнала является его потенциальный информационный объем или количество информации Ic, переносимое им в единицу времени и равное ,бит/с , где  - коэффициент активности источника первичного сигнала (для телефонных сигналов берется равным 0,25…0,35, а для остальных – 1), Fc – эффективно передаваемая полоса частот, Гц, Wср – средняя мощность первичного сигнала и Wп – средняя допустимая мощность помехи. Классификация первичных сигналов разнообразна, но наибольшее применение нашла классификация по виду передаваемых сигналов и по виду передаваемых сообщений. Классификация по виду сигналов охватывает аналоговые, дискретные и цифровые сигналы, узкополосные и широкополосные. Аналоговым (непрерывным) сигналом называется сигнал электросвязи, у которого величина представляющих (информационных) параметров может принимать непрерывное множество состояний. Аналоговым сигналом может быть и импульсный сигнал, если один из его параметров (амплитуда, длительность, частота следования, фаза) принимает бесчисленное множество состояний. Дискретным называется сигнал электросвязи, у которого величина одного из представляющих параметров квантуется, т.е. имеет счетное множество состояний. Цифровым называется сигнал электросвязи, у которого счетное множество величин одного из представляющих параметров описывается ограниченным набором кодовых комбинаций. Примерами таких сигналов являются: сигналы передачи данных и телеграфии, сигналы телеконтроля и телеуправления, телемеханики и др. Если отношение граничных частот эффективно передаваемой полосы частот первичного сигнала Fмакс / Fмин  2, то такие сигналы называются узкополосными, а если Fмакс / Fмин  2, то такие сигналы называются широкополосными. Классификация первичных сигналов по виду передаваемых сообщений охватывает телефонные (речевые) сигналы и сигналы звукового вещания, сигналы передачи данных и телеграфии, телевизионные сигналы и факсимильные сигналы, сигналы телемеханики, телеуправления и телеконтроля, являющихся частным случаем сигналов передачи данных. Раздел 2.2. Телефонные сигналы Для понимания сущности физических параметров речевых, а потом и телефонных сигналов, рассмотрим процесс речеобразования. В образовании звуков речи принимают участие легкие, гортань с голосовыми связками, образующими голосовую щель, область носоглотки, язык, зубы и губы. В процессе произнесения речи человек вдыхает воздух и наполняет им легкие, которые через бронхи продувают воздух в гортань и далее через вибрирующие голосовые связки в полости рта и носа. Голосовые связки то сжимая, то открывая голосовую щель, пропускают воздух импульсами, частота следования которых называется основным тоном. Частота основного тона лежит в пределах от 50…80 Гц (очень низкий голос-бас) до 200…250 Гц (женские и детские голоса). Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40), амплитуда которых убывает с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву. Например, амплитуда составляющей импульсов основного тона с частотой 100 Гц на 12 дБ больше амплитуды ее второй гармоники – 200 Гц, которая в, свою очередь, на 12 дБ больше соответствующей ей второй гармоники, т.е. 400 Гц, а вторая гармоника частоты 400 Гц будет на 12 Дб больше составляющей с частотой 800 Гц и т.д. Импульсы воздуха встречают на своем пути систему резонаторов, образуемых объемами полости рта и носоглотки, положением языка, зубов и губ и изменяющихся в процессе произнесения различных звуков. Проходя через эту систему резонаторов, одни гармонические составляющие импульсной последовательности основного тона получают усиление, а другие – ослабление. Картина спектра звука (гласного), выходящего изо рта, принимает вид, изображенный на рис. 2.1, где приняты следующие обозначения: р – уровни спектральных составляющих частоты основного тона; f0 – основного тона; 1,2,3…n – гармоники частоты основного тона. Отметим, что частота основного тона меняется в значительных пределах при переходе от гласных звуков к согласным и наоборот. Рис. 2.1 - Спектр сформированного звука На рис. 2.1 ясно видны усиленные области частот, характерные для спектра конкретного звука. Эти усиленные области частот называются формантными областями или просто формантами. Звуки речи различаются друг от друга числом формант и их расположением в частотной области. Поскольку форманты значительно мощнее других составляющих, то они главным образом и воздействуют на ухо слушающего. Разборчивость передаваемой речи зависит от того, какая часть формант доходит до уха слушающего без искажений и какая их часть исказилась или, по тем или иным причинам не была услышана. Представленный на рис. 2.1 вид спектра соответствует произнесению гласных звуков, обладающих заметной периодичностью. Многие согласные звуки непериодичны и их частотные спектры являются либо полностью сплошными, либо содержат в своем составе участки сплошного спектра, штриховая линия рис. 2.1. Максимально в отдельных звуках замечено до 6 усиленных частотных областей. Некоторые из них никакого значения для распознавания звуков не имеют, хотя и несут в себе довольно значительную энергию. Спектральные исследования отдельных звуков русского языка отмечают наличие максимально четырех формант с условными максимумами на частотах 500 Гц (первая форманта), 1500 Гц (вторая форманта), 3500 Гц (третья форманта). Важными являются первые одна-две форманты (на оси частот) и исключение из передачи любой из них вызывает искажение передаваемого звука, превращая его в другой звук, либо вообще потерю им признаков человеческой речи. Первые три форманты звуков речи лежит в полосе частот от 300 до 3400 Гц, что и позволяет считать эту полосу частот вполне достаточной для обеспечения хорошей разборчивости передаваемой речи, сохранения естественности звучания и тембра голоса, узнаваемости говорящего. Следовательно, эффективно передаваемая полоса частот телефонного сигнала может быть принятой равной FТ = 0,3…3,4 кГц. Исследованию по определению минимальной, максимальной и средней мощности телефонного сигнала с учетом характеристик микрофонов телефонных аппаратов, типов и характеристик абонентских и соединительных линий телефонных сетей, особенностей говорящих позволяют сделать следующие выводы: - при средней активности источника телефонного сигнала Т = 0,25…0,35 минимальная мощность телефонного сигнала в точке нулевого относительного уровня равна WминТ = 0,1 мкВт0; - средняя мощность телефонного сигнала в этой же точке на интервалах активности источника равна WсрТ = 88 мкВт0; - максимальная мощность телефонного с вероятностью превышения  = 10-5 в точке нулевого относительного уровня равна WмаксТ =2220 мкВт0. Согласно формулам (2.2 и 2.3), динамический диапазон и пик-фактор будут равны соответственно DТ = 43 дБ (в практических расчетах принимают DТ = 40 дБ) и QТ = 14 дБ, что и берется при расчетах. Для оценки количества информации, содержащейся в телефонном сигнале, воспользуемся формулой (2.7), подставив в нее следующие значения Т = 0,33 , FТ = 3400 – 300 = 3100 Гц, WсрТ = 88 мкВт0 и мощность помехи Wп = 0,1 мкВт0 (что вполне реально), получим IТ = 10000 бит/с. Раздел 2.3. Сигналы звукового вещания Источниками первичных сигналов звукового вещания являются высококачественные микрофоны и они представляют чередование сигналов различного вида: речи (особо следует выделит речь дикторов), художественного чтения (сочетания речи и музыки), вокальных и инструментальных музыкальных произведений от сольного исполнения до симфонических оркестров. Частотный спектр сигналов вещания занимает полосу частот от 15 (звук барабана) до 20000 Гц. Однако в зависимости от требований к качеству воспроизведения эффективно передаваемая полоса частот (ЭППЧ) Fзв, отводимая для передачи сигналов вещания, может быть значительно ограничена. Для достаточно высокого качества воспроизведения сигналов звукового вещания его ЭППЧ должна составлять 0,05…10000 Гц. Для получения безукоризненного воспроизведения программ вещания полоса частот сигнала вещания должна составлять 0,03…15000 Гц. Значение средней мощности сигнала вещания Wср.зв существенно зависит от интервала усреднения. В точке с нулевым относительным уровнем мощность сигнала составляет 923 мкВт0 при усреднении за час, 2230 мкВт0 – за минуту и 4500 мкВт0 – за секунду. Максимальная мощность сигнала звукового вещания Wмакс.зв в этой же точке составляет 8000 мкВт0. Динамический диапазон сигнала вещания Dзв весьма широк, т.к. должны быть переданы сигналы минимальной мощности (например, шорох листьев в тихую летнюю ночь) и максимальной (например рев моторов взлетающего лайнера) и достигает величины 100…110 дБ. Динамический диапазон речи диктора равен 25...35 дБ, художественного чтения – 40…50 дБ, небольших вокальных и инструментальных ансамблей 45…55 дБ, симфонического оркестра 60…65 дБ. При определении динамического диапазона сигнала вещания максимальным считается такой его уровень мощности, вероятность превышения которого составляет 2 %, а минимальным – уровень, вероятность превышения которого равна 98 %. Для качественной передачи сигналов звукового вещания и их восприятия необходим динамический диапазон Dзв = 65 дБ. Потенциальная информационная емкость сигнала звукового вещания при реальных значениях помех в зависимости от ширины ЭППЧ лежит в пределах 140…200 кбит/с. Раздел 2.4. Факсимильные сигналы Факсимильная связь – вид электросвязи, обеспечивающий передачу неподвижных изображений: фотографий, чертежей, текстов (в том числе и рукописных) газетных полос и др. Первичные факсимильные сигналы получаются при помощи процесса электрооптической развертки неподвижного изображения, заключающегося в преобразовании светового потока, отражаемого элементами изображения, в электрические. Упрощенная схема одной модели формирования первичного факсимильного сигнала приведена на рис. 2.2. Рис. 2.2 - Структурная схема формирования и передачи факсимильного сигнала Передаваемое изображение на листе соответствующего формата накладывается барабан передающего факсимильного аппарата, который находится на валу электрического двигателя Д. Оптическая система передающего факсимильного аппарата, состоящая из осветительного элемента – ОЭ (светодиод, лазерный диод), системы оптических линз Л1, Л2, создает на поверхности изображения яркое световое пятно малого диаметра, которое перемещается вдоль оси барабана. При вращении барабана световое пятно по спирали обегает барабан и, следовательно, сканирует все элементы изображения. Отраженный элементами изображения световой поток воздействует на фотоэлемент ФЭ, создавая в его цепи тем больший ток, чем светлее элемент изображения. В результате в цепи ФЭ получается пульсирующий ток iф (t), мгновенное значение которого определяется отражающей способностью элементов изображения. Далее ток факсимильного сигнала поступает на “Передатчик”, согласующий параметры сигнала с параметрами канала передачи и, следовательно, формирующий первичный факсимильный сигнал. С выхода канала передачи факсимильный сигнал поступает в “Приемник” и затем на световой элемент – ОЭ (светодиод или лазерный диод) приемного факсимильного аппарата. Интенсивность светового потока ОЭ пропорциональна мгновенному значению сигнала на выходе “Приемника”. Пучок света фокусируется системой линз Л3 и подается на барабан приемного аппарата, на котором закреплена светочувствительная бумага. Барабан приемного аппарата вращается синхронно и синфазно с барабаном передающего аппарата. Световое пятно так же, как и в передатчике, перемещается вдоль оси барабана по светочувствительной бумаге и формирует копию передаваемого изображения. Частотный спектр факсимильного сигнала определяется характером передаваемого изображения, скоростью развертки (вращения барабана) и размером анализирующего светового пятна. Максимальная частота факсимильного сигнала получается при чередовании черных и белых полей изображения, ширина которых равна диаметру светового пятна. В этом случае частота сигнала равна Гц, где D – диаметр барабана, мм; N – число оборотов барабана в минуту, об/мин; d – диаметр светового анализирующего пятна, мм. Международным союзом электросвязи – МСЭ рекомендованы следующие параметры факсимильных аппаратов: N = 120, 90 и 60 об/мин; диаметр барабана D = 70 мм и диаметр светового пятна d = 0,15 мм. Соответственно из (2.8) получаем fф = 1465 Гц для N = 120 об/мин, fф = 1100 Гц для N = 90 об/мин и fф = 732 Гц для N = 60 об/мин. При передаче газетных полос частота сигнала достигает 180…250 кГц. При передаче реальных изображений получается первичный сигнал сложной формы, энергетический спектр которого содержит частоты от 0 до fф. В зависимости от характера изображений они подразделяются на штриховые, содержащие две градации яркости, и полутоновые, число градаций которых определяется требованиями качества передачи факсимильного сообщения. Динамический диапазон сигнала, соответствующего передаче полутоновых изображений, составляет приблизительно Dф  25 дБ. Пик-фактор факсимильного сигнала Qф определяется из соотношения Qф = 20 lg (Uмакс.ф / Uср.ф ), где Uмакс.ф и Uср.ф – максимальное и среднеквадратическое значение напряжения факсимильного сигнала соответственно. Пик-фактор факсимильного сигнала определяется из следующих рассуждений. Предположим, что все градации яркости полутонового изображения равновероятны, т.е. появление i – ой градации рi = 1/k, где k – количество градаций яркости, обеспечивающих заданное качество передачи. Перенумеруем в порядке возрастания уровни сигнала, соответствующие различным градациям яркости таким образом, что напряжение i–го уровня будет равно Ui =Uмакс.ф / k, а среднеквадратическое значение сигнала: . Известно, что и поэтому . Следовательно, . При k = 16 пик-фактор факсимильного сигнала будет равен Qф  4,5 дБ. Заметим, что увеличение числа градаций яркости мало влияет на рост пик-фактора. Несложно показать, что при k   пик-фактор стремится к величине Qмакс.ф = 4,8 дБ. Динамический диапазон факсимильных сигналов, согласно вышеприведенным рассуждениям, будет равен . Необходимая защищенность полутоновых сигналов, как и штриховых, равна Азф = 35 дБ. При этом потенциальная информационная емкость факсимильных сигналов будет равна: Iф = 6,64 fф lg k, где число градаций для штриховых изображений равно k =2. Одним из важнейших видов факсимильной связи является передача газет в пункты их печатания. Для этого используются специальные высокоскоростные факсимильные аппараты, обеспечивающие высокое качество копий за счет существенного увеличения четкости – уменьшения диаметра анализирующего пятна до 0,04…0,06 мм. Для типовой аппаратуры передачи газетных полос наивысшая частота сигнала достигает 180 кГц, а время передачи газетной полосы 2,3…2,5 мин. Изображение газетной полосы является штриховым, т.е. k =2. Информационная емкость такого сигнала, согласно равна 360 кбит/с. Раздел 2.5. Телевизионные сигналы Первичный телевизионный сигнал формируется методом электронной развертки с помощью развертывающего луча телевизионной передающей трубки, преобразующей оптическое изображение в видеосигнал или сигнал яркости. Подвижное изображение передается в виде мгновенных фотографий – кадров, сменяющих друг друга. Причем для создания эффекта плавного движения передается Nк = 25 кадров в секунду. Каждый кадр разлагается на строки, число которых определяется установленными стандартами. В широко распространенном стандарте каждый кадр раскладывается на Nc = 625 строк. Чтобы смена кадров на экране приемной телевизионной трубки (кинескопе) была незаметной (без мерцаний), число изображений должно составлять не 50 кадров в секунду. А это требует увеличения скорости развертки, что усложняет оборудование формирования и передачи телевизионных сигналов. Поэтому для устранения возможного мерцания каждый кадр передается в два этапа: сначала передаются только нечетные строки, а затем – четные. В результате на экране кинескопа создается кадр из двух изображений, называемых полями или полукадрами. Число последних в секунду составляет 50. Смена изображений становится незаметной и, благодаря этому, формируется немерцающее изображение. Из-за инерционности зрения передача 50-ти полукадров в секунду воспринимается как слитное движущиеся изображение. На время смены строк и кадров развертывающий луч приемной трубки должен быть погашен. Для чего на управляющий электрод трубки подается напряжение, равное напряжению видеосигнала при передаче черного поля. Передающая телевизионная камера поэтому дополняется устройствами, которые доводят напряжение сигнала во время обратного хода луча до величины, соответствующей напряжению видеосигнала при передаче черного поля. Возникающие при этом импульсы напряжения, называются гасящими импульсами. Движение развертывающих лучей передающей и приемной телевизионных трубках должно быть синхронным и синфазным. Для этого от передатчика телевизионного сигнала к его приемнику передаются синхронизующие импульсы. В моменты перехода луча от конца одной строки к началу следующей передаются импульсы строчной синхронизации, а в моменты перехода от конца каждого кадра (полукадра) к началу другого – импульсы кадровой синхронизации. Чтобы синхроимпульсы не создавали помех изображению, их передают в то время, когда луч кинескопа погашен, т.е. во время передачи гасящих импульсов. Разделение синхронизирующих и гасящих импульсов в приемнике осуществляется по уровню. Если гасящие импульсы передаются с уровнем, соответствующим уровню видеосигнала при передаче черного поля, то синхроимпульсы передаются с уровнем, соответствующим уровню видеосигнала, который получался бы при передаче поля “чернее черного”. Структурная схема формирования телевизионного сигнала приведена на рис. 2.3, где приняты следующие обозначения: ГСР – генератор строчной развертки и ГКР – генератор кадровой развертки передающей и приемной телевизионных трубок, ГССИ – генератор строчных синхроимпульсов, ГКСР – генератор кадровых синхроимпульсов, ЗГ – задающий генератор, ГСГИ – генератор строчных гасящих импульсов, генератор кадровых гасящих импульсов, ВУ – видеоусилитель тракта передачи и тракта приема, Пер – передатчик телевизионных сигналов и сигналов звукового сопровождения, ЗС – оборудование формирование сигналов звукового сопровождения тракта передачи и тракта приема, КП – канал передачи, Прм – приемник телевизионных сигналов и сигналов звукового сопровождения, ССИ селектор синхроимпульсов. Рис.2. 3 - Структурная схема формирования телевизионного сигнала Следовательно, первичный телевизионный сигнал, поступающий на вход передатчика телевизионного канала, представляет последовательность импульсов с непрерывно изменяющейся амплитудой (напряжением). Эти импульсы повторяются с частотой следования строк Fc = NкNc = 25625 = 15625 Гц, а время передачи одной строки равно 1/Fc = Тс = 64 мкс. В промежутках между ними передаются импульсы строчной и кадровой синхронизации, имеющие постоянные амплитуды. Ширина спектра первичного телевизионного сигнала может быть определена следующим образом. Максимальная частота спектра соответствует передаче чередующихся черных и белых квадратных элементов изображения. Вертикальный размер элементов определяется размером строки. Учитывая, что ширина кадра относится к его высоте, как 4/3, нетрудно определить число элементов М, содержащихся в одной строке: оно равно М = (4/3)Nc2. Учитывая, что в секунду передается 25 кадров (50 полукадров, состоящих поочередно из четных и нечетных строк изображения), общее число элементов, передаваемое за секунду, будет равно 25М. Время передачи одного элемента, следовательно, будет равно  = 1/25М =3/(4625225) = 0,083 мкс. Максимальная частота спектра телевизионного сигнала будет равна Fмакс = 1/2 = 1/2 0,08310-6 = 6,0 МГц Таким образом, полагая нижнюю граничную частоту спектра телевизионного равной 50 Гц (частота смены полукадров), общая ширина спектра телевизионного сигнала принимается равной 50 Гц …6,0 МГц с учетом передачи сигналов звукового сопровождения. Энергетический спектр телевизионного сигнала имеет дискретный характер, максимумы энергии которого сосредоточены вблизи гармоник частоты строк nFc (n =1, 2, 3…). Однако практически вся энергия сигналов яркости сосредоточена в диапазоне от 0…1,5 МГц. Эта особенность видеосигнала используется при организации видеотелефонной связи, организуемой в полосе частот от 50 Гц до 1,2…1,5 МГц. Защищенность сигналов яркости от помех должна быть не менее 48 дБ. Число градаций яркости телевизионного сигнала приблизительно равно k=100, динамический диапазон видеосигнала будет равен DТВ = 40 дБ. Пик-фактор сигнала, как было показано при рассмотрении полутонового факсимильного сигнала, не превышает 4,8 дБ, а потенциальный информационный объем телевизионного сигнала равен IТВ = 6,64 6,0106 lg 100  80 Мбит/с. Все приведенное выше справедливо для сигналов черно-белого телевидения. Сигналы цветного телевидения имеют некоторые особенности. В основе цветного телевидения лежат следующие физические процессы: - оптическое разложение многоцветного изображения с помощью специальных цветных светофильтров на три одноцветных изображения в основных цветах – красном (R – red), зеленом (G – green) и синем (B – blue); - преобразование трех одноцветных изображений в передающей телевизионной трубке в соответствующие им три электрических сигнала ER , EG, EB; - передача этих трех электрических сигналов по каналу связи; - обратное преобразование электрических сигналов изображения в специальном кинескопе (приемной телевизионной трубке) в три одноцветных оптических изображения: красного, зеленого и синего цветов. Каждый цвет характеризуется двумя параметрами: яркостью и цветностью (насыщенностью). Напомним, что в черно-белом телевидении при развертке изображения меняется только яркость освещения его отдельных элементов и передаваемый сигнал является сигналом яркости; - оптическое сложение в определенных пропорциях трех одноцветных изображений в одно многоцветное, при котором формируется сигнал яркости Е . При наличии сигнала Е не обязательно передавать три цветовых сигнала: ER , EG ,EB . Достаточно передать любые два из них. Обычно в системах цветного телевидения исключается самый широкополосный сигнал – зеленый EG , поскольку в яркостном сигнале содержится 59 % зеленого. Вычитая из EG и EB полученный сигнал яркости, получают так называемые цветоразностные сигналы. Максимум энергии сигнала яркости группируется в диапазоне нижних частот. Амплитуда составляющих сигнала в диапазоне верхних частот очень мала. Именно в этом диапазоне яркостного сигнала с помощью поднесущих частот помещаются цветоразностные сигналы, образуя сигналы цветности. Уплотняемые таким способом в общем частотном спектре сигнал яркости и цветоразностные сигналы могут создавать взаимные помехи. Для уменьшения влияния высокочастотных составляющих яркостного сигнала на цветоразностные сигналы поднесущая частота выбирается в верхнем диапазоне частот, где составляющие сигнала яркости очень малы и амплитуда поднесущей берется больше амплитуд этих составляющих. В то же время амплитуда поднесущей должна составлять не более 23 % от максимальной амплитуды яркостного сигнала. Таким образом, яркостной сигнал и два цветоразностных сигнала занимают стандартную полосу частот телевизионного сигнала без заметного взаимодействия между собой. На рис. 2.4 приведен фрагмент осциллограммы одной строки полного телевизионного (ТВ) сигнала с указанием его основных параметров. Рис. 2.4 - Осциллограмма одной строки полного ТВ – сигнала Существует несколько систем цветного телевидения, различающихся между собой в основном способами модуляции поднесущих частот цветоразностными сигналами. В нашей стране нашла применение система SEKAM (СЕКАМ) (от франц. Sequentiel couleurs a memoire – последовательная передача цветов с запоминанием). Особенностью системы является то, что цветоразностные сигналы передаются в частотном спектре яркостного сигнала на вспомогательных цветовых поднесущих методом частотной модуляции. Поскольку модулировать по частоте поднесущую одновременно двумя сигналами невозможно, то в системе SECAM сигналы передаются поочередно через строку. В течение времени одной строки передается только цветоразностный сигнала ER - E , другой – только ER - E , во время третьей строки вновь передается ER - E и т.д. Чтобы получить в телевизоре цветоразностный сигнал EG - E необходимо иметь оба цветоразностных сигнала ER - E и ЕВ -Е одновременно. Для этого в телевизорах используется линия задержки со временем задержки (запоминанием) на одну строку (64 мкс). Таким образом, каждая передаваема строка запоминается в линии задержки, и к приходу следующей строки ее можно использовать как недостающий сигнала для формирования третьего цветоразностного сигнала. Отметим, что обе поднесущие частоты выбираются четными гармониками частоты строчной развертки. Для передачи сигнала ER - E используется частота f0R = 282Fc = 282 15625 = 4,406 МГц и для передачи сигнала ЕВ - Е  используется частота f0B = 272 Fc = 272  15625 = 4,250 МГц. Раздел 2.6. Сигналы передачи данных и телеграфии Первичные сигналы телеграфии и передачи данных получаются на выходе телеграфных аппаратов или аппаратуры передачи данных и представляют последовательность однополярных (рис. 2.5, а) или двухполярных (рис. 2.5, б) прямоугольных импульсов постоянной амплитуды и длительности. При этом положительный импульс обычно соответствует передаваемому символу «1», а пропуск или отрицательный импульс – символу «0». Такие сигналы принято называть двоичными. Рис. 2.5 – Сигналы передачи данных и телеграфии На рис. 2.5 приняты следующие обозначения: C(t) – первичный сигнала передачи данных или телеграфии; Аm – амплитуда импульсов и и – длительность импульсов. Кроме этих параметров импульсной последовательности, вводится понятие тактовой частоты, под которой понимается отношение вида FТ = 1/и и которая численно равна скорости передачи в бодах (В ). Отметим, что значение тактовой частоты FТ и скорости передачи В совпадают только в случае передачи двоичных последовательностей. При переходе к многопозиционным кодам такого совпадения нет. Вероятность появления «1» и «0» для однополярной последовательности импульсов, иногда называемой обобщенным телеграфным сигналом, и импульсов положительной или отрицательной полярности, а также статистические связи между импульсами определяются свойствами источника сообщения. Чаще эти вероятности равны 0,5 и импульсы последовательности принимаются статистически независимыми. Определим основные физические параметры первичных сигналов телеграфии и передачи данных. Такая характеристика, как динамический диапазон, для сигналов передачи данных и телеграфии, как и для всех двоичных сигналов, не применяется, т.к. по самому определению для такого класса сигналов не имеет смысла. Информационная емкость сигналов передачи данных и телеграфии равна скорости передачи, т.е. IТЛГ = FТ. Для определения полосы частот, необходимой для качественной передачи сигналов телеграфии и передачи данных воспользуемся понятием спектральной плотности амплитуд Sи (f) элементарного сигнала: прямоугольного импульса с амплитудой Am и длительностью и. Спектральную плотность амплитуд такого импульса, иногда называемого видеоимпульсом, применив к нему прямое преобразование Фурье, получим: . Из анализа следует наличие нулей спектральной плотности амплитуд. Эти нули располагаются на частотах, где sinfи = 0, т.е. при и = 2k, и следовательно, на частотах fk = k/и = kFТ, т.е. нули спектральной плотности амплитуд одиночного прямоугольного импульса располагаются на гармониках тактовой частоты. При f  0, выражение принимает значение , т.е. начальное и одновременно наибольшее значение спектральной плотности импульса равно его площади Sи = Аm и. График спектральной плотности амплитуд видеоимпульса (одиночного прямоугольного импульса – элементарной посылки) показан на рис. 2.6. Из рассмотрения рис.2.6 следует, что основаня энергия (более 90%) импульса находится в полосе частот от 0 до FТ = 1/и , т.е. в полосе частот главного «лепестка» его спектральной плотности амплитуд, а в полосе частот от 0 до FТ / 2 – более 60 %. Рис. 2.6 – Спектральная плотность амплитуд прямоугольного видеоимпульса Другим предельным видом сигнала передачи данных и телеграфии является сигнал, соответствующей передачи «точек», т.е. периодической последовательности токовых «1» и бестоковых «0» посылок, рис. 2.7. Здесь, кроме уже принятых, введем новые обозначения: Ти – период следования импульсов, а 1/Ти = Fи – частота следования импульсов; Ти / и = qи – скважность импульсов (для передачи “точек” скважность q =2). Рис. 2.7 – Телеграфный сигнал, соответствующий передача «точек» Периодический сигнал, рис. 2.7, может быть представлен рядом Фурье: . Анализ формулы показывает, что периодическая последовательность импульсов, рис. 2.7, в самом общем случае, содержит постоянную составляющую с амплитудой: А0 = Amи / Ти = Am / qи, и гармоники частоты следования импульсов Fи с амплитудами Аk = 2Am [sin(kи / Ти )] / k = 2Am [sin(k / qи )] / k, число которых зависит от скважности периодической последовательности. Для случая передачи «точек» скважность qи = 2: Основная энергия периодической последовательности импульсов, рис. 2.7 лежит в полосе частот от 0 до FT = 2 Fи. Следовательно, спектр сигналов передачи данных и телеграфии, в самом общем случае, содержит непрерывную составляющую, спектральная плотность амплитуд которой совпадают со спектральной плотностью одиночного импульса, и дискретную составляющую, соответствующую спектру амплитуд периодической последовательности импульсов типа «точек». Следует, однако, иметь в виду, что при передаче двоичных сигналов в приемнике нет необходимости восстанавливать импульсы без искажений, т.е. строго сохранять их форму. Для восстановления информации достаточно – зафиксировать только знак импульса при двухполярном сигнале, либо наличие или отсутствие импульса для однополярного сигнала. Если спектр сигнала ограничить фильтром нижних частот (ФНЧ), по характеристикам близким к идеальному, то уверенный прием сигналов возможен при частоте среза равной 0,5FT, т.е. можно считать, что эти сигналы занимают полосу частот от 0 до 0,5FT. Однако в реальных условиях верхнюю граничную частоту спектра сигналов телеграфии и передачи данных принимают равной FT или даже 1,2FT . Можно считать, если не оговорены специальные условия, сигналы передачи данных и телеграфии занимают полосу частот от 0 до FT . При передаче таких сигналов вероятность неправильно принятого символа («1» или «0») или вероятность ошибки должна быть не хуже 10-5. Это позволяет принять значение необходимой защищенности от помех не хуже Аз.тлг = 12 дБ. Вопросы и задания для самоконтроля 1. Динамический диапазон первичного сигнала, физический смысл величин, входящих в формулу для определения динамического диапазона. 2. Пик-фактор первичного сигнала, физический смысл величин, входящих в формулу для его определения. 3. Оценка количества (объема) информации, переносимой первичным сигналом. 4. Назовите первичный сигнал, обладающий наиболее широкой эффективно-передаваемой полосой частот. 5. Назовите основные параметры первичных сигналов и их размерности. Лекция 3 Тема 3. Каналы передачи Раздел 3.1. Каналы передачи, их классификация и основные характеристики Ключевыми понятиями техники телекоммуникационных систем и сетей являются канал передачи и канал электросвязи. Каналом передачи называется совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между оконечными или промежуточными пунктами телекоммуникационных сетей. Каналы передачи (далее просто “каналы”) классифицируются: - по методам передачи сигналов электросвязи различают аналоговые и цифровые каналы. Аналоговые каналы, в свою очередь, подразделяются на непрерывные и дискретные в зависимости от изменения информационного параметра сигнала (см. лекция 2). Цифровые каналы делятся на каналы с использование импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), каналы с использованием дифференциальной ИКМ и каналы на основе дельта-модуляции. Каналы, в которых на одних участка используются аналоговые, а на других цифровые методы передачи сигналов, называются смешанными каналами передачи. - в зависимости от ширины полосы пропускания, в которой передаются сигналы электросвязи, и соответствия параметров каналов установленным нормам, различают аналоговые типовые каналы тональной частоты, типовые первичный, вторичный, третичный и четверичный широкополосные каналы. Типовые каналы передачи сигналов звукового вещания, сигналов изображения и звукового сопровождения телевидения; - в зависимости от скорости передачи и соответствия параметров каналов установленным нормам различают: основной цифровой канал, первичный, вторичный, третичный, четверичный и пятеричный цифровые каналы; - по виду среды распространения сигналов электросвязи различают: проводные каналы, организованные по кабельным и, реже, воздушным линиям связи и каналы радиосвязи, организованные по радиорелейным и спутниковым линиям связи. Каналом электросвязи называется комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу первичных сигналов электросвязи от преобразователя сообщения в первичный сигнал до преобразователя первичного сигнала в сообщение. Помимо приведенной классификации, каналы электросвязи подразделяются - по виду передаваемых первичных сигналов (или сообщений) различают телефонные каналы, каналы звукового вещания, телевизионные каналы, телеграфные каналы и каналы передачи данных; - по способам организации двусторонней связи различают двухпроводный однополосный канал, двухпроводный двухполосный канал и четырехпроводный однополосный канал; - по территориальному признаку каналы электросвязи подразделяются на международные, междугородные, магистральные, зоновые и местные. Рассмотренная классификация каналов передачи и электросвязи (далее просто каналы) соответствует сложившейся практике их организации и разработке требований к их основным параметрам и характеристикам, которые принято увязывать с соответствующими параметрами и характеристиками первичных сигналов. Канал может характеризоваться тремя параметрами: 1) эффективно передаваемой полосой частот Fк, которую канал способен пропустить с выполнением требований к качеству передачи сигналов; 2) временем Тк, в течение которого канал предоставлен для передачи сигналов или сообщений; 3) динамическим диапазоном Dк, под которым понимается отношение вида , где Wкмакс – максимальная неискаженная мощность, которая может быть передана по каналу; Wкмин – минимальная мощность сигнала, при которой обеспечивается необходимая защищенность от помех. Очевидно, что передача сигнала с параметрами Fc, Тс, и Dc по каналу с параметрами Fк, Тк и Dк возможна при условии . Произведение трех параметров канала Vк = DкFкTк называется его емкостью. Сигнал может быть передан по каналу, если его емкость не менее объема сигнала (см. лекция 2). Если система неравенств не выполняется, то возможна деформация одного из параметров сигнала, позволяющих согласовать его объем с емкостью канала. Следовательно, условие возможности передачи сигнала по каналу можно представить виде: Vк  Vс . Канал характеризуется защищенностью: , где Wп – мощность помех в канале. Пропускная способность канала описывается следующим выражением , где Wср – средняя мощность передаваемого по каналу сигнала. Раздел 3.2. Канал передачи как четырехполюсник Канал передачи, как совокупность технических средств и среды распространения электрического сигнала, представляет каскадное соединение различных четырехполюсников, осуществляющих фильтрацию, преобразование сигналов, их усиление и коррекцию. Следовательно, канал можно представить эквивалентным четырехполюсником, параметры и характеристики которого определяют качество передачи сигналов, рис. 3.1. Рис. 3.1 - Канал передачи как четырехполюсник На рис.3.1 приняты следующие обозначения: 1-1 и 2-2  входные и выходные зажимы соответственно; Iвх (j) и Iвых(j) – комплексные входной и выходной токи; Uвх(j) и Uвых(j) – комплексные входное и выходное напряжения; Zвх(j) и Zвых(j) – комплексные входное и выходное сопротивления (как правило, величины чисто активные и равные, т.е. Zвх = Rвх = Zвых = Rвых); K(j) = Uвых(j) / Uвх(j) =К ( )е jb() – комплексный коэффициент передачи по напряжению, К() – модуль коэффициента передачи и b() – фазовый сдвиг между входным и выходными сигналами; если берется отношение выходного тока к входному, то говорят о коэффициенте передачи по току; uвх(t), uвых(t) – мгновенные значения напряжения входного и выходного сигналов и рвх и рвых – входной и выходной уровни напряжения или мощности сигналов. Каналы передачи работают между реальными нагрузками Zн1 (j) и Zн2(j), подключаемыми соответственно к зажимам 1-1 и 2-2. Свойства каналов и их соответствия требованиям к качеству передачи сообщений определяется рядом параметров и характеристик. Первым и одним из основных параметров каналов является остаточное затухание Аr, под которым понимается рабочее затухание канала, измеренное или рассчитанное в условиях подключения к зажимам 1-1 и 2-2 (рис. 3.1) активных сопротивлений, соответствующих номинальным значениям Rвх и Rвых соответственно. Входные и выходные сопротивления отдельных устройств канала передачи достаточно хорошо согласуются между собой. При этом условии рабочее затухание канала можно считать равным сумме характеристических (собственных) затуханий отдельных устройств, не учитывая отражений. Тогда остаточное затухание канала может быть определено по формуле; , где рвх и рвых – уровни на входе и выходе канала (см. рис. 3.1); аr – затухание i-го и Sj - усиление j-го четырехполюсников, составляющих канал передачи. Это означает, что остаточное затухание (ОЗ) канала представляет собой алгебраическую сумму затуханий и усилений и удобна при расчетах аr, когда известны затухания усилительных участков и усиления усилителей. ОЗ измеряется на определенной для каждого канала измерительной частоте. В процессе эксплуатации ОЗ канала не остается величиной постоянной, а отклоняется от номинального значения под воздействием различных дестабилизирующих факторов. Эти изменения ОЗ называются нестабильностью, которая оценивается по максимальному и среднеквадратическому значениям отклонений ОЗ от номинального значения или величиной их дисперсии. Остаточное затухание канала связано с его полосой пропускания. Полоса частот канала, в пределах которой остаточное затухание отличается от номинального не более, чем на некоторую величину аr, называется эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ). В пределах ЭППЧ нормируются допустимые отклонения ОЗ аr от номинального значения. Наиболее распространенным способом нормирования является использование “шаблонов” допустимых отклонений ОЗ Примерный вид такого шаблона приведен на рис. 3.2. Рис. 3.2 - Примерный шаблон допустимых отклонений остаточного затухания канала передачи На рис. 3.2 приняты следующие обозначения f0 – частота, на которой определяется номинальное значение ОЗ; fн , fв – нижняя и верхняя граничные частоты ЭППЧ; 1,2 – границы допустимых отклонений ОЗ; 3 – вид измеренной частотной характеристики ОЗ. Отклонения ОЗ от номинального определяются по формуле: , где f - текущая частота и f0 – частота определения номинального значения ОЗ. С понятием ЭППЧ тесно связана амплитудно-частотная характеристика - АЧХ (или просто частотная характеристика) канала, под которой понимается зависимость остаточного затухания от частоты аr = ч (f) при постоянном уровне на входе канала, т.е. рвх = const. Эта характеристика оценивает амплитудно-частотные (просто частотные) искажения, вносимые каналом за счет зависимости его ОЗ от частоты. Допустимые искажения определяются шаблоном отклонений ОЗ в пределах ЭППЧ. Примерный вид АЧХ канала показан на рис. 3.3. Для передачи ряда сигналов электросвязи важной является фазо-частотная характеристика – ФЧХ ( просто фазовая характеристика) канала, под которой понимается зависимость фазового сдвига между выходным и входным сигналами от частоты, т.е. b = ф(f). Общий вид фазовой характеристики канала приведен на рис. 3.4 (линия 1). Рис.3.3- Частотная характеристика канала Рис.3.4- Фазовая характеристика канала В средней части ЭППЧ указанная характерситика близка к линейной, а на ее границах наблюдается заметная нелинейность, обусловленная фильтрами, входящими в состав канала передачи. В связи с тем, что непосредственное измерение фазового сдвига, вносимого каналом, затруднительно, для оценки фазовых искажений рассматривают частотную характеристику группового времени прохождения – ГВП (или замедления – ГВЗ):    = db () / d, где b () – фазо-частотная характеристика. Примерный вид частотной характеристики ГВП показан на рис.3.4 (линия 2). Частотные характеристики остаточного затухания, фазового сдвига или группового времени прохождения определяют линейные искажения, вносимые каналами передачи при прохождении по ним сигналов электросвязи. Зависимость мощности, напряжения, тока или их уровней на выходе канала от мощности, напряжения, тока или их уровней на входе канала называется амплитудной характеристикой – АХ. Под АХ канала понимается также зависимость остаточного затухания канала от уровня сигнала на его входе, т.е. аr = а (рвх), измеренная на некоторой обусловленной постоянной частоте измерительного сигнала на входе канала, т.е. fизм = const. Амплитудная характеристика канала может быть представлена различными зависимостями, показанными на рис.3.5: Uвых = н (Uвх) (рис.3.5 а, линии 1 и 2), Аr = А (рвх) (рис. 3.5 б, линия 1), рвх = р (рвых) (рис. 3.5 б, линии 2 и 3), где приняты следующие обозначения: Uвх, Uвых – напряжения сигнала на входе и выходе канала соответственно; рвх,, рвых – уровни (напряжения, мощности) сигналов на входе и выходе канала соответственно; аr – остаточное затухание канала передачи. Из рассмотрения графиков, представленных на рис.3.5 видно, что АХ имеет три участка: 1) нелинейный участок при малых значениях напряжения или уровней сигнала на входе канала. Нелинейность АХ при этом объясняется соизмеримостью напряжения или уровня сигнала с шумами самого канала; 2) линейный участок при значениях напряжения или уровня входного сигнала, для которого характерна прямая пропорциональная зависимость между напряжением (уровнем) сигнала на входе канала и напряжением (уровнем) сигнала на выходе канала; 3) участок с существенной нелинейностью при значениях входного напряжения (уровня) сигнала выше максимального Uмакс (рмакс), для которого характерно появление нелинейных искажений. Если угол наклона прямой, соответствующей линейному участку АХ, равен 450, то напряжение (уровень) сигнала на выходе канала равно напряжению (уровню) на его входе. Если угол наклона меньше 450, то в канале имеет место затухание, а если угол наклона больше 450, то в канале имеет место усиление. Если аr0, то канал вносит затухание (ослабление), если аr 0, то канал передачи вносит остаточное усиление. Незначительная нелинейность АХ при малых значениях входного напряжения или уровня сигнала не влияет на качество передачи и ею можно пренебречь. Нелинейность АХ при значительных значениях напряжения или уровня входного сигнала, выходящих за пределы линейного участка АХ, проявляются в возникновении гармоник или комбинационных частот выходного сигнала. По АХ можно лишь приблизительно оценить величину нелинейных искажений. Более точно величина нелинейных искажений в каналах оценивается коэффициентом нелинейных искажений или затуханием нелинейности. Рис.3. 5 - Амплитудные характеристики канала передачи или , где U1г – действующее значение напряжения первой (основной гармоники измерительного сигнала; U2г, U3г и т.д. – действующие значения напряжений второй, третьей и т.д. гармоник сигнала, возникших из-за нелинейности АХ канала передачи. Кроме того, в технике многоканальных телекоммуникационных систем передачи широко пользуются понятием затухания нелинейности по гармоникам анг = 20 lg (U1г / Unг) = р1г - рnг , n = 2, 3 …, где р1г – абсолютный уровень первой гармоники измерительного сигнала, рnг – абсолютный уровень n –ой гармоники, обусловленной нелинейностью АХ канала. Цифровые каналы характеризуются скоростью передачи, а качество передачи сигналов оценивается коэффициентом ошибки, под которым понимается отношение числа элементов цифрового сигнала, принятых с ошибками к общему числу элементов сигнала, переданных в течение времени измерения Кош = Nош / N = Nош / ВТ, где Nош – число ошибочно принятых элементов; N – общее число переданных элементов; В – скорость передачи в бодах; Т – время измерения (наблюдения). Телекоммуникационные системы должны быть построены таким образом, чтобы каналы обладали бы определенной универсальностью и были бы пригодны для передачи различного вида сообщений. Такими свойствами обладают типовые каналы, параметры и характеристики которых нормированы. Типовые каналы могут быть простыми, т.е. не проходящим через оборудование транзита, и составными, т.е. проходящими через оборудование транзита. Раздел 3.3. Типовые каналы передачи Канал тональной частоты. Типовой аналоговый канал передачи с полосой частот 300…3400 Гц и с нормированными параметрами и характеристиками называется каналом тональной частоты – КТЧ. Нормированная (номинальная величина) относительного (измерительного) уровня на входе КТЧ равна рвх = - 13 дБм0, на выходе КТЧ рвых = + 4 дБм0. Частота измерительного сигнала принимается равной fизм = 1020 Гц (ранее 800 Гц). Таким образом, номинальное остаточное затухание КТЧ равно аr = - 17 дБ, т.е. КТЧ вносит усиление равное 17 дБ. Эффективно передаваемой полосой частот КТЧ (составного и максимальной протяженности) называется полоса, на крайних частотах которой (0,3 и 3,4 кГц) остаточное затухание аr на 8,7 дБ превышает величину остаточного затухания на частоте 1020 Гц (ранее 800 Гц). Частотная характеристика отклонений остаточного затухания аr от номинального значения (- 17дБ) должна оставаться в пределах шаблона, приведенного на рис. 3.6. Чтобы выполнить требования к частотной характеристики остаточного затухания, ее неравномерность для простого канала длиной 2500 км должна укладываться в переделы, указанные в табл. 3.1. Рис. 3.6 – Шаблон допустимых отклонений остаточного затухания КТЧ Таблица 3.1 f, кГц 0,3…0,4 0,4…0,6 0,6…2,4 2,4…3,0 3,0…3,4 аr,, дБ 1,4 0,72 0,6 0,72 1,4 Фазо-частотные искажения мало влияют на качество передачи речевых сигналов, но так как КТЧ используется для передачи и других первичных сигналов, большие фазо-частотные искажения или неравномерность частотной характеристики группового времени прохождения (ГВП) недопустимы. Поэтому нормируются отклонения ГВП от его значения на частоте 1900 Гц для простого канала длиной 2500 км, табл.3.2. Таблица 3.2 f, кГц 0,4 0,6 0,8 1,0 1,4 1,6 2,2 2,4 2,8 3,0 3,2 3,3 ,мс 2,4 1,5 1,1 0,6 0,4 0,1 0,1 0,15 0,45 0,75 1,35 1,9 Естественно, что для составных каналов отклонения ГВП будут во столько раз больше, сколько простых каналов организуют составной. Амплитудная характеристика КТЧ нормируется следующим образом: остаточное затухание простого канала должно быть постоянным с точностью до 0,3 дБ при изменении уровня измерительного сигнала от –17,5 до +3,5 дБ в точке с нулевым измерительным уровнем на любой частоте в переделах ЭППЧ. Коэффициент нелинейных искажений для простого канала не должен превышать 1,5% (1% по 3-й гармонике) при номинальном уровне передачи на частоте 1020 Гц. Нормирование касается и степени согласования входного и выходного сопротивлений КТЧ с сопротивлениями внешних цепей – нагрузок: внутренним сопротивлением источника передаваемых сигналов и сопротивлением нагрузки. Входное и выходное сопротивление КТЧ должны быть чисто активные и равны Rвх = Rвых= 600 Ом. Вход и выход канала должны быть симметричными, коэффициент отражения  или затухание несогласованности (отражения) а равные соответственно не должны превышать 10% или 20 дБ. не должны превышать 10% или 20 дБ. Здесь Zн – номинальное, а Zр – реальное значение сопротивления. Важным показателем качества передачи по КТЧ является мощность помех, которые измеряются специальным прибором, называемым псофометром (“псофос” – по-гречески означает шум). Псофометр представляет вольтметр с квадратичной характеристикой выпрямления. Выбор такой характеристики объясняется тем, что ухо складывает шумы от отдельных источников по мощности, а мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока. От обычных квадратичных вольтметров псофометры отличаются наличием у них частотной зависимости чувствительности. Эта зависимость учитывает различную чувствительность уха на отдельных частотах, входящих в состав спектра помех и шумов, и формируется взвешивающим псофометрическим фильтром. При подаче на вход псофометра напряжения частотой 800 Гц с нулевым измерительным уровнем его показание будет равно 775 мВ. Для получения того же значения при иных частотах уровни должны быть большей частью выше. Напряжение помех, измеренное псофометром Uпсоф, связано с эффективным напряжением Uэфф соотношением Uпсоф = kп Uэфф, здесь kп = 0,75 называется псофометрическим коэффициентом. Напряжение помех или шумов, измеренное псофометром, называется псофометрическим напряжением. Мощность, определяемая псофометрическим напряжением на некотором сопротивлении R, называется псофометрической мощностью, которая равна Pпсоф = kпU2эфф/R = 0,56U 2эфф R. Средний уровень мощности помех с равномерным спектром оказывается при псофометрических измерениях в полосе частот 0,3…3,4 кГц на 2,5 дБ (или в 1,78 раза) меньше, чем при измерениях действующих (эффективных) значений. Величина 2,5 дБ называется логарифмическим псофометрическим коэффициентом. Псофометрическая мощность помех в точке с нулевым измерительным уровнем КТЧ максимальной протяженности, состоящего из максимального числа простых каналов, не должна превышать 50000 пВтп0 (пиковатт псофометрических в точке нулевого относительного уровня). Соответствующее значение эффективной (невзвешенной) допустимой мощности помех составляет 87000 пВт. Псофометрическая мощность помех простого канала длиной 2500 км не должна превышать 10000 пВтп0. Нормируются также допустимые величины средней и пиковой мощности телефонных сигналов на входе КТЧ: в точке нулевого относительного уровня среднее значение мощности составляет 32 мкВт, а пиковое – 2220 мкВт. Динамический диапазон КТЧ составляет величину 30…35 дБ. Знание ширины полосы частот КТЧ, средней мощности передаваемого сигнала, значения невзвешенной мощности помех позволяет оценить его пропускную способность, которая оказывается приблизительно равной 25 кбит/с. Канал звукового вещания. Типовой канал передачи с ЭППЧ 30…15000 Гц (50…10000 или 80…6300 Гц), предназначенный для передачи сигналов звукового вещания, называется каналов звука (КЗ) высшего (второго, третьего) класса. К типовым КЗ относятся каналы передачи сигналов звукового сопровождения телевидения. Ширина полосы частот КЗ выбирается таким образом, чтобы обеспечить передачу всех составляющих первичного сигнала звукового вещания, существенно влияющих на качество воспроизведения речевой и музыкальной программ. Эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ) КЗ называется полоса частот, на крайних частотах которой остаточное затухание превосходит затухание на частоте 1020 (800)Гц на величину не более ав = 4,3 дБ. Нижняя граничная частота ЭППЧ КЗ обычно принимается равно 30…80 Гц. Значение верхней граничной частоты определяется характеристиками аппаратуры вещания и трансляционных сетей, осуществляющих распределение программ вещания. В большинстве случаев эта частота лежит в переделах 6300…15000 Гц. Граничные частоты КЗ выбираются так, чтобы произведение крайних часто ЭППЧ составляло 450000….500000. Значительные отклонения от указанного условия приводят к преобладанию в принимаемой по КЗ программе низких (глухой тембр) или высоких (металлический тембр) тонов. Амплитудно-частотные искажения в КЗ изменяют соотношение громкостей составляющих звука. Поэтому неравномерность частотной характеристики остаточного затухания КЗ должна быть не более (1…2) дБ на средних частотах и  4,3 дБ – на краях ЭППЧ. Ухо является частотным анализатором и поэтому малочувствительно к фазо-частотным искажениям, Однако при больших громкостях значительные изменения фазовых соотношений между обертонами сигнала вещания воспринимаются как изменения тембра и громкости. Поэтому фазо-частотные искажения в КЗ должны быть не более допустимых. Разность ГВП на нижней граничной частоте КЗ и на частоте 1020 (800) Гц ограничивается величиной 50…80 мс, а на верхней граничной частоте и на частоте 1020 (800) Гц – не более 10 мс. Динамический диапазон сигналов вещания очень велик. Современные КЗ не могут обеспечить передачу сигналов, имеющих такой динамический диапазон. Ограничением «сверху» является перегрузка канала, ограничением «снизу» – помехи. Динамический диапазон КЗ в 40 дБ можно считать вполне удовлетворительным. Защищенность от помех различного происхождения не должна опускаться ниже 60 дБ. Допуск на величину нелинейных искажений обычно задают по коэффициенту нелинейных искажений kн, величина которого не может быть более 0,03. Требования к параметрам и характеристикам КЗ приведены в табл. 3.3. Таблица 3.3 Параметры, характеристики Единица измерения Класс канала звукового вещания высший первый второй 1. Ширина ЭППЧ Гц 30…15000 50…10000 80…6300 2. Остаточное затухание на частоте 1020 (800) Гц дБ 0  2 0  2 0  2 3. Коэффициент нелинейных искажений 0,0008… 0,018 0,01…0,03 0,01…0,03 4. Неравномерность ГВП tнч - tмин tвч - tмин, здесь tмин – минимальное значение ГВП; tнч – значение ГВП на нижней граничной частоте ЭППЧ; tвч – значение ГВП на верхней граничной частоте ЭППЧ мс 12 2 80 8 80 10 Разность между максимальным уровнем сигнала и уровнем псофометрического напряжения помех на выходе КЗ протяженностью l км определяется по формуле азкз = 53 + 10 lg (12500/l). Допустимое отклонение остаточного затухания КЗ высшего класса следующее: в полосе частот от 30 до 50 Гц Акз = 4,35 дБ; в полосе частот от 50 до 10000 Гц величина азк = 1 дБ и в полосе частот от 10000 до 15000 Гц это отклонение не превышает 4,35 дБ. Допустимое отклонение остаточного затухания КЗ первого класса: в полосах частот от 50 до 100 Гц и от 8500 до 10000 не хуже 4,35 дБ, в полосах частот от 100 до 200 Гц и от 6000 до 8500 Гц – 2,5 дБ, в полосе частот от 200 до 6000 Гц это значение не превышает 1,7 дБ. Неравномерность частотной характеристики остаточного затухания КЗ в сторону занижения не должна превышать 1…1,5 дБ. Канал изображения. Типовой канал, предназначенный для передачи полного цветного телевизионного сигнала, называется каналом изображения – КИ. Важнейшей характеристикой качества телевизионного изображения является четкость, позволяющая оценить способность канала передавать мельчайшие детали изображения. Четкость изображения зависит от размеров развертывающего пятна передающей телевизионной трубки, числа строк разложения кадра, ширины ЭППЧ и от частотных характеристик КИ в пределах этой полосы частот. Необходимая ширина ЭППЧ канала изображения может быть установлена следующим образом. Границе между различными по яркости полями передаваемого изображения соответствует скачкообразное изменение напряжения видеосигнала. Время изменения напряжения ф1 (т.е. длительности фронта сигнала) зависит от четкости границ изображения, размеров сечения развертывающего луча и скорости развертки. Длительность фронта сигнала на выходе КИ будет больше длительности фронта исходного сигнала: ф2 = ф1 +  . Для достаточно четкого воспроизведения изображения надо, чтобы при ф1  0 вносимое КИ увеличение длительности сигнала не превышало длительности tэ пробега луча по мельчайшему элементу изображения. При числе строк Nс = 625 кадров Nк = 25 tэ=0,083 мксек и, следовательно, увеличение длительности фронта передаваемых по КИ сигналов должно быть не более  = 0,083 мксек. Если КИ в полосе пропускания 0…f2 не вносит частотных искажений, то увеличение длительности нарастания скачка напряжения может составлять   1/f2. Исходя из этого, верхняя граничная частота тракта видеосигнала должна быть не ниже f2 = 1/(2) = 1/(2tэ ) = 1/(20,083 10 – 6 )  6 МГц, а с учетом передачи соответствующих градаций цветности принимается равным 6,5 МГц. Следовательно, ЭППЧ занимает диапазон 0… 6,5 МГц. В пределах ЭППЧ частотные и фазовые искажения не должны превышать допустимых, иначе вызванные ими изменения соотношений между амплитудами и фазами составляющих видеосигнала исказят форму последнего на экране приемной телевизионной трубки. При определении требований к характеристикам КИ в границах ЭППЧ необходимо учитывать следующее. Различию между полями яркости изображения соответствует видеосигнал, имеющий форму ступеньки напряжением U1 c длительностью фронта ф1. Если бы КИ обладал характеристиками идеального фильтра нижних частот с частотой среза fc = 6,5 МГц, то ступенька напряжения U2 на выходе канала имела бы длительность фронта ф2ф1, а установление напряжения U2 носило бы колебательный характер. Продолжительность колебательного процесса возрастает с уменьшением f2, а величина первого, наибольшего, выброса будет тем больше, чем меньше ф1 исходного сигнала. При ф1  0 выброс достигает 0,09U2. Монотонное (по мере роста частоты) увеличение затухания в полосе 0…f2 увеличивает ф2 и уменьшает выбросы. Монотонное уменьшение затухания приводит к обратному эффекту. Монотонное изменение затухания только на верхних частотах ЭППЧ влияет на переходной процесс меньше, чем такой же величины монотонное изменение затухания на нижних частотах. Волнообразное изменение затухания приводит к появлению дополнительных сигналов (эхо-сигналов), сдвинутых во времени относительно основного сигнала. Монотонность фазо-частотных характеристик мало сказывается на времени нарастания выходного напряжения, но резко увеличивает выбросы и вызывает несимметричное искажение переднего и заднего фронтов импульсных сигналов. Волнообразное изменение фазо-частотных характеристик приводит к появлению дополнительных сигналов (эхо-сигналов) разной полярности, сдвинутых (во времени) относительно основного сигнала. Частотные и фазовые искажения тем меньше влияют на переходной процесс, чем выше диапазон частот, в котором они наблюдаются. Увеличение длительности фронта сигналов снижает контрастность изображения, а выбросы напряжения приводят к окантовке вертикальных границ полей изображения. Дополнительные импульсы вызывают повторное (сдвинутое относительно основного) изображение. Причиной появления повторных изображений может быть также несогласованность входных/выходных сопротивлений четырехполюсников, составляющих КИ. Нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью амплитудной характеристики канала, приводят к изменению соотношения амплитуд последовательности телевизионных сигналов и, следовательно, к изменению соотношения яркостей элементов изображения. Чрезмерные нелинейные искажения могут нарушить нормальную работу системы синхронизации. Разнообразно влияние помех различного происхождения и характера на качество передачи телевизионных сигналов. Периодическая помеха, частота которой кратна частоте полукадров, приводит к появлению на экране кинескопа темных горизонтальных полос. Степень потемнения зависит от амплитуды помехи, а число темных полос на экране – от соотношения частот помехи и полукадров. Чем выше частота помехи, тем больше темных полос. Если частота помехи некратна частоте следования полукадров, то темные полосы будут перемещаться в вертикальном направлении. Скорость перемещения возрастает с увеличением разности частот помехи и ближайшей к ней гармоники частоты полукадров. Периодическая помеха с частотой fп кратной частоте строк, т.е. fп = mFc , в течение передачи одной строки создает m периодических изменений напряжения видеосигнала. На экране кинескопа это вызывает появление чередующихся по яркости участков на каждой строке. Поскольку за время передачи строки проходит целое число периодов помехи, участки потемнения и посветления каждой последующей строки оказываются точно под аналогичными участками предыдущей строки. Так как за время передачи кадра проходит целое число периодов помехи, то в каждом последующем кадре участки посветления и потемнения строк сохраняют свое положение на экране. Чем выше частота помехи, тем больше число периодов помехи проходит за время передачи одной строки, тем большее число темных полос будет на экране и тем более узкой будет каждая из них. Периодическая помеха с частотой не кратной частоте строк приводит к появлению на экране кинескопа сетки подвижных наклонных полос. Кратковременные импульсные помехи вызывают появление светлых и темных горизонтальных полосок, длина которых зависит от длительности импульсной помехи. Выбросы флуктуационных помех приводят к появлению светлых и темных точек, беспорядочно возникающих в различных участках кинескопа. При значительных флуктуационных помехах мерцающие точки создают подобие пленки, снижающей четкость и контрастность принимаемого изображения. Нормы на частотные искажения в КИ определяются по шаблонам. Для каналов с верхней граничной частотой до 6,5 МГц допускаются отклонения частотной характеристики остаточного затухания от идеальной в переделах 2 дБ и группового времени прохождения (ГВП) в переделах  0,3 мкс в диапазоне 0…1,2 МГц и монотонное увеличение отклонений частотной характеристики затухания до 2…4 дБ и ГВП до 0,5 мкс на частотах 1,2… 6,5 МГц. Отношение размаха сигнала изображения к напряжению взвешенной флуктуационной помехи, измеренной на выходе КИ, должно быть не меньше 57 дБ в течение 99 % времени. Эта величина может снижаться до 49 дБ в течение 0,1 % времени. Отношение размаха сигнала изображения к размаху периодической помехи должно быть не менее: 30 дБ для помехи в полосе частот 50…100 Гц; 50 дБ для помехи в полосе частот от 1 кГц до 1 МГц и [50 – 4 (fп – 1)] дБ для помехи в полосе частот от 1 до 6 МГц (fп – частота помехи, МГц). Номинальная величина входного и выходного сопротивлений КИ должна быть равна 75 Ом при затухании несогласованности (отражения) не менее 24 дБ. Широкополосные и цифровые каналы. К широкополосным каналам (трактам) относятся: предгрупповой (ПШКГ), первичный (ПШК), вторичный (ВШК), третичный (ТШК) и четверичный (ЧШК) широкополосные каналы. Для организации связи на телекоммуникационных сетях параметры и характеристики этих каналов должны быть унифицированы независимо от оборудования их образования. Основные нормы на электрические характеристики и параметры широкополосных каналов приведены в табл. 3.4. Величины номинальных измерительных уровней, остаточного затухания и амплитудная характеристика измеряются на частотах 18 кГц для предгруппового, 82 кГц для первичного, 420 кГц для вторичного и 1545 кГц для третичного широкополосного канала. Таблица 3.4 Параметры и характеристики Типовые широкополосные каналы ПГШК ПШК ВШК ТШК ЧШК 1. Границы ЭППЧ, кГц 12,3…23,4 60,6…107,7 312,3…551,4 812,6…2043,7 8515…12388 2.Номинальная величина входного и выходного сопротивления, Ом 600 150 75 75 75 3. Номинальный относительный измерительный уровень, дБм0: - на входе - на входе - 36 - 14 - 36 - 23 - 36 - 23 - 36 - 23 - 36 - 23 4.Остаточное затухание, дБ - 22 -13 -13 -13 -13 5.Допустимая неравномерность частотной характеристики остаточного затухания, дБ  0,87  0,87 0,87  0,5  0,15 6.Допустимые отклонения группового времени прохождения, мкс в полосе, кГц 10 13…23 10 65…103 5 330..530 0,25 900…1900 0,25 9300…11700 7.Амплитудная характеристика прямолинейна при изменении уровня, дБм в сторону уменьшения в сторону увеличения с точностью  дБ - 10 24 2 - 10 26 2 - 10 26 2 - 10 28 2 - 10 30 2 8. Средняя мощность сигнала в точке с нулевым относительным уровнем, мВт0 0,096 0,348 1,92 9,6 2838 9. Уровень среднего невзвешенного шума (за час), дБм0 при протяженности канала 2500 км - 42 - 35 - 28 - 21 - 16 10.Пропускная способность не ниже, бит/с 82103 330103 165104 8,5106 33106 На телекоммуникационных сетях организуются типовые цифровые каналы (тракты), основными из которых являются: - основной цифровой канал (ОЦК) со скоростью передачи 64 (15010-6) кбит/с; - субпервичный цифровой канал (СПЦК) со скоростью передачи 480 (15010-6) кбит/с; - первичный цифровой канал (ПЦК) со скоростью передачи 2048 (15010-6) кбит/с; - вторичный цифровой канал (ВЦК) со скоростью передачи 8448 (13010-6) кбит/с; - третичный цифровой канал (ТЦК) со скоростью передачи 34368 (12010-6) кбит/с; - четверичный цифровой канал (ЧЦК) со скоростью передачи 139264 (11510-6) кбит/с. Качество передачи по цифровым каналам определяется коэффициентом ошибок, о котором говорилось выше. Вопросы и задания для самоконтроля 1. Что такое канал передачи? Его структурная схема и требования к основным элементам. 2. Канал передачи как четырехполюсник. Перечислите основные параметры характеристики канала и поясните их физическую сущность. 3. Остаточное затухание канала передачи, его оценка и влияние на качество передачи. 4. Эффективно-передаваемая полоса частот канала, ее влияние на качество передачи. 5. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала тональной частоты. Влияние АЧХ канала на качество передачи. 6. Фазочастотная характеристика (ФЧХ) канала тональной частоты. Влияние ФЧХ канала на качество передачи. 7. Линейные искажения, причины их возникновения и способы оценки. 8. Амплитудная характеристика (АХ) канала тональной частоты. Формы представления АХ канала. 9. Нелинейные искажения, причины их возникновения и оценка. Лекция 4 Тема 4. Двусторонние каналы Раздел 4.1. Построение двусторонних каналов Для обеспечения диалога при общении двух абонентов (человек-человек, человек-машина, машина-машина) канала передачи должен быть двустороннего действия или двусторонним каналом. Рассмотренные выше типовые каналы являются односторонними и, следовательно, для организации двусторонней – дуплексной связи необходимо использование двух типовых односторонних - симплексных каналов, объединив их в единую двустороннюю систему и сохранив при этом взаимную независимость односторонних каналов. Поскольку наиболее массовым видом является телефонная связь, то рассмотрим принципы организации двусторонних телефонных каналов. Полученные при этом соотношения и выводы справедливы для организации двусторонних каналов передачи других видов сообщений. Исторически первой двусторонней системой телефонной связи была однополосная четырехпроводная система двусторонней связи, рис. 4.1, при которой передача от микрофона М одного абонента к телефону Т другого абонента ведется в одной полосе частот f1…f2 по двухпроводной линии. Такая схема организации двусторонней связи экономически и эксплуатационно нецелесообразна, так как к абонентам требуется подведение четырехпроводной линии. Рис. 4.1 - Однополосная четырехпроводная схема организации двусторонней телефонной связи Обычные абонентские линии двухпроводные и поэтому для подключения микрофонов и телефонов к таким линиям требуется применение особых развязывающих устройств – РУ. При этом получается однополосная двухпроводная схема двусторонней связи, рис.4.2, при которой передача и в одном, и в другом направлениях ведется по двухпроводной линии и в одной и той же полосе частот. Как следует из рис. 4.2, передача в одном и другом направлениях ведется в одной полосе частот, а разделение направлений передачи осуществляется с помощью специального РУ, к характеристикам которого предъявляются определенные требования. Двухсторонняя связь при использовании двухпроводной линии может быть осуществлена с помощью двух полос частот: одна полоса частот (нижняя) f1… f2 передается от абонента А к абоненту Б, а другая полоса частот f3…f4 передается от абонента Б к абоненту А. Следовательно, кроме развязывающего устройства аналогичного РУ при однополосной двухпроводной схеме организации связи должны быть устройства, преобразующие исходные сигналы в полосу частот соответствующего направления тракта передачи и обратного преобразования в тракте приема. Разделение направлений передачи осуществляется с помощью фильтров нижних и верхних частот, называемых направляющими фильтрами или вилкой направляющих фильтров. Схема двухпроводной двухполосной организации двусторонней связи приведена на рис. 4.3. Рис. 4.2 - Однополосная двухпроводная схема организации двусторонней связи Рис. 4.3 - Двухполосная двухпроводная схема организации двусторонней связи Рассмотрим прохождение сигнала от абонента станции А к абоненту станции Б (для обратного направления все процессы будут аналогичными) по двухполосному двухпроводному двустороннему каналу передачи телефонных сигналов и их основные преобразования. К зажимам 1-1 (2-2 подключается двухпроводный тракт телефонной сети, использующий двухпроводные физические цепи, по которым передаются телефонные сигналы в тональном диапазоне частот F1… F2. Эти сигналы поступают на развязывающее устройство (РУ-1) , предназначенное для разделения направлений передачи и приема. С выхода РУ-1 первичный сигнала в полосе частот F1…F2 поступает на передатчик станции А (Пер-А), где происходит его преобразование в линейный спектр f1…f2 , передаваемый по двухпроводной линии (физической цепи). Формирование линейного спектра направления передачи от станции А к станции Б осуществляется направляющим фильтром нижних частот (ФНЧ). На станции Б сигнала выделяется аналогичным ФНЧ и поступает на вход приемника (Пр-Б), где происходит его преобразование в тональный спектр с полосой частот F1…F2. С выхода Пр-Б сигнала поступает на развязывающее устройство (РУ-2), предназначенное для разделения трактов приема и передачи станции Б и далее поступает в двухпроводный тракт телефонной сети. При передаче от станции Б к станции А в передатчике станции Б (Пер-Б) осуществляется преобразование спектра первичного сигнала F1…F2 в линейный спектр f3…f4, выделяемый направляющим фильтром верхних частот (ФВЧ). В тракте приема станции А линейный спектр выделяется ФНЧ и затем в приемнике станции А (Пр-А) преобразуется в тональный спектр F1…F2 и далее через РУ-1, разделяющее тракты передачи и приема станции А, поступает в двухпроводный тракт телефонной сети. Рис.4. 4 - Характеристики ослабления направляющих фильтров Из рассмотренного очевидно, что вилки направляющих ФНЧ и ФВЧ станций А и Б выполняют роль разделяющих устройств (РУА и РУБ, обведенные штриховыми линиями), развязывающих направления передачи. Частотные характеристики затухания (ослабления) ФНЧ и ФВЧ приведены на рис.4.4, где приняты следующие обозначения: Афвч – затухание направляющего фильтра верхних частот (ФВЧ) в полосе эффективного задерживания f1…f2; аФВЧ – максимально-допустимое затухание ФВЧ в полосе эффективного пропускания; АФНЧ – затухание фильтра нижних частот (ФНЧ) в полосе эффективного задерживания f3…f4; аФНЧ – максимально-допустимое ослабление ФНЧ в полосе эффективного пропускания f1…f2. Дальность непосредственной телефонной связи определяется из следующих рассуждений. На выходе типового микрофона телефонного аппарата средняя мощность первичного сигнала равна WМ = 1 мВт, мощность сигнала на входе телефона, соответствующая его нормальному восприятию, WТ = 1 мкВт. Допустимое затухание (ослабление) между микрофоном одного абонента и телефоном другого равно аМТ = 10 lg (WМ / WТ) = 10 lg (1/10-3) = 30 дБ. Если коэффициент затухания линии равен  дБ/км, то непосредственная дальность связи будет равна L=АМТ/ , км. Пример: коэффициент затухания телефонного кабеля равен  = 0,75 Дб/км, следовательно, допустимая дальность непосредственной связи составит LМТ = аМТ /  = 30 / 0,75 = 400 км. Исходя из максимальной дальности телефонной связи необходимо применение усилителей и их равномерное размещение по магистрали. Усилители это четырехполюсники одностороннего направления передачи и поэтому требуется два усилителя, обеспечивающих усиление сигналов двух направлений передачи. Структурная схема усилителя однополосной двухпроводной схемы организации двусторонней связи приведена на рис.4.5. Рис.4.5 - Структурная схема двустороннего усилителя однополосной двухпроводной схемы организации двусторонней связи Подключение усилителей к двухпроводной линии осуществляется с помощью развязывающих устройств РУ1 и РУ2. Структурная схема двустороннего усилителя двухполосной двухпроводной схемы организации связи приведена на рис.4.6. Рис.4. 6 - Структурная схема двустороннего усилителя двухполосной двухпроводной организации двусторонней связи К зажимам 1-1 левого развязывающего устройства (РУ1) и к зажимам 1-1 правого РУ2 подключается двухпроводная линия (физическая цепь). Рассмотрим передачу сигналов от станции А к станции Б. После прохождения по двухпроводной цепи ослабленный сигнала от зажимов 1-1 РУ1 поступает на зажимы 2-2, усиливается усилителем (УС1) направления от станции А к станции Б и через зажимы 4-4 РУ2 поступает в двухпроводную линию (зажимы 1-1 РУ2). Передача от станции Б к станции А осуществляется аналогично. Напомним, что в случае двухпроводной двухполосной схемы организации двусторонней связи роль развязывающих устройств РУ1 и РУ2 выполняет вилка направляющих фильтров нижних (ФНЧ) и верхних (ФВЧ) частот. В случае организации двусторонней связи по четырехпроводной однополосной схемы развязывающие устройства необходимы только для подключения двустороннего канала к двухпроводным линиям телефонных сетей, рис.4.7. К зажимам 1-1 РУ1 и РУ2 подключаются двухпроводные абонентские или соединительные линии телефонных сетей. Передатчики преобразуют полосу частот первичного сигнала в полосу частот f1…f2, которая передается по двухпроводной линии от станции А к станции Б и наоборот. Усилители Ус1… Усn компенсируют ослабление (затухание) сигналов при их прохождении по физическим – двухпроводным линиям. Рис. 4.7 - Обобщенная схема однополосной четырехпроводной системы двусторонней связи Канал тональной частоты (КТЧ) – канал односторонней передачи. Для организации двусторонней связи требуется два КТЧ и их подключение к двухпроводным линиям телефонных сетей должно осуществляться с помощью развязывающих устройств (РУ1 и РУ2). Из выше рассмотренного следует, что двусторонний канал представляет замкнутую систему и, следовательно, возникает цепь обратной связи и при определенных условиях возможно самовозбуждение канала. Обобщенная структурная схема двустороннего канала и пути возникновения обратных связей показаны на рис.4.8. Рассмотрим прохождение сигналов при передаче от пункта А (п.А) к пункту Б (п.Б). Сигнал от абонета п.А поступает по двухпроводной линии на зажимы 1-1 РУ1 , далее – на зажимы 2-2 РУ1 и через канал односторонней передачи – на зажимы 4-4 РУ2 и далее через зажимы 1-1 РУ2 сигнала поступает по двухпроводной цепи к абоненту п.Б. Если затухание от зажимов 4-4 к зажимам 2-2 РУ2 не равно бесконечности, то сигнал с выхода канала передачи от от п.А к п.Б поступает на вход канала обратного направления передачи и, если затухание от зажимов 4-4 к зажимам 2-2 РУ1 также не равно бесконечности, то сигнал поступает на зажимы 2-2 и на вход канала передачи от п.А к п.Б. Так образуется замкнутая цепь обратной связи от зажимов 4-4 РУ2 к зажимам 2-2 РУ1, через односторонний канал от п.А к п.Б и к зажимам 4-4 РУ2. Рис. 4.8 - Обобщенная структурная схема двустороннего канала Цепь обратной связи образует одиночную замкнутую систему (ОЗС), в которой при определенных условиях возможно самовозбуждение (генерация). Раздел 4.2. Развязывающие устройства, требования к ним и их классификация. Анализ трансформаторной и резисторной дифсистем Как следует из схем организации двусторонних каналов, РУ представляет собой шестиполюсник (23 – полюсник), условное обозначение которого приведено на рис.4.9. Пути передачи сигналов от зажимов 1-1 (1) к зажимам 2-2 (2) и от зажимов 4-4 (4) к зажимам 1-1 (1) называются направлениями пропускания и характеризуются минимально возможным затуханием (ослаблением); путь передачи сигнала от зажимов 4-4 (4) к зажимам 2-2 (2) и называется направлением развязки (задерживания) и характеризуется максимально возможным затуханием. Идеальным РУ называется развязывающее устройство, у которого в рабочих частотном и динамическом диапазонах передаваемых сигналов выполняются следующие требования: - отсутствует затухание в направлениях передачи, т.е. а1-2 = А4-1 = 0; - обладает бесконечно большим затуханием (ослаблением) в направлениях развязки (задерживания), т.е. а4-2 = а2-4 = ; - входные сопротивления со стороны зажимов 1-1, 2-2 и 4-4 должны обеспечить согласованное подключение нагрузок; - отсутствие различного вида искажений при передаче сигналов в направления пропускания (развязки); - простота технической реализации и высокая надежность; - малые габариты. Рис. 4.9 - Развязывающее устройство (а) и его условное обозначение (б) Развязывающие устройства могут быть построены на принципах частотной селекции или на принципах уравновешенных (сбалансированных) мостовых схем, называемых дифференциальными системами (ДС). Развязывающие устройства подразделяются на следующие три группы: - линейные РУ, построенные на пассивных элементах, параметры которых не меняются во времени и не зависят от уровня передачи сигналов; такие РУ называются пассивными; - линейные РУ, которые содержат активные элементы, их параметры не меняются во времени и не зависят от уровня передачи сигналов; такие РУ называются активными; - параметрические РУ, в которые включены элементы с изменяющимися во времени параметрами. Развязывающие устройства называются обратимыми (взаимными), если выполняются условия а1-2 = а2-1 , а4-1 = а1-4. Если эти условия не выполняются, то такие РУ называются необратимыми. Линейные пассивные РУ относятся к обратимым (взаимным). В однополосных двухпроводных и четырехпроводных системах организации двусторонней связи широкое применение нашли линейные пассивные обратимые РУ на основе резисторов, включенных по мостовой схеме и именуемые резисторными дифференциальными системами (РДС). И построенные на основе дифференциальных трансформаторов, которые называются трансформаторными дифференциальными системами (ТДС). Задачей анализа дифференциальных систем является определение: 1) условий, при которых дифференциальная система, как разделяющий шестиполюсник, имеет направления пропускания с минимально возможным затуханием и направления непропускания (задерживания) с максимально возможным затуханием (ослаблением); 2) условий, обеспечивающих согласованное подключение нагрузок к соответствующим зажимам дифференциальной системы; 3) рабочих затуханий (ослаблений) дифференциальной системы (далее дифсистемы) в различных направлениях передачи. Анализ резисторной дифференциальной системы Резисторная дифсистема (РДС) реализуется по схеме Т-перекрытого четырехполюсника, рис.4.10. Покажем, что эта схема может быть использована как развязывающее устройство, обладающее направлениями передачи с минимальным затуханием и направлениями передачи с бесконечным затуханием. Это мостовая схема, где резисторы Z1 , ZА , Z3 , ZБ представляют ее плечи, а полюса (зажимы) 2-2 и 4-4 представляют ее диагонали, к которым подключаются сопротивления R1 и R2. Положим, что Z1 = Z2 = Z3 = Z4 = Z. (4.1) и ZA =  Z и ZБ =Z /  . (4.2) Рис. 4.10 - Резисторная дифференциальная система (РДС) При выполнении условия (4.1) и  = 1 получается равноплечая РДС, в противном случае – неравноплечая. При выполнении условия: Z1 Z3 = ZА  Z3 (4.3) схема рис. 4.10 будет уравновешена (сбалансирована) для направлений передачи от полюсов 4-4 к полюсам 2-2 и наоборот. Если к полюсам 4-4 (2-2) подключить генератор, то на полюсах 2-2 (4-4) напряжение будет равно нулю, т.е. затухание (ослабление) а42 = а24 = . Следовательно, направления передачи от полюсов 4-4 (2-2) к полюсам 2-2 (4-4) развязаны и не влияют друг на друга. Использование РДС как развязывающего устройства при организации двусторонней связи предполагает, что к полюсам 1-1 подключается двухпроводная линия, волновое сопротивление которой известно и, для простоты дальнейшего анализа, положим, что оно равно Z1= Z; к полюсам 2-2 подключается тракт передачи, а к полюсам 4-4 – тракт приема. Для обеспечения согласованного подключения нагрузок к РДС определим его входное сопротивление со стороны различных полюсов при выполнении условия (4.3), т.е. сбалансированности РДС. Входное сопротивление РДС со стороны полюсов 2-2 найдем из рассмотрения эквивалентной схемы, рис.4.11. Рис. 4.11 - К определению входных сопротивлений РДС со стороны полюсов 2-2 и 4-4 Входное сопротивление РДС со стороны полюсов 2-2, как следует из рис.4.11, равно . С учетом соотношений (4.1) и (4.2), последнее уравнение можно представить в форме . (4.4) Входное сопротивление РДС со стороны полюсов 4-4 при тех же условиях будет равно6 . Подставив в эту формулу значения сопротивлений из (4.1) и (4.2) и выполнив несложные преобразования, получим . (4.5) Следовательно, входное сопротивление тракта передачи двустороннего канала при использовании рассмотренной схемы РДС должно быть равно Z2, а выходное сопротивление тракта приема – Z4. При этом будет обеспечено согласованное подключение канала к двухпроводной линии. При выполнении условий (4.1) и (4.3) входные сопротивления со стороны полюсов 1-1 и 3-3, а также со стороны подключения других полюсов входные сопротивления будут равны Z1 , Z3 , ZА и ZБ и только для равноплечей РДС. Определим затухание рассматриваемой РДС в различных направлениях передачи. При этом учтем, что на всех входа (1-1, 2-2, 3-3 и 4-4) имеется полное согласование. Направлениями передачи являются: передача от полюсов 2-2, 4-4 к полюсам 1-1, 3-3, 1-4 и 4-3 и наоборот. К обозначениям добавляются новые: Гс – генератор сигнала с внутренним сопротивлением Zc и Ес – ЭДС генератора. Рассмотрим эквивалентную схему уравновешенной (сбалансированной) РДС при передаче от полюсов 2-2 ко всем сопротивления плеч Z1 (полюса 1-1), ZА (полюса 1-4), Z3 (полюса 4-3) и ZБ (полюса 3-3), рис.4.12, где к уже принятым элементам и обозначениям добавляются новые: Гс – генератор сигнала с внутренним сопротивлением Zc и Ес – ЭДС генератора. Определим затухание от полюсов 2-2 к полюсам 1-1. Из схемы рис.4.12 следует, что напряжение, приложенное к полюсам 2-2, с учетом (4.1), (4.2), равно: , (4.6) здесь I2Z = U11 и I2Z /  - падения напряжений на сопротивлениях Z1 (полюса 1-1) и ZБ (полюса 1-4), I2 – ток, протекающий через сопротивления Z1 и ZБ . Рис. 4.12 -К определению затуханий (ослаблений) в направлениях пропускания Затухание в направлении передачи от полюсов 2-2 (1-1) к полюсам 1-1 (2-2) . (4.7) Затухание в направлении пропускания от полюсов 2-2 (1-4) к полюсам 1-4 (2-2), т.е. к сопротивлению ZБ определится аналогично вышеприведенному: . (4.8) Используя приведенную методику определения затуханий в направлениях пропускания, можно показать, что затухание от полюсов 2-2 к полюсам 1-4 (к сопротивлению ZА ) определится по формуле , (4.9) а затухание от полюсов 2-2 к полюсам 4-3 (к сопротивлению Z3) будет равно . (4.10) Для определения затуханий от полюсов 4-4 к полюсам 1-1 а41 (к сопротивлению Z1), к полюсам 1-4 а14 (к сопротивлению ZA), к полюсам 4-3 а43 (к сопротивлению Z3), к полюсам 3-3 а43 (к сопротивлению Zб), следует изобразить эквивалентную схему уравновешенной РДС и, используя вышеприведенную методику, получим: (4.11) Из формул (4.7…4.11) следует, что у равноплечей РДС ( = 1) затухание во всех направлениях пропускания одинаковы и равны апроп = 20lg2 = 6 дБ. (4.12) Эта величина имеет простое физическое толкование: у равноплечей РДС мощность подведенная к соответствующим полюсам (диагоналям моста), распределяется поровну между четырьмя сопротивлениями плеч. Выбирая соответствующие значения , можно снизить затухание в одних направлениях передачи за счет повышения его в других направлениях. Соотношения (4.1…4.3) показывают, что РДС реализуется просто, если все сопротивления активные или все реактивные. В том случае, когда хотя бы одно из сопротивлений имеет комплексный характер, должны быть комплексными и остальные сопротивления; при этом РДС весьма усложняется. Особенно часто мостовые схемы на сопротивлениях используются в качестве так называемых распределителей мощности, обеспечивающих независимую работу двух генераторов на общую нагрузку или одного генератора на различные нагрузки и, следовательно, являющихся развязывающими устройствами. Анализ трансформаторной дифференциальной системы Дифференциальное РУ представляет собой уравновешенный мост. В одно из плеч моста включают двухпроводную ветвь канала, три других образуют из вспомогательных резисторов, а в диагонали включают ветви передачи и приема четырехпроводной части двустороннего канала. Подбирая одно из вспомогательных сопротивлений, уравновешивают мост и таким образом создают большое затухание между направлениями передачи и приема. В аппаратуре многоканальной связи применяются мостовые РУ двух типов — трансформаторные и на резисторах. Принципиальная схема трансформаторного РУ приведена на рис. 4.13а, схема РУ на резисторах — на рис. 4.1б. Трансформаторное РУ называют также дифференциальной системой. Рис. 4.13 - Дифференциальные (мостовые) РУ Для упрощения анализа предположим, что дифференциальный трансформатор ДТ идеален, т. е. активные сопротивления его обмоток равны нулю, индуктивности бесконечно велики, а рассеяние отсутствует. Введем обозначения для коэффициентов трансформации (см. рис. 5.2): Рис.4.14 - Передача энергии от полюсов 4-4 n=(w1+w1)/w2; m= w1/ w1; (4.13) Если т1, РУ называют неравнопле­чим; величину т называют коэффициентом неравноплечности. В аппаратуре в большинстве случаев устанавливают равноплечие РУ (m=1). Развязывающее устройство называется уравновешенным (сбалансированным), если затухание в направлении 4—2 бесконечно велико: а42=. Найдем значение сопротивления Zб, при котором выполняется это условие. Для этого подключим источник энергии Гс с внутренним сопротивлением Zс к полюсам 4—4; полюса /—1 и 2—2 нагрузим сопротивлениями Za и Zб (рис. 4.14). Электродвижущая сила (ЭДС), наводимая во вторичной обмотке трансформатора, пропорциональна результирующей магнитодвижущей силе (МДС) первичной обмотки. Так как направления тока I1 и I3 противоположны, результирующая МДС первичной обмотки равна I1 w1 - I3 w1. Следовательно, при I1 w1 = I3 w1. напряжение, между полюсами 2—2 будет отсутствовать, Р2=0 и a42=. Но I1= U44/Za, I3=U44/Z6, где U44—напряжение на полюсах 4—4. Таким образом, РУ окажется уравновешенным, если (U44/Zа)w1=(U44/Zб)w1; Отсюда условие равновесия может быть записано так: Zб=mZа (4.14) Двухполюсник, подключаемый к зажимам 3—3 и обеспечивающий равновесие РУ, называют балансным контуром. Найдем теперь входное сопротивление РУ со 'стороны полюсов 4—4. Обозначим его через Z44. Поскольку в уравновешенном РУ энергия от полюсов 4—4 к полюсам 2—2 не передается, резисторы Zа и Zб оказываются включенными параллельно по отношению к полюсам 4—4. Поэтому Z44 = (Za Zб)/(Za+Zб), откуда имея в виду выражение (4.14), получаем Z44=Zа(m/(m+1); (4.15) Если сопротивление Zс, нагружающее полюса 4—4, выбрать равным этой величине, то в ветви приема (т. е. полюсах 4—4) будет обеспечено согласование РУ с нагрузкой. Найдем выражения, определяющие рабочие затухания в на­правлениях 4—1 (a4i) и 4—3 (а4з). В силу того, что рассматриваемая схема обратима, а41==а14 и а43=а34. При Zс=Z44(согласованное включение источника), а41 = 10lg (W44/W41) и а43 =101g(W44/W43), где W41 и W43 —мощности, развиваемые на сопротивлениях Za, Zб и Z44. Поскольку, как было показано, резисторы Za и Zб включены параллельно по отношению к полюсам 4-4, W=U2/Za, W43 = U244/Zб и W44 = U244/Z44. Принимая во внимание формулы (4.14) и (4.15), имеем: a41= a14=10lg[(1+m)/m]; a43= a34=10lg(1+m); 4.3 Анализ неуравновешенной трансформаторной дифференциальной системы До сих пор рассматривалось уравновешенное РУ. Однако на практике при подключении к РУ реальной двухпроводной линии сопротивление балансного контура zь лишь приближенно равно входному сопротивлению линии Zл; сопротивления Zс и Zв тоже не точно соответствуют значениям, определяемым формулами. Таким образом, в реальных условиях можно лишь приблизиться к условиям равновесия. Найдем затухание в направлении развязки 4—2 (2—4) приближенно уравновешенного РУ. Предположим, что к полюсам 4—4 подключен генератор (рис. 4.15) и найдем затухание а42. Входное сопротивление Z11=Z6/mZk, следовательно, в точках 1-1 не будет согласованного включения линии. Поэтому часть энергии, поступившей в эти точки от генератора, отразится в сторону РУ и по пути 1-2 претерпев затухание а12 поступит на нагрузку Zв. В соответствии с этим а42 = а41 + аотр1 + а12 Затухание отражения определяется как аотр1=20lg(Zл+Z11)/(Zл-Z11) Подставим сюда Z11 и Zб/m и обозначим полученную величину через Ае Ae=20lg(mZл+Z11)/(mZл-Z11). Рис. 4.15 - К анализу неуравновешенного РУ Затухание Ае называют балансным. Получим а42=Ae+10lg[(1+m)2/m]; Для равноплечего РУ m=1 и а42=Ae+6 дБ; Ae=20lg(Zл+Zб)/(Zл-Zб). Практически балансное затухание не превосходит 25—30 дБ в тех случаях, когда балансный контур имитирует волновое сопротивление линии. Если в качестве балансного контура устанавливается активное сопротивление, равное номинальному значению волнового сопротивления линии (например, Zб=600 Ом), то ба­лансное затухание составляет обычно 58 дБ. Сравнение трансформаторной и резисторной дифференциальных систем После ознакомления с принципами построения и работы развязывающих устройств на основе трансформаторных и резисторных дифференциальных систем проведем их сравнение. Трансформаторная дифсистема обладает следующими достоинствами: - отсутствуют гальванические (по постоянному току) между некоторыми (а, в принципе, между всеми) полюсами подключения нагрузок; - возможность согласованного подключения до четырех различных по величине сопротивлений нагрузок; - сравнительно небольшие затухания в направлениях пропускания. Трансформаторная дифсистема обладает рядом недостатков, основными из которых являются: - нелинейные искажения, вносимые трансформаторами с ферромагнитными сердечниками, величина которых тем больше, чем меньше сечение сердечника и чем больше передаваемая мощность сигнала; - для получения равномерной частотной характеристики затухания ТДС в направлениях пропускания необходимо увеличение индуктивности обмоток дифференциального трансформатора, что достигается применением сердечников из высококачественных ферромагнитных материалов или увеличением сечения сердечника; - трансформаторная дифсистема имеет сравнительно большие размеры, вес и относительно высокую стоимость. Резисторная дифференциальная система (РДС) характеризуется следующими достоинствами: - простота изготовления, малый вес, малые габариты, низкая стоимость, возможность ее миниатюризации; - равномерная частотная характеристика затухания во всех направлениях пропускания; - отсутствие нелинейных искажений; - возможность согласованного включения четырех и даже шести одинаковых сопротивлений; - наличие трех направлений непропускания при соответствующей конфигурации мостовой схемы. Недостатки РДС сводятся к следующему: - сравнительно большое затухание в направлениях пропускания; - наличие гальванических связей между всеми сопротивлениями нагрузок; - если хотя бы одно из сопротивлений нагрузок комплексное, то и все остальные пять сопротивлений так же должны быть комплексными. Из сказанного следует, что оба типа дифсистем имеют свои достоинства и недостатки, которые и должны учитываться при выборе способов построения развязывающих устройств различного назначения. Вопросы для самоконтроля 1. Обосновать необходимость организации двусторонних каналов. 2. Изобразите схемы организации двусторонних каналов передачи. 3. Назначение развязывающих устройств при организации двухсторонних каналов. 4. Требования, предъявляемые к развязывающим устройствам и их классификация. 5. Пояснить физическую сущность балансного затухания трансформаторной дифференциальной системы. Лекция 5 Тема 5. Устойчивость двухсторонних каналов Раздел 5.1. Двусторонние усилители Рассмотрим промежуточные усилители различных систем двуcторонней связи. Во всех случаях усиленный сигнал с выхода усилителя одного направления передачи частично попадает на вход другого, т. е. создается цепь обратной связи. В усилителях четырехпроводной однополосной системы обратная связь возникает вследствие взаимных влияний между парами четырехпроводной цепи. Затухание в петле обратной связи определяется величиной переходных затуханий А0 на ближнем конце и усилениями усилительных элементов Sy1 и Sy2. Рис.5.1 В усилителях двухпроводной двухполосной системы наличие и характер обратной связи определяются конечной величиной затухания направляющих фильтров в полосе задерживая. И, наконец, в усилителях двухпроводной однополосной системы обратная связь обусловлена невозможностью точной балансировки развязывающих устройств. Проанализируем работу двустороннего усилителя, учитывая наличие обратной связи. На рис. 5.2 приведена обобщенная эквивалентная схема двустороннего усилителя, пригодная для систем двусторонней связи. В качестве основного выделим направление передачи слева направо, а усилитель встречного направления поместим цепь обратной связи. Независимо от способа развязки направлений передачи схема развязки может быть условно разделена на два четырехполюсника; один из них, обозначенный буквой g, изображает направление пропускания, в котором проходит усиливаемый сигнал, другой, отображающий развязывающие свойства схемы, находится в цепи обратной связи (четырехполюсник G). Рис.5.2 - Эквивалентная схема двустороннего усилителя Раздел 5.2.Устойчивость телефонного канала Введем следующие обозначения:, j=1, 2— постоянные передачи схем развязки в направлениях задерживания , j=1, 2 — постоянные передачи схем развязки в направлениях пропускания; , j=l, 2 — комплексные усиления усилителей встречных направлений; - комплексное усиление двустороннего усилителя при передаче слева направо. Найдем условия устойчивости усилителя. В соответствия критерием Найквиста условия самовозбуждения усилителя имеют вид: (5.1) (5.2) где ао.с — затухание, о.с — фазовый сдвиг в петле обратной связи. Рабочий диапазон частот двустороннего усилителя обычно достаточно широк, а обратная связь имеет неконтролируемый характер. Поэтому можно предположить, что условие (5.2) всегда выполняется хотя бы на одной какой-либо частоте рабочей полосы частот усилителя. Тогда условие устойчивой работы принимает вид ао.с>0 или , (5.3) а критическое условие самовозбуждения ао.с=0 или а1+а2-(Syl+Sy2). Критическим усилением усилителя называют величину (5.4) Величину затухания в петле обратной связи ао.с=а1+а2— (Sy1+Sy2) называют запасом устойчивости двустороннего усилителя. Запас устойчивости численно равен величине усиления, дополнительное введение которого в систему с обратной связью приводит к самовозбуждению. Раздел 5.3. Искажения от обратной связи Выясним, как влияет обратная связь на частотную характеристику усиления двустороннего усилителя. Воспользуемся выражением, определяющим коэффициент усиления усилителя с обратной связью (5.5) — комплексный коэффициент усиления усилителя с разорванной цепью обратной связи; - коэффициент передачи цепи обратной связи. В соответствии с принятыми обозначениями , Подставляя эти величины в ф-лу (5.5) и переходя к логарифмическим единицам (децибелам) и к модулям комплексных величин, получаем , (5.6) где o.c=1+2—(1+2) — фазовый сдвиг в цепи ОC. Формула (5.6) показывает, что обратная связь искажает частотную характеристику усиления. Обозначая искажения через S. Получим (5.7) Величина искажений от обратной связи зависит от запаса устойчивости ао.с и от фазового сдвига о.с. При различных частотax ао.с и о.с могут быть различными и в зависимости от значения ос обратная связь может быть либо положительной, лив отрицательной. На рис. 5.2 показан примерный вид частотных характеристик усиления при разомкнутой и замкнутой цепи обратной связи. Найдем наибольшие значения искажений при отрицательней (S_) и положительной (S+) обратной связи. При частотах, когда о.с= (2k+ 1), ejо.с= —1, связь отрицательна и (5.8) Если =2k, то , связь положительна и (5.9) где ао.с – в децибелах. При fн> А2 >> А3, . . . >>АN и что >> , где N – число каналов. Разделение сигналов по уровню применяется в некоторых системах передачи цифровой информации в сочетании с другими методами разделения и позволяет существенно повысить их информационную эффективность. Комбинационное разделение. Возможен метод разделения каналов, переводящий задачу построения многоканальных систем передачи в несколько иную плоскость. Рассмотрим передачу двоичных импульсных последовательностей импульсов по двум каналам, полагая, что амплитуды импульсов в обоих каналах одинаковы. Оба канала работают двоичным кодом с элементами 0 и 1, рис.6.7. Возможные комбинации сигналов в обоих каналах в линии приведены в табл. 6.1. Как видим, сигналы обоих каналов будут смешаны, следовательно, разделить их будет невозможно, так как суммарный сигнал, равный единице, означает наличие импульса в одном канале и отсутствие в другом, но неизвестно, в каком именно. Но возможно вместо суммарного сигнала передавать номер комбинации, так как этот номер однозначно определяет сигналы каждого из каналов в отдельности. Таким образом, дело сводится к передаче четырех чисел, которые могут быть переданы любым способом, т.е. закодированы любым кодом и переданы посредством любого вида модуляции. Рис. 6.7- К комбинационному разделению сигналов Таблица 6.1 Канал 1 1 1 Канал 2 1 1 № комбинации 1 2 3 4 Сумма сигналов 1 1 2 Построение многоканальной системы передачи сводится теперь к созданию некоторого устройства, на N входов которого поступают канальные сигналы и которое вырабатывает результирующий или линейный сигнал в форме кодовой комбинации, отображающей совокупность мгновенных значений канальных сигналов в данный момент. Число таких комбинаций равно, очевидно, М=mN, где N - число каналов, а m – основание кода в канале до преобразования или число возможных состояний канального сигнала. Так при импульсной пятиканальной системе и при применении в каждом канале кода с основанием десять, необходимо передавать в каждый тактовый интервал пятизначное десятичное число. Число 20739 означает, например, что по первому каналу передается сигнал 2, по второму – 0 , по третьему – 7 и так далее. Это число может быть закодировано как угодно, совершенно независимо от того, каков код канала. Таким образом, линейный сигнал не есть просто сумма или смесь канальных сигналов; линейный сигнал представляет собой отображение определенной комбинации канальных сигналов. Выбор способа отображения комбинаций может быть различным. Например, в качестве линейных сигналов для двухканальной системы передачи можно применить синусоидальные колебания, начальная фаза которых, в зависимости от комбинации канальных импульсов, принимает одно из четырех возможных значений. Возможно также использование четырех колебаний с частотами f1, f2, f3 и f4 . Для передачи N двоичных сигналов необходимое число различных сигналов в линии, соответствующее различным параметрам переносчика (частоты, фазы и др.), равно 2N . Однако в линию в любой момент (такт) времени передается только один сигнала, т.е. необходимая мощность сигнала в линии уменьшается, что является достоинством этой системы. Комбинационная система выгодна при небольшом числе каналов, так как увеличение числа каналов (кратности системы) резко увеличивает необходимое количество передаваемых сигналов, что приводит к усложнению системы. Приемник такой системы каждому их М вариантов линейного сигнала должен сопоставлять определенную комбинацию канальных сигналов, посылаемых N получателям сообщений. Большой практический интерес представляют комбинированные системы, в которых используются одновременно различные методы разделения каналов: комбинированные системы с применением частотного разделения, комбинированные системы с использованием временного разделения, комбинированные системы с использованием частотного и временного разделений. Наибольшее распространение получили системы, в которых сочетаются методы линейного разделения ортогональных сигналов в виде отрезков синусоидальных колебаний и комбинационно-фазовой модуляции каждого из этих колебаний. Раздел 6.3. Взаимные помехи между каналами Из-за не идеальности работы устройств формирования канальных сигналов Мi на передаче и устройств разделения канальных сигналов на приеме Фi на приеме (рис. 6.1) в многоканальных системах передачи возникают специфические переходные или взаимные помехи между каналами. Причиной таких помех могут быть линейные или нелинейные искажения в устройствах передачи группового (многоканального) сигнала. Неидеальность функционирования устройств формирования канальных сигналов Мi приводит к тому, что канальные сигналы si (t) формируются лишь приближенно. Искажения и мультипликативные помехи в трактах передачи также изменяют форму канальных сигналов, нарушается условие ортогональности сигналов-переносчиков. В результате канальные сигналы, поступающие на вход приемного устройства, удовлетворяют условиям разделимости лишь приближенно. Неидеальность функционирования устройств разделения Фi не позволяет точно реализовать алгоритмы разделения сигналов. Все это является причиной возникновения межканальных или переходных помех. Качество многоканальной системы передачи с точки зрения переходных помех можно охарактеризовать величиной затухания между влияющими и подверженными влиянию каналами, называемого переходным затуханием. Для оценки переходных влияний рассмотрим рис.7.8, где приняты следующие обозначения: Г– генератор измерительного сигнала, подключенный ко входу i - го Рис. 6.8- К определению затухания переходных помех Для оценки переходных влияний рассмотрим рис.6.8, где приняты следующие обозначения: Г– генератор измерительного сигнала, подключенный ко входу i - го канала, являющегося влияющим; Zok,- нагрузочное сопротивление на входе k-го канала, подверженного влиянию; Zнi,- нагрузочное сопротивление на выходе i-го канала ; Zнk – нагрузочное сопротивление на выходе k-го канала ; Pi – мощность сигнала на выходе влияющего канала; Pik – мощность сигнала на выходе канала, подверженного влиянию. Затухание переходных помех, обусловленных вышеназванными причинами, равно . (6.13) Затухание Аik называют также защищенность канала от переходных помех. Знание этой величины позволяет определить величину мощности Pik переходной помехе по формуле: мВт. (6.14) Одна из основных задач, решаемая при построении многоканальных систем передачи, заключается в обеспечении условий, при которых взаимные помехи между каналами не превосходят допустимых величин. Эти величины определяются в каждой конкретной ситуации в зависимости от вида сигналов, назначения системы передачи и требований к качеству связи. При заданных характеристиках тракта передачи группового или многоканального сигнала может быть поставлена задача выбора типа переносчиков и их разделительных и информационных параметров, обеспечивающих максимальное значение защищенности от переходных помех. При построении многоканальных систем передачи наибольшее распространение получили временное и частотное разделение каналов на основе различных видов модуляции. Вопросы для самоконтроля 1. Состав многоканальной телекоммуникационной системы. 2. Методы формирования канальных сигналов. 3. Перечислите методы разделения канальных сигналов и дайте их Сравнительную характеристику. 4. Взаимные помехи между каналами и их влияние на качество передачи информации. Лекция 7 Тема 7. Основы построения систем передачи с частотным разделением каналов (ЧРК) Раздел 7.1. Структурная схема системы передачи с ЧРК Телекоммуникационной системой с частотным разделением каналов называют систему, в линейном тракте которой для передачи канальных сигналов отводятся неперекрывающиеся полосы частот. Рис.7.1 – Линейный спектр СП с ЧРК Рассмотрим принцип частотного разделения каналов, используя схему N-канальной системы и планы частот в ее характерных точках. Рис. 7.2 – Упрощенная схема СП с ЧРК В качестве переносчиков в СП с ЧРК используются гармонические синусоидальные колебания с различными частотами f1, f2, …fn (колебания несущих). Канальные сигналы формируются в результате модуляции одного из параметров переносчиков первичными сигналами Ci(t). Применяются амплитудная, частотная и фазовая модуляции. Частоты несущих колебаний выбираются так, чтобы спектры канальных сигналов U1(t) и U2(t) не перекрывались. Групповой сигнал U(t), поступивший в линию связи, представляет собой сумму канальных сигналов При передаче по линейному тракту сигнал U(t) претерпевает линейные и нелинейные искажения и на него накладывается помеха n(t), таким образом, в приемную часть поступает искаженный сигнал . В приемной части производится разделение канальных сигналов с помощью полосовых разделительных фильтров Ф1, Ф2, Фn, т.е. из группового сигнала выделяют канальные сигналы Первичные сигналы восстанавливаются демодуляторами Д1, Д2, … Дn с использованием частот, равными частотам несущих на передаче. ФНЧ подавляют высокочастотные паразитные продукты демодуляции. Рис.7.3 - Планы частот в ее характерных точках СП с ЧРК Сигналы на входе каналов из-за искажений в тракте передачи, не идеальности аппаратуры и наложения помех отличаются от первичных сигналов Ci(t). Качество связи определяется критерием близости сигналов Ci(t) и , и зависит от вида передаваемых сообщений и свойств получателя. Условием разделимости канальных сигналов СП с ЧРК является их ортогональность, т.е. , где Gi(f) – энергетический спектр i-го канального сигнала; fн и fв – границы полосы частот, отводимой в линейном тракте для i-го канального сигнала. Ширина частотного спектра группового сигнала f определяется числом каналов в системе передачи (N); шириной спектра канальных сигналов fi , а также частотными характеристиками затухания полосовых разделительных фильтров Ф1, Ф2, Фn. Рис.7.4 - Частотная характеристика затухания полосового разделительного фильтра СП с ЧРК Разделительные фильтры обеспечивают малое затухание в полосе пропускания (апр) и необходимую величину затухания в диапазоне эффективного задерживания (апод). Между этими полосами находятся полосы расфильтровки разделительных фильтров. Следовательно, канальные сигналы должны быть разделены защитными промежутками (fз), величины которых должны быть не меньше полос расфильтровки фильтров. Следовательно, ширина группового сигнала может быть определена по формуле так как затухание разделительных фильтров в полосе задерживания конечно (апод), то полное разделение канальных сигналов невозможно. Вследствие этого появляются межканальные переходные помехи, характер и уровень которых определяется качеством разделительных фильтров и видом модуляторов. Зная допустимый уровень межканальных помех и величину выделенного защитного интервала, формулируют требования к канальным полосовым фильтрам. В современных системах многоканальной телефонной связи каждому телефонному каналу выделяется полоса частот 4 кГц, хотя частотный спектр передаваемых звуковых сигналов ограничивается полосой от 300 до 3400 Гц, т.е. ширина спектра составляет 3,1 кГц. Между полосами частот соседних каналов предусмотрены интервалы шириной по 0,9 кГц, предназначенные для снижения уровня взаимных помех при расфильтровке сигналов. Это означает, что в многоканальных системах связи с частотным разделением сигналов эффективно используется лишь около 80% полосы пропускания линии связи. Кроме того, необходимо обеспечить высокую степень линейности всего тракта группового сигнала. Раздел 7.2. Групповой принцип построения систем передачи с ЧРК Системы передачи с частотным разделение каналов строятся на основе многократного преобразования частоты, при этом, на передаче исходный сигнал несколько раз перемещается по шкале частот. На приемной станции осуществляется аналогичное перемещение, но в обратном порядке. Преимущества многократного преобразования: - применение простых и дешевых фильтров; - возможность стандартизации оборудования в системах передачи с различным числом каналов. При многократном преобразовании частоты вводится понятие «виртуальной несущей частоты» - такой частоты несущего колебания, которая обеспечила бы перенос спектра первичного сигнала в заданный диапазон при однократном преобразовании сигнала. Принцип построения систем передачи с использованием многократного преобразования частоты и группообразования можно пояснить с помощью следующего рисунка: Рис. 7.5 - Принцип построения СП с использованием многократного преобразования частоты На 1-й ступени преобразования общее число каналов системы (N) разбивается на n2 группы по n1 каналов в каждой. В результате преобразования формируется групповой сигнал первичной группы из n1 каналов. Эта ступень преобразования называется индивидуальной. Вторая и последующие ступени преобразования являются групповыми. На 2-й ступени n2 одинаковых первичных групп преобразуются во вторичную группу, содержащую (n1n2) каналов, на следующей ступени образуют третичную группу, объединяющую (n1n2n3) каналов. При построении систем передачи с очень большим числом каналов можно использовать четверичные и пятеричные группы каналов, которые образуются путем объединения соответственно третичных и четверичных групп. В настоящее время аналоговые системы передачи предусматривают образование следующих широкополосных каналов: Предгрупповой канал с полосой частот 12..24 кГц взамен трех каналов ТЧ. Первичная группа (ПГ) - 12 каналов ТЧ, спектр 60...108 кГц. Образуется однократным преобразованием с помощью несущих частот 64, 68, 72, .., 108 кГц или двукратным преобразованием с помощью образования 4 трехканальных групп на несущих 12, 16, 20 кГц и их последующего преобразования на несущих 84, 96, 108, 120 кГц. Вторичная группа (ВГ) - 60 каналов ТЧ, спектр 312...552 кГц. Образуется из 5 ПГ с помощью несущих 420, 468, 516, 564, 612 кГц. Возможность параллельной работы фильтров обеспечивается их подключением через развязывающий блок параллельной работы первичных групп (ПРПГ). Третичная группа (ТГ) - 300 каналов ТЧ, спектр 812...2044 кГц. Образуется из 5 ВГ с помощью несущих (1364+(n-1)248) кГц, где n - номер ВГ в спектре ТГ. Четверичная группа (ЧГ) - 900 каналов ТЧ, спектр 8516..12388 кГц. Образуется из 3 ТГ. Может также формироваться из 15 ВГ. Кроме перечисленных каналов в системах передачи формируются каналы вещания и телевидения (со звуковым вещанием). Совокупность преобразовательного оборудования всех групп носит название каналообразующей аппаратуры. Ее назначение заключается в преобразовании индивидуальных сигналов в групповой сигнал одной из стандартных групп. Использование каналообразующей аппаратуры позволяет строить оконечную аппаратуру систем передачи различной емкости на основе стандартного преобразовательного оборудования и, следовательно, создавать унифицированное техническое оборудование. Вопросы для самоконтроля 1. Сущность частотного разделения каналов при построении многоканальных систем передачи. 2. Обосновать выбор амплитудной модуляции при формировании канальных сигналов в системах с ЧРК. 3. Способы передачи амплитудно-модулированных (АМ) сигналов. 4. Структурная схема способа передачи одной боковой полосы (ОБП). 5. Дать обоснование необходимости применения многократного преобразования частоты при построении СП с ЧРК. 6. Линейные искажения в трактах передачи группового сигнала СП с ЧРК и их оценка. 7. Нелинейные искажения в трактах передачи группового сигнала СП с ЧРК и их оценка. Лекция 8 Тема 8. Основы построения систем передачи с временным разделением каналов (ВРК) Раздел 8.1. Структурная схема системы передачи с ВРК Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы. В зарубежной литературе ВРК обозначается термином Time Division Multiply Access (TDMA). Поскольку передаваемые сигналы могут быть непрерывными аналоговыми и существовать одновременно, то необходимо представить их дискретными отсчетами в определенные моменты времени. Решить данную проблему позволяет теорема Котельникова В.А., которая гласит, что всякий непрерывный аналоговый сигнал с(t), спектр которого ограничен сверху значением Fмакс, может быть представлен последовательностью его мгновенных (дискретных) значений (отсчетов), следующих с частотой дискретизации Fд  2 Fмакс. Следовательно, можно поочередно передавать дискретные отсчеты первичных сигналов с1(t), с2(t), … сN(t), когда сначала передается импульс 1-го канала, затем 2-го канала и т.д. до последнего N-го канала, после чего опять передается импульс 1-го канала и процесс повторяется с периодом Тд = 1/Fд . На рис. 8.1 приведен пример временного разделения (уплотнения) в трехканальной системе. Передаваемые отсчеты сдвинуты относительно друг друга на интервал времени Тки = Тд /N, называемый канальным интервалом или тайм-слотом (Time Slot). В примере число каналов системы передачи N = 3, поэтому период дискретизации разделен на три части. Таким образом, импульсы (дискретные отсчеты) каждого индивидуального канала повторяются циклически через период дискретизации, поэтому Тд также называется циклом передачи Тц. Рис.8.1 - Принцип временного разделения каналов На приемной стороне дискретные отсчеты поочередно подключаются к соответствующим каналам, в которых импульсные сигналы преобразуются с помощью ФНЧ в непрерывные аналоговые сигналы с1’(t), с2’(t),… сi’(t),… сN’(t), которые отличаются от исходных с1(t), с2(t), … сi(t), … сN(t) из-за искажений при передаче и воздействия помех. Причем эти отличия не должны превышать заданных (допустимых). На рис.8.2 приведена структурная схема многоканальной системы передачи, реализующая принцип временного разделения каналов. Рис.8.2 - Структурная схема многоканальной системы с ВРК Раздел 8.2. Формирование канальных сигналов Ключевые элементы амплитудно-импульсных модуляторов АИМ1, АИМ2, АИМ3 поочередно замыкаются на время длительности канального интервала КИ-1, КИ-2, КИ-3 (рис.Л5-3), формируя импульсные сигналы сi(t) в каждом канале. Импульсы АИМ-сигналов разных каналов сдвинуты друг относительно друга по времени на длительность канального интервала. Синхронно с модуляторами в соответствующем канале замыкаются ключевые элементы демодуляторов ДМ1, ДМ2, ДМ3. Принятая последовательность амплитудно-модулированных импульсов в каждом канале поступает на соответствующий фильтр нижних частот ФНЧ, где формируется непрерывный аналоговый сигнал сi’(t). При объединении индивидуальных каналов в канале (линии) связи образуется групповой сигнал с(t) с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов (рис.8.3,г). Рис.8.3 - Временная диаграмма работы системы с ВРК Амплитудно-импульсные модуляторы могут работать в двух режимах: АИМ-1 и АИМ-2. При амплитудно-импульсной модуляции первого рода (АИМ-1) вершина импульса повторяет исходный модулирующий сигнал на длительности канального интервала. При амплитудно-импульсной модуляции второго рода (АИМ-2) амплитуда импульса равна начальному значению модулирующего сигнала и остается постоянной на всей длительности канального интервала. Спектр АИМ сигнала Sаим(f) при модуляции сигналом C(f) со спектром, ограниченным нижней Fмин и верхней Fмакс граничными частотами приведен на рис. 8.4. Спектр содержит исходный модулирующий сигнал C(f), гармоники частоты дискретизации Fд, 2 Fд, …, с нижней (от Fд – Fмакс до Fд – Fмин) и верхней (от Fд + Fмин до Fд + Fмакс) полосами частот при Fд, с нижней (от 2Fд – Fмакс до 2Fд – Fмин) и верхней (от 2Fд + Fмин до 2Fд + Fмакс) при 2Fд и т.д. Таким образом, в спектре АИМ-сигнала Sаим(f) содержится исходный информационный сигнал C(f). Поэтому на приемной стороне из АИМ-сигнала можно выделить информационный с помощью фильтра нижних частот ФНЧ. Из-за не идеальности ФНЧ необходимо обеспечить полосу расфильтровки ΔFр, как показано на рис. 8.4б. Рис.8.4 - Спектр АИМ-сигнала Из рис.Л5-4 следует, что Fмакс + ΔFр = Fд – Fмакс или Fд = 2Fмакс + ΔFр, т.е. частота дискретизации Fд  2 Fмакс, что соответствует теореме Котельникова В.А. Знак равенства выполняется для полосы расфильтровки ΔFр = 0, что возможно только при идеальном фильтре. Для каналов тональной частоты частота дискретизации выбирается равной Fд = 8 кГц, следовательно, при передаче по каналу телефонного сигнала с полосой частот ΔF = 0,3…3,4 кГц полоса расфильтровки составит ΔFр = (8 – 6,8) кГц = 1,2 кГц. Раздел 8.3. Переходные влияния между каналами систем передачи с ВРК При временном разделении, так же как и при ЧРК существуют взаимные помехи, в основном обусловленные двумя причинами. Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и не идеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов. Иначе говоря, между каналами возникают взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция. Кроме того, взаимные помехи могут возникать за счет несовершенства синхронизации тактовых импульсов на передающей и приемной сторонах. В силу данных причин временное разделение каналов на основе АИМ не получило практического применения. Временное разделение широко используют в цифровых системах передачи плезиохронной и синхронной иерархий, которые будут подробно рассмотрены ниже. Вопросы для самоконтроля 1. Выбор частоты для дискретизации по времени непрерывного первичного сигнала. 2. Структурная схема СП с ВРК. Временные диаграммы в контрольных точках. 3. Дать сравнительную характеристику методов импульсной модуляции при формировании канальных сигналов в системах с ВРК. 4. Причины возникновения переходных помех в СП с ВРК. Лекция 9 Тема 9. Построение цифровых систем передачи Раздел 9.1. Импульсно-кодовая модуляция. Квантование сигнала по уровню Сигнал ИКМ и аналогового получают в 3 этапа: 1) Дискретизация по времени. 2) Квантование полученных отсчетов по уровню. 3) Кодирование. Квантование по уровню предполагает деление всего возможного диапазона амплитуд сигнала (динамического) на отрезки, называемые шагами квантования. Внутри каждого шага выбирают разрешенный для передачи уровень. Рис.9.1- Квантование АИМ-сигнала по уровню Раздел 9.2. Шумы квантования При квантовании, каждый отсчет округляется до ближайшего, разрешенного к передаче уровня. В результате получают квантованные отсчеты. В результате получаем многоуровневый цифровой сигнал. Амплитуды квантованных отсчетов отличающиеся от АИМ отсчетов. В результате возникают искажения и помехи, которые называют шумом квантования. Шум квантования: Мощность шума квантования зависит от шага квантования. Для уменьшения этой мощности необходимо уменьшать шаг квантования. Раздел 9.3. Кодирование квантованных отсчетов Разрядность кода определяется по формуле: Ц – целое число. Квантование по уровню производится с целью определения разрядности кода. Тогда, число возможных значений сигнала можно определить, если известна разрядность выбранного кода: Обычная стандартная разрядность кода в ЦСП с ИКМ равна 8. Кодовая комбинация определяет номер разрешенного для передачи уровня, которого достиг квантуемый отсчет. Квантованное значение сигнала может быть определено по формуле: где: – кодовый символ разряда (0 или 1). Например: Пусть нужно закодировать номер уровня 53: Рис. 9.2 Качество переданной информации определяется параметром помехозащищенности. При выбранной разрядности кода и выбранном шаге квантования, мощность шума квантования – величина постоянная, а значит и уровень постоянный. Помехозащищенность сигнала при равномерном квантовании зависит от величины сигнала. Т.е. чем меньше сигнал, тем помехозащищенность меньше. Для повышения помехозащищенности связи необходимо повысить помехозащищенность тех сигналов, вероятность появления которых в канале больше, т.е. слабых сигналов. С этой целью применяют неравномерное квантование. В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в СП полоса эффективно передаваемых частот F=3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение частоты дискретизации f0=1/ТД=2F=6200 Гц. Однако в реальных системах частоту дискретизации выбирают с некоторым запасом: f0=8 кГц. При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме Котельникова из соотношения (без учета канала синхронизации) tK=T0/N=1/(2NF)= 1/(2FОБЩ), где FОБЩ=FN, что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении. Хотя теоретически временное и частотное разделения позволяют получить одинаковую эффективность использования частотного спектра, тем не менее, пока что системы временного разделения уступают системам частотного разделения по этому показателю. Вместе с тем, системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения. Кроме того, аппаратура временного разделения значительно проще, чем при частотном разделении, где для каждого индивидуального канала требуются соответствующие полосовые фильтры, которые достаточно трудно реализовать средствами микроэлектроники. В сетях с коммутацией каналов, в отличие от сетей с коммутацией пакетов нет общей модели, подобной модели OSI или TCP/IP, хотя набор и иерархия сетевых протоколов и скоростей передачи также существует. Изначально сети с коммутацией каналов создавались для передачи телефонного трафика. Для передачи по линии связи телефонного сигнала с полосой частот ΔFс = 0,3 … 3,4 кГц должен быть сформирован канал тональной частоты с шириной полосы пропускания ΔFк = 4 кГц. В цифровых системах ВРК частота дискретизации телефонного сигнала в соответствие с теоремой Котельникова при этом составит Fд = 8 кГц. При использовании 8-разрядного кода информационный поток равен 64 кбит/сек и получил название основной цифровой канал (ОЦК). Объединение 32 ОЦК (30 рабочих и 2 служебных) создает первичный цифровой канал (ПЦК) со скоростью 2048 кбит/сек. В Европейской системе плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH) ПЦК обозначается Е1. Мультиплексирование (объединение) 4-х потоков Е1 создает вторичный поток Е2. Четыре потока Е2 формируют третичный поток Е3, а при мультиплексировании четырех потоков Е3 получают поток Е4. Иерархия скоростей передачи PDH приведена в табл. 2.1. Раздел 9.4. Виды синхронизации в цифровых системах передачи В цифровых системах передачи (ЦСП), к которым относятся многоканальные системы ВРК ИКМ, групповой сигнал представляет собой последовательность кодовых комбинаций (см. рис.8.3). Канальные интервалы, содержащие 8 двоичных разрядов, циклически повторяются через период дискретизации, который также называется циклом передачи. Таким образом, за цикл передачи передаются кодовые комбинации всех N каналов. Для систем, передающих речевые сигналы с полосой ΔF = 0,3…3,4 кГц, длительность цикла составляет Тц = Тд = 125 мкс, а частота Fд = 8 кГц. На практике широкое распространение получили системы передачи, в которых объединяются 30 рабочих каналов (ИКМ-30). Помимо 30 рабочих каналов цикл передачи включает также два служебных канала. Следовательно, цикл передачи содержит 32 канальных интервала (рис.9.3), а частота следования канальных интервалов составляет Fки = Fд N = 8 кГц * 32 = 256 кГц. Каждый канальный интервал содержит m = 8 двоичных разрядов, которые следуют с тактовой частотой Fт = Fки m = Fд N m = 256 кГц * 8 = 2048 кГц. Таким образом, первичный цифровой поток Е1 образуется путем мультиплексирования 32 каналов ОЦК, его скорость передачи информации составляет Е1 → m Fд N = 8 бит × 8 кГц × 32 = 2048 кБит/c. (9.1) Полоса частот группового сигнала ИКМ примерно соответствует скорости передачи цифрового потока ΔF = Fд N m, кГц. Рис. 9.3 - Структура цикла системы ВРК ИКМ-30 В нулевых канальных интервалах (рис.9.3) размещается код цикловой синхронизации, например, 0011011, в шестнадцатых канальных интервалах – код сигналов управления и взаимодействия (СУВ) со станцией, а также сигнал сверхцикловой синхронизации. На рис. 9.4 приведен пример передаваемой последовательности кодов в канальных интервалах КИ31, КИ0, КИ1… Цикловая синхронизация необходима, чтобы задать начало цикла, т.е. определить момент начала информационных разрядов последовательности рабочих каналов. Поскольку частота следования циклов кратна тактовой частоте Fт, то частота цикловой синхронизации образуется путем деления тактовой частоты (Fц = Fт /N m). Рис.9.4 - Передаваемая последовательность кодов ИКМ-30 Тактовая частота выделяется непосредственно из спектра информационного сигнала. Энергетический спектр ИКМ сигнала приведен на рис.9.5. Спектр содержит постоянную составляющую G0, дискретную Gд(ω) и непрерывную информационную Gи(ω) составляющие. Рис.9.5 - Энергетический спектр ИКМ-сигнала Дискретная составляющая представлена гармониками ωт, 3ωт, … тактовой частоты. Поэтому тактовая частота ωт может быть выделена из спектра ИКМ-сигнала с помощью узкополосного фильтра (УПФ). Сигналы управления и взаимодействия СУВ содержат служебную информацию для рабочих каналов. В одном байте канального интервала 16 обычно помещается информация для двух каналов, поэтому необходимо использовать 16 циклов, чтобы передать служебную информацию о всех каналах. Указанные 16 циклов образуют сверхцикл, начало которого определяется кодом сверхцикловой синхронизации. Таким образом, сигналы цикловой и сверхцикловой синхронизации представлены многоразрядными кодовыми комбинациями, расположенными в определенных канальных интервалах цикла системы ВРК ИКМ. При передаче информации существует вероятность того, что информационная кодовая комбинация совпадет с кодовой комбинацией, например, цикловой синхронизации. Однако рабочие информационные кодовые комбинации с каждым циклом изменяются, а коды синхронизации остаются неизменными. Поэтому для предотвращения ложного определения начала цикла повторную проверку кодовой комбинации, соответствующей коду синхросигнала, проводят через период цикла Тц. Если кодовая комбинация синхросигнала через Тц повторяется, то принимается решение о синхросигнале. Причем, подобная проверка повторяется многократно. Раздел 9.5. Обобщенная структурная схема цифровой ситемы передачи Реализацию выше указанных принципов осуществляет оконечная станция ВРК ИКМ, структурная схема которой приведена на рис. 9.6. Передаваемый информационный сигнал поступает от абонента через дифференциальную систему ДС на фильтр нижних частот ФНЧ, который ограничивает спектр сигнала, подавляя высокочастотные импульсные помехи. С выхода ФНЧ сигнал поступает на амплитудно-импульсный модулятор АИМ1, в котором производится дискретизация непрерывного аналогового сигнала с частотой Fд, задаваемой генераторным оборудованием передатчика ГОпер. Групповой сигнал в виде амплитудно-модулированных импульсов всех каналов (АИМ1,…АИМN) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который осуществляет квантование и кодирование импульсных сигналов с тактовой частотой Fт. Рис.9.6 - Структурная схема ВРК ИКМ С выхода аналого-цифрового преобразователя цифровой сигнал поступает на формирующее устройство (ФУ), где к 30 рабочим каналам добавляются два служебных КИ0, КИ16. Для снижения влияния линейных искажений код, сформированный в ФУ, подвергается перекодировке в передающем устройстве ПКпер и передается по линии связи. Вопросы для самопроверки 1. Обосновать необходимость квантования сигнала по уровню при формировании цифрового сигнала. 2. шумы квантования, их физическая сущность и оценка. 3. Преимущества неравномерного квантования сигнала по уровню. 4. Двоичные коды, применяемые при формировании цифрового сигнала. 5. Структурная схема оконечной станции ЦСП с ИКМ. Назначение элементов схемы. 6. Построение временного цикла ЦСП с ИКМ. Лекция 10 Тема 10. Способы объединения цифровых потоков Раздел 10.1. Объединение цифровых потоков в плезиохронной цифровой иерархии Объединение цифровых потоков может быть побитным и побайтным. Первое используется в системах плезиохронной цифровой иерархии PDH, второе – в системах синхронной цифровой иерархии SDH. При побитном объединении потоков в ЦСП обычно используется временное уплотнение, когда длительность информационных импульсов уменьшается во столько раз, сколько потоков объединяется. При объединении 4 потоков (рис. 10.1) тактовые интервалы Тт1 объединяемых потоков, следующие с частотой Fт1, уменьшаются в 4 раза, т.е. у суммарного потока их частота возрастает в 4 раза до Fт2. Рис. 10.1 В суммарном потоке в течение интервала Тт1 сначала передается символ первого объединяемого потока I, потом второго II, третьего III и четвертого потока IV. Затем все повторяется в следующем тактовом интервале. Структурная схема объединения цифровых потоков приведена на рис. 10.2. В схеме используются мультиплексоры MUX, которые объединяют (уплотняют) потоки на передающей стороне и разделяют суммарный поток на составляющие компоненты на приемной стороне. Рис.10.2 - Структурная схема объединения цифровых потоков При объединении четырех потоков Е1, имеющих скорости 2048 кбит/с, образуется поток Е2 (ИКМ-120). В цикле потока Е1 содержится 32 канальных интервала по 8 бит, т.е. 256 бит. Поэтому в цикле потока Е2 содержится 256 бит × 4 = 1024 информационных бита и дополнительно служебных 32 бита, т.о. скорость передачи вторичного потока будет Е2 →(1024+32) бит × 8 кГц = (2048×4+256) кБит/c = 8448 кБит/c. Рис.10.3 – Иерархия ЦСП Кадр цикла (временной спектр) потока Е2 (рис. 10.4) представлен 4 субциклами по 264 бита. Первый субцикл содержит 8 бит цикловой синхронизации объединенного потока Е2 и 256 бит информации посимвольно объединяемых потоков – с 9 по 264. Во втором и третьем субциклах с 9 по 264 разряд также занимают символы объединяемых потоков. При отрицательном согласовании скоростей удаляется символ «В» объединяемого потока. При положительном согласовании скоростей добавляется вставка (стаффинг). КСС положительного согласования – 111, отрицательного согласования – 000. Операция согласования скоростей производится не чаще, чем через 78 циклов, поэтому биты 5 – 8 и 9 – 12 четвертого субцикла могут использоваться для передачи информационных битов объединяемых потоков. Следовательно, из 1056 бит кадра цикла информационными могут быть 10244 разряда. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 … 263 264 1 1 1 0 0 1 1 0 Цикловая синхронизация I II III IV I II … III IV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 … 263 264 I II III IV 1-е символы КСС Служебная связь I II III IV I II 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 … 263 264 I II III IV 2-е символы КСС Спецсигналы I II III IV I II … III IV 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 … 263 264 I II III IV 3-и символы КСС I II III IV Доп.информац. при отриц. СС I II III IV Вставки при положит. СС I II … III IV Рис.10.4 - Кадр цикла потока Е2 Поскольку команды согласования скоростей очень важны при объединении потоков, то они трижды дублируются во 2-ом, 3-ем и 4-ом субциклах. Третичный цифровой поток Е3 (ИКМ-480) образуется путем мультиплексирования четырех вторичных потоков с добавлением служебной информации третичного потока и его скорость составляет Е3 → (8448×4+576) кБит/c = 34368 кБит/c. Четвертичный цифровой поток Е4 (ИКМ-1920) образуется путем мультиплексирования четырех третичных потоков с добавлением служебной информации четвертичного потока и его скорость составляет Е4 → (34368×4+1792) кБит/c = 139264 кБит/c. Помимо европейского стандарта плезиохронной цифровой иерархии (Е1, Е2, Е3, Е4) существуют также североамериканский и японский стандарты, в которых первичный цифровой поток Т1 со скоростью 1544 кбит/с образуется путем мультиплексирования 24 потоков ОЦК. Коэффициент мультиплексирования вторичного потока Т2 равен 4, скорость потока 6312 кбит/c. Коэффициенты мультиплексирования следующих потоков в североамериканском и японском стандартах различаются. Существенным недостатком систем плезиохронной цифровой иерархии является необходимость добавления дополнительной служебной информации в объединенном потоке. Это не дает возможности выделять произвольный компонентный поток из агрегированного потока, например, любой поток Е1 из потока Е4. Для выделения произвольного компонентного потока из агрегированного необходимо провести полное демультиплексирование агрегированного потока: сначала демультиплексировать поток Е4 на четыре потока Е3, затем демультиплексировать Е3 на потоки Е2, и только потом демультиплексировать Е2 на потоки Е1 и выделить интересующий пользователя поток. Раздел 10.2. Объединение цифровых потоков в синхронной цифровой иерархии Информационной единицей систем передачи синхронной цифровой иерархии SDH является синхронный транспортный модуль СТМ (Synchronous Transport Module – STM). Транспортные модули циклически повторяются с периодом 125 мкс (с частотой 8 кГц). Нумерация модулей STM-1, STM-4, STM-16, STM-64, STM-256 отображает коэффициент мультиплексирования и уровень иерархии. Синхронный транспортный модуль первого уровня иерархии STM-1 характеризуется скоростью передачи 155,52 Мбит/с, STM-4 – скоростью 622,08 Мбит/с, STM-16 – скоростью 2488,32 Мбит/с. Таким образом, при мультиплексировании потоков систем SDH дополнительно служебная информация в объединенный поток не вводится, что позволяет выделять произвольный компонентный поток из агрегированного потока. Вся дополнительная служебная информация в объединенный поток вводится на уровне модуля STM-1. Структурная схема мультиплексирования потоков PDH европейского стандарта в агрегатный модуль уровня N (STM-N) приведена на рис.10.5. Рис.10.5 - Структурная схема мультиплексирования потоков PDH Поток Е1 (2048 кбит/с) представляет собой циклическое сообщение в 32 байта следующее с частотой 8 кГц (период 125 мкс). Путем добавления 2 выравнивающих байт информации (операция выравнивания) к 32 байтам первичного потока образуется контейнер С-12. Аналогично третичный поток Е3 преобразуется в контейнер С-3, а четвертичный цифровой поток – в контейнер С-4. Затем к контейнерам С-12, С-3, С-4 добавляется трактовый заголовок (Path Over Head – POH), при этом реализуется операция размещения и формируются виртуальные контейнеры VC-12, VC-3, VC-4. Трактовый заголовок VC-12 размером в 1 байт содержит маршрутную информацию, обеспечивающую контроль качества передачи. Операция размещения заключается в размещении информации на определенных позициях виртуального контейнера, при этом информация чередуется с битами трактового заголовка. Виртуальный контейнер VC-12 преобразуется в компонентный блок (Tributary Unit) уровня TU-12 путем добавления указателя PTR (PoinTeR) размером в 1 байт. Виртуальный контейнер VC-3 при добавлении указателя PTR преобразуется в компонентный блок уровня TU-3, а виртуальный контейнер VC-4 – в агрегатный блок AU-4. Три компонентных блока TU-12 мультиплексируются в групповой компонентный блок (Tributary Unit Group) второго уровня TUG-2. Таким образом, TUG-2 будет включать 3 потока Е1 и служебную информацию, следующих с периодом 125 мкс. В свою очередь, семь блоков TUG-2 мультиплексируются в групповой компонентный блок третьего уровня TUG-3, в котором дополнительные 18 байт занимает служебная информация. TUG-3 будет включать 21 поток Е1. Групповой компонентный блок третьего уровня TUG-3 может также образован из компонентного блока TU-3 с коэффициентом мультиплексирования равным 1. Путем мультиплексирования 3 блоков уровня TUG-3 образуется виртуальный контейнер уровня VC-4, который, как было отмечено выше, может быть сформирован непосредственно из контейнера С-4. При формировании виртуального контейнера VC-4 добавляется трактовый заголовок в 9 байт и 18 байт пустого поля. Виртуальный контейнер VC-4 преобразуется в административный блок AU-4, который затем преобразуется в групповой административный блок AUG-4 с коэффициентом мультиплексирования 1. Синхронный транспортный модуль уровня N (STM-N) реализуется путем мультиплексирования блоков AUG-4 и добавления заголовка регенерационной секции (Regeneration Section Over Head - RSOH) и заголовка мультиплексной секции (Multiplex Section Over Head - MSOH). Таким образом, виртуальный контейнер VC-4 и STM-1 будут содержать либо 63 потока Е1, либо 3 потока Е3, либо 1 поток Е4. Уместно напомнить, что поток Е4 системы PDH содержит 4 потока Е3 или 64 потока Е1. Потеря 1 потока Е1 или 1 потока Е3 – это плата за возможность извлекать любой произвольный компонентный поток, например, Е1 (или Е3) из потока STM-1 без полного демультиплексирования агрегированного потока, как это было в системе PDH. Вопросы для самоконтроля 1. Какие виды модуляции применяются в ЦСП с ИКМ? 2. Требования, предъявляемые к устройствам тактовой синхронизации. 3. Принципы, на которых реализуется цикловая синхронизация. 4. Способы объединения цифровых потоков. 5. Временное группообразование в плезиохронной цифровой иерархии Лекция 11 Тема. 11. Основы построения волоконно-оптических систем передачи Раздел 11.1. Особенности передачи электромагнитных колебаний по оптическому кабелю В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) применяют электромагнитное излучение инфракрасного диапазона с длиной волны более 760 нм (видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн 380...760 нм). Электромагнитное излучение передается вдоль оптического волокна (ОВ), которое расположено внутри волоконно-оптического кабеля. Волоконно-оптический кабель, используемый в сетях телекоммуникаций, может содержать от 2 до 48 (и даже больше) отдельных волокон. Два волокна оптического кабеля, упакованных в изолирующую защитную оболочку, обеспечивают полно-дуплексную связь: одна жила кабеля – для передачи, вторая – для приема. Достоинством волоконно-оптического кабеля является отсутствие необходимости скручивания волокон или их экранирования, т.е. отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk) и взаимное влияние между волокнами. Оптические волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую структуру в виде сердцевины (оптического световода) и оболочки (рис. 11.1). Причем, сердцевина и оболочка имеют разную оптическую плотность или показатель преломления n. Чем больше оптическая плотность материала, тем больше замедляется свет по сравнению со скоростью в вакууме. Значение показателя преломления сердцевины n1 выше показателя преломления n2 оболочки (n1 > n2). Рис.11.1 - Конструкция оптического волокна Передача оптического излучения по световоду реализуется за счет свойства полного внутреннего отражения, которое обеспечивается неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки n1>n2, при этом сердцевина с большим показателем преломления является оптически более плотной средой. Когда луч света 1 (рис.11.2) падает на границу раздела двух прозрачных материалов с коэффициентами преломления n1 и n2, причем n1 > n2, свет делится на две части. Часть светового луча отражается назад в исходную среду (сердцевину) с углом отражения 3 равным углу падения 1. Рис.11.2 - Отражение и преломление лучей света Другая часть энергии светового луча пересекает границу раздела двух сред и вступает во второе вещество (оболочку) под углом 2. Эта часть энергии, попавшая в оболочку, характеризует потери энергии, которая должна была распространяться по сердцевине. При увеличении угла падения 1 возрастает угол преломления 2. При некотором значении угла 1, называемом критическим кр, луч 2 (рис. 11.2) не преломляется; часть его отражается, а часть скользит вдоль границы раздела, т.е. угол преломления равен о. При условии, что угол падения будет больше критического 1 > кр и n1 > n2, например луч 3 на рис. 11.2, наступает эффект полного внутреннего отражения, когда вся энергия светового луча остается внутри сердцевины с коэффициентом преломления n1, т.е. луч света распространяется по световоду без потерь на большое расстояние. Таким образом, для полного внутреннего отражения необходимо выполнение условий: 1 > кр, n1 > n2. Диапазон углов падения лучей света (рис.11.2), входящих в волокно, при котором реализуется первое условие полного внутреннего отражения, называется числовой апертурой волокна (numerical aperture of the fiber). Лучи света должны входить в сердцевину только под углом, находящимся внутри числовой апертуры волокна (рис.11.3). Поскольку лучи входят под разными углами, то они отражаются от границы раздела сердцевины и оболочки под разными углами и проходят разное расстояние до устройства назначения (рис.13.2, 13.3а). Эти составляющие лучей света называются модами. Возникновение мод возможно, если диаметр сердцевины сравнительно большой (рис.13.3а). Такое волокно называется многомодовым (multimode). В стандартном многомодовом оптическом кабеле используется сердцевина диаметром 62,5 или 50 микрон и оболочка диаметром 125 микрон. Такие кабели обозначаются 62,5/125 или 50/125. Рис.11.3 - Многомодовое (а) и одномодовое (б) волокно Наличие многих мод приводит к появлению межмодовой дисперсии (размыву) передаваемого импульсного сигнала. Из-за дисперсии снижается скорость передачи данных, т.к. размытые импульсы накладываются друг на друга, и уменьшается расстояние, на которое можно передать данные. Для снижения влияния многих мод на величину дисперсии при большом диаметре сердцевины разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления. В зависимости от вида профиля показателя преломления сердцевины различают ступенчатые и градиентные ОВ. В отличие от ступенчатых ОВ, в которых показатель преломления сердцевины постоянен (рис. 11.4, а), в градиентных ОВ показатель преломления сердцевины плавно меняется вдоль радиуса от максимального значения на оси до значения показателя преломления оболочки (Рис. 11.4, б). Рис. 11.4 - Профиль показателя преломления ступенчатого (а) и градиентного (б) ОВ Одномодовое волокно (singlemode) имеет меньший диаметр сердцевины, что позволяет только одной моде луча света распространяться по сердцевине вдоль оси волокна (рис.11.4б). Диаметр сердцевины одномодового волокна уменьшен до восьми – десяти микрон. Обычно одномодовое волокно маркируют следующим образом – 9/125. Это означает, что диаметр сердцевины составляет 9 микрон, а оболочки – 125 микрон. Одномодовое волокно более дорого по сравнению с многомодовым. Однако в одномодовых кабелях выше скорость передачи данных и больше расстояние, на которое могут быть переданы данные. В одномодовом волокне межмодовая дисперсия отсутствует. Однако, существует хроматическая дисперсия, которая характерна как для многомодового, так и для одномодового волокна. Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что волны света разной длины проходят через оптическое волокно с различными скоростями. В идеале светодиод или лазер должны генерировать свет только одной частоты, тогда хроматической дисперсии не было бы. К сожалению, лазеры и особенно светодиоды генерируют целый спектр частот (длин волн). Поэтому хроматическая дисперсия ограничивает расстояние и скорость передачи данных. На сигналы в волоконно-оптическом кабеле не влияют источники внешнего шума, которые вызывают проблемы в медных кабелях. Кроме того, передача света по одному волокну в кабеле не оказывает влияния на другое волокно. Это означает, что отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk). Качество оптических волокон настолько высокое, что расстояние передачи, определенное стандартом Gigabit Ethernet составляет до 5 км, а стандартом 10Gigabit Ethernet - до 40 км, что намного превышает традиционную двухкилометровое расстояние сегмента Ethernet. Поэтому волоконно-оптические линии связи используются в городских Metropolitan Area Networks (MANs) и глобальных сетях Wide Area Networks (WANs). В многоканальных системах передачи технологии SDH расстояние без использования регенераторов превышает100 км. Раздел 11.2. Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи Рис.11.5 - Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи Под оптической системой передачи понимают цифровую систему, работающего по оптическому кабелю. Формирование многоканального сигнала на передаче и разделение каналов на приеме осуществляется стандартным оборудованием конечных станций цифровых систем передачи с ИКМ, следовательно на оптический передатчик поступает стандартный цифровой поток соответствующего уровня иерархии. Согласующее устройство оптического передатчика преобразует сигнал (код) в форму, удобную для передачи по ОВ. Далее групповой сигнал поступает либо на источник излучения, либо на оптический модулятор в зависимости от выбранного входа модуляции Передающая оптическая система обеспечивает эффективный ввод оптического сигнала в оптический кабель. В линии через определенное расстояние устанавливают такие же линейные регенераторы для восстановления параметров сигнала. Оптический приемник осуществляет обратные операции. Приемная оптическая система осуществляет эффективный выбор оптической мощности из оптического кабеля. Фотоприемник преобразует сигнал из оптической в электрическую форму. Согласующее устройство приемника преобразует сигнал в форму, соответствующую цифровому потоку системы с ИКМ. Полоса пропускания кабеля зависит от типа оптического волокна, а также неравномерности отдельных составляющих светового потока. В качестве источника излучения могут быть использованы: светодиод или полупроводниковый лазер. Светодиод (достоинства): низкая стоимость, большой срок службы, простота модуляции оптической несущей. Недостатки: малая мощность. Излучение: до 1 МВт, низкий КПД соединения с оптическим кабелем. Полупроводниковый лазер: высокая мощность излучения 10-ки милливатт, высокий КПД соединения с оптическим кабелем. Недостатки: высокая стоимость, короткий срок службы, необходимость температурной стабилизации. Поэтому предпочтительным источником излучения является светодиод. Вид сигнала, который передается по ОВ выбирают с учетом особенностей оптического линейного тракта, т.к. излучение устройств носит шумовой характер, то обычно осуществляют модернизацию оптической несущей по интенсивности излучения. При выборе линейного сигнала учитывают то, что оптическая мощность может быть только положительна, т.е. нельзя использовать квазитроичные коды (с ЧПИ). Следует отметить, что регенерация линейного сигнала остается в электрическим виде, т.е. на входе линейного регенератора обязательно установлен фотоприемник, а на выходе источник излучения и схема регенерации ничем не отличается от регенератора ЦСП и ИКМ. Наиболее перспективный вариант построения линейного тракта – это применение оптических усилителей. Но через несколько оптических усилителей устанавливают регенератор для поддержания требуемой помехозащищенности. Длина регенерационного участка оптической системы передачи определяется, исходя из уровня Рпер на выходе оптического передатчика потерями а в оптическом кабеле на минимальной мощностью на входе оптического приемника Рпр. min. Длину регенерационного участка выбирают так, чтобы Рпер. - а  Рпр. min. Суммарные потери в оптическом кабеле: а = аок ·lру + авв + анс, где анс – потери на неразъемных соединениях. Рпер. – (аок ·lру + авв + анс)  Рпр. min. Из этого соотношения определяют максимально допустимую длину регенерационного участка. Длина регенерационного участка ограничивается так же дисперсионными свойства оптического волокна lрег  0.25/Bσ, где В – скорость передачи информационного сигнала, σ – среднеквадратическое уширение импульса оптического сигнала в оптическом кабеле длиной 1 км. Длина регенерационного участка выбирается при одновременном выполнении двух условий. Достоинства оптической системы передачи: 1) малые потери энергии в ОВ, длина регенерационного участка увеличивается до сотен км. 2) Потенциально низкая стоимость линейного тракта. 3) Широкая полоса пропускания 4) Низкая чувствительность к внешним электромагнитным влияниям Малогабаритное оборудование Раздел 11.3. Уплотнение оптических кабелей Спектральное уплотнение. Подавляющее большинство ВОСП использует одно ОВ для передачи излучения одной рабочей длины волны. Существенного увеличения суммарной емкости системы можно достичь передачей в одном волокне излучения нескольких рабочих длин волн. Данная технология называется спектральным уплотнением, и, фактически, представляет собой реализацию на новом технологическом уровне принципа ЧРК. Основной сложностью в реализации спектрального уплотнения является создание оптического разветвителя на несколько входов/выходов с малыми потерями (затуханиями) при вводе/выводе оптического излучения. Широкое применение технологии спектрального уплотнения в настоящее время ограничено в виду относительно малой стоимости отдельного ОВ в оптическом кабеле и пока еще относительно малой потребности в очень высоких (сотни и тысячи Гбит/с) скоростях передачи. В качестве примера реализации можно привести систему OLC фирмы Lucent: в третьем окне прозрачности 1,55 мкм (см. рис. 11.6) передаются излучения восьми рабочих длин волн. Каждая оптическая несущая несет цифровой сигнал со скоростью 2,5 Гбит/с (сигнал STM-16) и в результате скорость цифрового потока в одном волокне составляет более 20 Гбит/с. Японскими специалистами предложена система, работающая в том же окне прозрачности, но имеющая 132 оптических несущих, каждая из которых несет цифровой сигнал со скоростью 20 Гбит/с (сигнал STM-64). Скорость цифрового потока в одном волокне составляет более 2640 Гбит/с. Волоконно-оптический кабель оканчивается разъемами или коннекторами, чтобы волокно можно было подключить к портам передатчика или приемника Наиболее часто с многомодовым волокном используются коннекторы типа Subscriber Connector (SC connector). С одномодовым волокном используется коннектор типа Straight Tip (ST). Внешний вид коннекторов приведен на рис.11.7. Рис.11.6 - Излучения восьми рабочих длин волн системы OLC фирмы Lucent в третьем окне прозрачности 1,55 мкм Рис. 11.7 - Внешний вид коннекторов В окне прозрачности 1550 нм стандартизовано несколько диапазонов длин волн на которых производится передача данных с использованием спектрального уплотнения по длине волны: - коротковолновый диапазон S (1460…1529 нм), - стандартный диапазон С (1529…1560 нм), - длинноволновый диапазон L (1560…1625 нм), - сверхдлинноволновый диапазон U (1625…1675 нм). В настоящее время в наибольшей мере освоен стандартный диапазон С. В диапазоне длин волн от min = 1528,77 нм до max = 1560,61 нм с интервалом примерно  = 0,8 нм (F = 100 ГГц) можно разместить 40 каналов системы спектрального уплотнения по длине волны. Точные значения частоты и соответствующей длины волны для каждого канала приведены на так называемом частотном плане системы (табл.11.1). Таблица 11.1 , нм 1528,77 1529,55 1530,33 … 1558,98 1559,79 1560,61 F, ТГц 196,1 196,0 195,9 … 192,3 192,2 192,1 При передаче потока данных со скоростью 10 Гбит/с ширина полосы передаваемого сигнала будет примерно 0,3 нм, относительная нестабильность волны (несущей) составляет 0,1 нм, ширина немодулированного спектра излучения (полоса расфильтровки) также составляет примерно 0,1 нм. Таким образом, для передачи одного потока необходима ширина полосы около 0,5 нм, что отвечает требованию размещения каналов через 0,8 нм. В настоящее время создаются системы передачи, в которых каналы располагаются через каждые 50 ГГц и даже 25 ГГц. При этом необходимо повышать стабильность несущего колебания, сужать полосу передаваемого информационного сигнала и полосу расфильтровки. Параметры систем телекоммуникаций могут задаваться как с использованием частоты и частотных интервалов, так и длины волны. Например, отклонение центральной частоты оптического канала при расстоянии между каналами 100 ГГц не должно превышать 10 ГГц, а при расстоянии между каналами 50 ГГц – не должно превышать  5 ГГц. Вопросы самоконтроля 1. Основные узлы волоконно-оптической линии передачи. 2. Преимущества применения оптического кабеля для организации линий передачи. 3. В каких окнах прозрачности оптического волокна организуются оптические тракты и каналы? Лекция 12 Тема 12. Основные узлы оптических систем передачи Раздел 12.1. Лазеры и светодиоды В качестве источников света для оптических кабелей используются два типа устройств: - Светодиоды (light emitting diode - LED), которые генерируют инфракрасный свет (infrared light) с длиной волны либо 850нм, либо 1310 нм. Светодиоды используются с многомодовым волокном. Для ввода луча света в волокно применяется фокусировка с помощью объективов. Светодиоды несколько дешевле лазеров, однако передают импульсы света на меньшее расстояние. Многомодовое волокно со светодиодами способно передавать данные на расстояние до 2000 м. - Лазеры (Light amplification by stimulated emission radiation - LASER), генерирующие узкополосный инфракрасный луч с длиной волны либо 1310нм, либо 1550 нм. Лазеры используются с одномодовым волокном для передачи данных на большие расстояния в технологиях глобальных сетей и магистральных линиях связи локальных сетей технологий GigabitEthernet и 10GigabitEthernet. Приемник оптических сигналов преобразует принятые оптические импульсы в электрические сигналы, используя фотодиоды (p-intrinsic-n diodes - PIN photodiodes). Фотодиоды производятся для работы на длинах волн 850, 1310 или 1550 нм. Раздел 12.2. Затухание оптического излучения в ОВ Когда свет проходит через волокно, часть энергии теряется. Ослабление (затухание) сигнала происходит из-за нескольких факторов, среди которых важным является фактор рассеивания (scattering). Рассеивание света в волокне вызвано микроскопическими неоднородностями волокна, которые отражают и рассеивают часть лучистой энергии. Поглощение (Absorption) - другая причина потери световой энергии. Некоторые химические примеси в волокне поглощают часть энергии, которая преобразуется в повышение температуры. Следующий фактор, который ослабляет световой сигнал, вызван нерегулярностями или шероховатостями (roughness) на границе core-to-cladding. Мощность теряется, поскольку при шероховатой границе не выполняются условия полного внутреннего отражения. Любые микроскопические дефекты по толщине или симметрии волокна сокращают полное внутреннее отражение и оболочка (cladding) поглотит часть световой энергии. Затухание ОВ зависит от длины волны передаваемого сигнала. Характер зависимости затухания ОВ от рабочей длины волны приведена на рис. 12.2. Данная зависимость имеет три минимума, называемые окнами прозрачности. Исторически первым было освоено первое окно прозрачности на рабочей длине волны 0.85 мкм. Рис. 12.2. Спектральная характеристика коэффициента затухания ОВ Первые полупроводниковые излучатели (лазеры и светодиоды) и фотоприемники были разработаны именно для данной длины волны. Коэффициент затухания в первом окне значителен и составляет единицы дБ/км. Позднее были созданы излучатели и фотоприемники, способные работать на больших длинах волн (1,3 и 1,55 мкм). Современные системы связи обычно используют второе или третье окно с малыми коэффициентами затухания. Современная технология позволяет получить ОВ с коэффициентом затухания порядка сотых долей дБ/км. Длина усилительного участка в подобных системах, например OLC фирмы Lucent, достигает 120 км. Допускается последовательное соединение трех усилительных участков до регенерации сигналов. Таким образом, длина участка регенерации может составлять 360 км. Раздел 12.3. Оптические усилители Существенное увеличение дальности связи (длины участков регенерации) при использовании ВОЛС достигается применением оптических усилителей. Для реализации оптических усилителей используются различные физические принципы. Широко распространены волоконные усилители, выполняемые на основе легированного эрбием ОВ. Данные усилители используют свойства редкоземельного элемента эрбия усиливать оптический сигнал. При введении излучения с длиной волны 980 нм в легированный эрбием отрезок волокна фотоны меняют состояние и генерируется излучение с длиной волны 1,55 мкм. Это излучение взаимодействует с рабочим излучением на той же длине волны, усиливая его. Высокомощный лазер с длиной волны 980 нм называется лазером накачки. Ввод излучения от лазера накачки в легированный эрбием отрезок волокна осуществляется с помощью специальных оптических разветвителей. Подобные усилители могут использоваться в ВОСП со спектральным уплотнением. Одновременно усиливаются все спектральные компоненты, в отличие от традиционных систем, в которых каждый оптический сигнал обслуживается отдельным усилителем (регенератором). Вопросы для самоконтроля 1. Типы источников света, которые используются для оптических кабелей. 2. От чего зависит затухание оптического излучения в ОВ. 3. Назначение и принцип действия оптических усилителей. Лекция 13 Тема 13. Основы построения систем радиосвязи Раздел 13.1. Упрощенная структурная схема беспроводной линии связи В самом простом виде структурная схема беспроводной телекоммуникационной линии состоит из модулятора (вторичная ступень), передатчика с антенной, тракта распространения электромагнитной энергии, приемника с антенной и демодулятора (рис. 13.1) Рис. 13.1     Модуляция в микроволновых системах, чаще всего, осуществляется не на рабочей частоте линии связи, а на промежуточной частоте. При этом проще получить высокие качественные параметры модулированных сигналов, а модемное оборудование становится стандартным, мало зависящим от диапазона частот линии связи. Последнее обстоятельство позволяет производителям аппаратуры выпускать наборы унифицированного оборудования, отличающегося только рабочей несущей частотой. Величина промежуточной частоты (в последние годы) выбирается в диапазоне от 70 до 2000 МГц. Передатчик выполняет функцию преобразования модулированного сигнала в рабочую несущую частоту, а также, обеспечивает необходимый уровень мощности выходного сигнала. Очевидно, что приемник выполняет обратное преобразование несущего сигнала в промежуточную частоту и усиление сигнала этой частоты.      Обобщенный вариант выполнения структурной схемы современной цифровой микроволновой аппаратуры можно найти.  В последнее время, наряду с традиционными системами беспроводной связи на одной несущей частоте, все большее развитие получают цифровые технологии с использованием шумоподобных широкополосных несущих. Соответственно с этим признаком, различаются узкополосные и широкополосные линии связи.  Раздел 13.2. Общие принципы построения радиорелейных систем связи Наземные микроволновые телекоммуникации получают все большее развитие, успешно конкурируя с кабельными и волоконно-оптическими системами связи. Непрерывное совершенствование электронных компонентов СВЧ, появление новых принципов и технологий привело к созданию новых поколений устройств для беспроводной связи, отличающихся высочайшей надежностью, очень малыми габаритами, низким потреблением энергии и низкой стоимостью. Во многих регионах мира внедрение беспроводных технологий идет опережающими темпами.      Для передачи больших объемов информации на расстояния в тысячи километров широкое распространение получили радиорелейные линии связи прямой видимости (РРЛ).      Принцип радиорелейной связи заключается в создании системы ретрансляционных станций, расположенных на расстоянии, обеспечивающем устойчивую работу. Простейшая топология радиорелейной линии связи представляет собой цепочку ретрансляторов, передающих информацию между двумя пунктами. В более сложных случаях строятся ответвления от основной линии или создаются сети распределения информации между регионами, населенными пунктами или непосредственно между потребителями.  Важной особенностью радиорелейных линий связи, является применение остронаправленных антенн (с коэффициентами усиления порядка 40 дБ), что позволяет работать на очень малых уровнях мощностей передающих устройств. Как правило, современные передатчики РРЛ имеют выходную мощность а пределах от нескольких милливатт до единиц ватт.  Международными рекомендациями (МСЭ-Р) выделено несколько диапазонов частот СВЧ, в каждом из которых определены частотные планы для работы РРЛ. При этом полоса частот радиоканала не превышает 40 МГц. Для повышения пропускной способности РРЛ, часто применяется многоствольная работа, заключающаяся в том, что организуется несколько параллельных радиоканалов, использующих общую антенную опору и антенны.      В структуре радиорелейной связи различают оконечные (ОС), узловые (УС) и промежуточные станции (ПС). Узловые и промежуточные станции выполняют функции ретрансляторов, но на узловых станциях можно выделить и ввести информацию, а также, ответвить сигнал на другие направления.      По характеру линейного сигнала радиорелейные линии связи разделяются на аналоговые и цифровые. Существует некоторое количество смешанных систем, которые работают с теми и другими сигналами. Рис. 13.2 - Обобщенная структурная схема современного цифрового микроволнового оборудования     На рисунке показана структурная схема оборудования, содержащая важнейшие элемнты цифровой микроволновой аппаратуры малой, средней и большой емкости. Современное микроволновое оборудование очень часто состоит из внутреннего и наружного модулей, соединенных одним или несколькими кабелями. Длина кабелей может составлять несколько сот метров. Внутренний модуль, устанавливаемый в помещении, -  узел доступа, содержащий входные и выходные интерфейсы для исходных цифровых потоков, модемы и устройства контороля и управления. Входные и выходные интерфейсы могут быть электрическими (ЭИ) или оптическими (ОИ), причем некоторые типы аппаратуры содержат оба интерфейса или они  устанавливаются по заказу.      В интерфейсах проводится согласование сигналов, поступающих по кабелям от аппаратуры мультиплексирования цифровых потоков, преобразование кодов (квазитроичный  в NRZ и обратно) и выделение тактовой частоты (во входных устройствах).      Основная обработка сигналов перед модуляцией и после демодуляции осуществляется в соответствующих цифровых процессорах. В передающей части внутреннего модуля цифровой процессор выполняет следующие операции: • перемежение кодовых последовательностей (для защиты от длительных пакетных ошибок); • предкоррекция ошибок (FEC) с использованием сверточных или блоковых корректирующих кодов; • скремблирование (для улучшения статистических свойств цифровых сигналов); • формирование цифровых потоков синфазных (I) и квадратурных (Q) каналов для последующей многоуровневой модуляции. В цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) происходит формирование многоуровневых сигналоф из цифровых потоков  I и Q каналов в соответствии с применяемым видом модуляции. К примеру, при модуляции 4ФМ используются 2-уровневые сигналы, а при 16КАМ - четырехуровневые. Эти сигналы поступают в модулятор, где  управляют колебаниями промежуточной частоты.  Модулированный сигнал промежуточной частоты проходит по коаксиальному кабелю на внешний блок через устройство фильтрации (УФ). Предварительно сигнал промежуточной частоты дополнительно модулируется различной служебной информацией и цифровыми данными управления системой.      В приемной части внутреннего модуля проводятся опреации, обратные произведенным в передающей части. На вход приемной части поступают сигнал промежуточной частоты от внешнего блока по коаксиальному кабелю. Для устранения взаимных влияний в кабеле сигналы промежуточной частоты передачи и приема выбираются различными (на передачу - 300 - 800 МГц, на прием, чаще всего, 70 МГц).  По центральной жиле и оплетке того же кабеля подается питание (20 - 80 В постоянного тока) на внешний модуль оборудования. Внешний модуль содержит передатчик и приемник и устанавливается на антенной опоре в непосредственной близости от антенны или пристыковывается к ней.     Передатчик преобразует сигнал промежуточной частоты в рабочий диапазон частот и обеспечивает необходимую мощность выходного излучения. В данном примере структурной схемы тракт передатчика начинается с демодулятора служебной связи, в котором выделяются сигналы для  управления работой внешнего модуля и контроля его параметров. Основной сигнал промежуточной частоты поступает через мощный усилитель ПЧ (МУПЧ) на вход преобразователя частоты, состоящего из смесителя (СМ) и задающего генератора. Колебания задающего генератора образуются в блоке гетеродинных частот.  Полученный в процессе преобразования сигнал, состоящий из несущей частоты задающего генератора и двух боковых полос, поступает через полосовой фильтр (ПФ) на блок усиления СВЧ (УСВЧ). Полосовой фильтр выделяет из преобразованного сигнала одну их боковых полос. Обычно в современной аппаратуре перед УСВЧ устанавливается управляемый аттенюатор, предназначенный для регулирования излучаемой мощности передатчика. Часто этот аттенюатор обеспечивает работу системы адаптивной регулировки мощности передатчика (АРМП) в зависимости от условий распространения сигнала на трассе.      Для улучшения линейности амплитудной характеристики передатчика применяются компенсаторы искажений по третьей гармонике, которые могут устанавливаться в тракте ПЧ (ПсК) или в тракте СВЧ (LNZ). Сигнал с выхода передатчика проходит к антенне через блоки разделительных фильтров (РФ), выполняющих следующие функции: • разделение сигналов различных радиочастот при многоствольной работе; • обеспечение работы приемников и передатчиков через одну антенну; • разделение сигналов различных поляризаций при соканальных частотных планах; • обеспечение согласования приемников, передатчиков и антенн.    Приемник преобразует сигнал из рабочего диапазона частот в промежуточную частоту и усиливает этот сигнал до необходимого уровня.  Раздел 13.3. Спутниковые системы связи 23 апреля 1965 года был запущен на высокую эллиптическую орбиту первый отечественный спутник связи "Молния-1", который ознаменовал становление в нашей стране спутниковой радиосвязи. Почти одновременно в США был запущен на геостационарную орбиту первый спутник коммерческой связи Intelsat-1. Таким образом, была реализована идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную радиовидимость расположенных в разных точках обширной территории радиостанций. Преимуществами систем спутниковой связи (СС) являются большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи. Конфигурация систем СС зависит от типа искусственного спутника Земли (ИСЗ), вида связи и параметров земных станций. Для построения систем СС используются в основном три разновидности ИСЗ (рис. 13.3) - на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои преимущества и недостатки. Рис. 13.3 – Виды орбит ИСЗ Примером ИСЗ с ВЭО могут служить отечественные спутники типа "Молния" с периодом обращения 12 часов, наклонением 63° , высотой апогея над северным полушарием 40 тысяч км. Движение ИСЗ в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6..8 ч. Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны обслуживания при охвате большей части северного полушария. Недостатком ВЭО является необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спутником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий. Уникальной орбитой является ГСО - круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, лежащая в плоскости экватора, с высотой 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с вращением Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Достоинства ГСО: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности, трех спутников достаточно для почти глобальной связи, антенны земных станций практически не требуют систем слежения. Однако в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях. Плоскость низковысотных орбит наклонена к плоскости экватора (полярные и квазиполярные орбиты) с высотой порядка 200..2000 км над поверхностью Земли. Запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен с помощью недорогих пусковых установок. Принцип осуществления системы связи с использованием искусственных спутников Земли показан на рисунке 13.4. Здесь через а и б обозначены земные станции (ЗС), между которыми устанавливается связь, а прямые  и , касательные к поверхности Земли в точках а и б, являются линиями горизонта этих пунктов. Поэтому спутник ИСЗ1, движущийся по орбите MN, может одновременно наблюдаться со станций а и б при движении его по участку орбиты  и . Следовательно, электромагнитные колебания, излучаемые антенной системой ЗС в точке а в направлении ИСЗ1, могут быть приняты бортовой радиоаппаратурой спутника и после их усиления и преобразования по частоте направлены в сторону Земли, где будут приняты антенной ЗС в точке б. Антенны ЗС всегда должны быть ориентированы на ИСЗ. Следовательно, при движущихся ИСЗ антенны должны поворачиваться, осуществляя непрерывное "слежение" за перемещением спутника в пространстве. Рисунок 13.4 – Принцип радиосвязи через ИСЗ Система радиосвязи при наличии бортовой аппаратуры называется системой с активной ретрансляцией сигнала или системой с активным спутником. Рассмотрим структурную схему дуплексной связи между ЗС, размещенными в точках а и б при активной ретрансляции сигнала (рисунок 9.3). Здесь сообщение С1 подводится к модулятору М станции ЗСа, в результате чего осуществляется модуляция колебаний с несущей частотой f1. Эти колебания от передатчика П подводятся к антенне Аа1 и излучаются в сторону ИСЗ, где принимаются бортовой антенной А ретранслятора. Затем колебания с частотой f1 поступают на разделительный фильтр (РФ), усиливаются приемником Пр1, преобразуются к частоте f2, и поступают к передатчику П1. С выхода передатчика колебания с частотой f2 через РФ подводятся к бортовой антенне А и излучаются в сторону Земли. Эти колебания принимаются антенной Аб2 станцией ЗСб, подводятся к приемнику (Пр) и детектору (Дет), на выходе которого выделяется сообщение С1. Передача от ЗСб к станции ЗСасообщения С2 происходит по частоте f3 аналогичным образом, причем на бортовом ретрансляторе осуществляется преобразование колебаний с несущей частотой f3 в колебания с частотой f4. Рис. 13.5 – Структурная схема радиосвязи через ИСЗ Для передачи сообщений можно предложить и другой метод, при котором на борту спутника радиоаппаратура отсутствует. В этом случае сигналы, посланные из пункта А, отражаются поверхностью ИСЗ1 в сторону Земли (в том числе и к пункту б) без предварительного усиления. Поэтому сигналы, принятые станцией б, будут значительно слабее, чем при наличии бортовой аппаратуры. В качестве пассивных спутников могут использоваться как специальные отражатели различной формы (в виде сферических баллонов, объемных многогранников и других), так и естественный спутник Земли – Луна. Пропускная способность подобных систем связи при современном уровне техники не превышает двух-трех телефонных сообщений. В случае, когда спутник ИСЗ2 движется по орбите m–n (рис. 13.5) с высотой настолько малой, что не может одновременно наблюдаться антеннами станций ЗСа и ЗСб (высота орбиты ниже точки пересечения линий горизонта  и ), и потому сигнал, принимаемый бортовой аппаратурой на ИСЗ2 не может быть сразу передан на станцию б. Работа системы в этом случае может быть построена следующим образом: ИСЗ2, пролетая над ЗСа принимает сообщения которые после усиления подаются на ботовую аппаратуру памяти (например, записываются на магнитофонную ленту). Затем когда ИСЗ2 будет пролетать над ЗСб, включается в ботовой передатчик и происходит передача информации, принятой от ЗСа. Включение передатчика может осуществляться подачей специального командного сигнала, излучаемого ЗСб в момент появления ИСЗ в зоне видимости этой станции, или с помощью ботового программного устройства, учитывающего скорость движения спутника по орбите, ее высоту и расстояние между станциями. Такая система называется системой связи с памятью или системой с задержанной ретрансляцией. Система с активной ретрансляцией сигнала в зависимости от высоты орбиты и расстояния между станциями может быть выполнена как система с мгновенной (не задержанной) ретрансляцией сигнала (система в реальном масштабе времени) и как система с задержанной ретрансляцией. Особый интерес представляет геостационарная орбита – круговая орбита, находящаяся в экваториальной плоскости (i=0) и удаленная от поверхности Земли на расстоянии около 36000 км. В том случае, когда направление движения спутника по такой орбите совпадает с направлением вращения Земли, спутник будет неподвижным относительно наземного наблюдателя (геостационарный спутник). Эта особенность, а также то, что ИСЗ находится от Земли на большом удалении, приводит к следующим важным преимуществам связи через геостационарный спутник: во-первых, становятся возможными передача и прием сигналов с помощью неподвижных антенных систем (то есть более простых и дешевых, чем подвижные) и, во-вторых, осуществление круглосуточной непрерывной связи на территории, равной примерно трети земной поверхности. Однако через геостационарный ИСЗ затруднительно осуществлять связь с приполярными районами, расположенными на широтах выше 75º…78º, òак как при этом существенно возрастают шумы на входе земных приемников. В нашей стране на геостационарную орбиту выведены спутники связи типа "Радуга" и "Горизонт". При движении ИСЗ по другим орбитам (не геостационарной) спутники будут перемещаться относительно наземного наблюдателя. В этом случае необходимы подвижные антенные устройства и специальная аппаратура, обеспечивающая слежение и наведение антенны на движущийся спутник. Системы связи с подвижными ИСЗ при соответствующем выборе орбит позволяют обеспечить связь с любыми районами земного шара, в том числе и с приполярными. При использовании подвижных ИСЗ связь между станциями, размещенными в точках а и б (рис. 13.5), может осуществляться лишь в течение времени, пока ИСЗ движется по участку орбиты . Обеспечение длительной непрерывной связи при сравнительно невысоких орбитах возможно лишь при увеличении числа ИСЗ (рисунок 13.6,а).В этом случае на каждой земной станции должны быть установлены две антенны (А1 и А2), которые могут осуществлять передачу и прием сигналов с помощью одного из спутников, например ИСЗ1, находящегося в зоне взаимной связи . Когда ИСЗ1 выедет из этой зоны, связь будет происходить через ИСЗ2 с помощью антенн А2. При выходе ИСЗ2 из зоны  передача и прием сигналов должны осуществляться посредством ИСЗ3 и антенн А1, направленных на этот спутник и так далее. Для получения непрерывной связи между станциями а и б расстояние между соседними спутниками должно быть меньше зоны . Число ИСЗ при таком методе зависит от расстояния между пунктами связи и параметров орбиты. При использовании ИСЗ можно применить ретрансляцию сигналов не только через один, но и через несколько спутников. При этом в случае низких орбит для непрерывной передачи сигналов на земных станциях необходимо иметь по две антенны. На рисунке 13.6, б показаны ИСЗ, движущиеся по часовой стрелке по одной низкой орбите, часть которой показана в виде дуги mn. Сигнал от станции а через антенну А1 поступает на ИСЗ4 и ретранслируется через ИСЗ3, ИСЗ2, ИСЗ1 к приемной антенне А1 станции б. Таким образом, в этом случае для ретрансляции сигнала используются антенны А1 и сегмент орбиты, содержащий ИСЗ4 – ИСЗ1. При выходе ИСЗ4 из зоны, лежащей левее линии горизонта , передача и прием сигнала будет вестись через антенны А2 и сегмент, содержащий ИСЗ5 – ИСЗ2. Затем передача и прием сигналов будет осуществляться антеннами А1 и сегментом, состоящим из спутников ИСЗ6 – ИСЗ3 и так далее. Рис. 13.6 – Система связи с несколькими ИСЗ Использование ИСЗ, движущихся по орбитам с малой высотой, упрощает аппаратуру земных станций, так как при этом возможно снижение усиления земных антенн, мощности передатчиков и работа с приемниками, имеющими несколько большую эквивалентную шумовую температуру, чем в случае геостационарных спутников. Однако в этом случае увеличивается число спутников, и требуется управление их движением по орбите. Другой вариант использования для ретрансляции сигналов нескольких ИСЗ приведен на рисунке 13.6,в. В этом случае с одного из группы спутников, движущихся по одной орбите, например ИСЗ4, сигнал, излучаемый А1 станции "а", ретранслируется к геостационарному спутнику ИСЗг, а затем принимается антенной А станции "б". При выходе ИСЗ4 из области, лежащей левее линии горизонта , непрерывная связь станции "а" с ИСЗг будет осуществляться через антенну А2 и ИСЗ5, затем через А1 и ИСЗ6 и так далее. На станции "б" в этом случае достаточно будет иметь лишь одну антенну, направленную на ИСЗг. Поскольку ИСЗ может наблюдаться с большой территории на поверхности Земли, можно осуществить связь между несколькими ЗС через один общий ИСЗ. В этом случае спутник оказывается "доступным" многим земным станциям, поэтому такая система называется системой с многократным доступом (МД). В системах МД могут быть организованны как циркулярная связь между станциями (передача сообщений от одной станции нескольким станциям), так и одновременная дуплексная связь между всеми ЗС, использующими один общий бортовой ретранслятор, размещенный на ИСЗ. Система связи через ИСЗ с МД состоит из нескольких земных станций, находящихся в зоне взаимной связи через ИСЗ и использующих для связи друг с другом или для связи одной станции с несколькими станциями в любых сочетаниях общий ретранслятор на ИСЗ (рис. 13.7). Отметим, что в системе с МД может быть также организованна одновременная связь не со всеми станциями, а лишь с группой станций. В этом случае целесообразно использование бортовых антенн, имеющих узкие диаграммы направленности (большое усиление). Такие антенны управляются с Земли и могут направляться на нужную группу станций. Другим вариантом этой системы является коммутация бортовой аппаратуры на ту или иную бортовую антенну, имеющую фиксированное направление на определенные точки земной поверхности. Каналы связи, организованные через ИСЗ между земными станциями системы МД, могут быть разделены на две группы: - постоянные (закрепленные) каналы, предназначенные для связи только между определенными земными станциями; - непостоянные (незакрепленные) каналы, временно организуемые между различными станциями в зависимости от нужд потребителей. Рис. 13.7 – Пояснение принципа многостанционного доступа Очевидно, что каналы первой группы позволяют организовать немедленную связь в любое время; каналы второй группы для организации связи требуют выполнения определенной процедуры, аналогичной той, которая характерна для обычной городской телефонной связи. Прежде чем осуществить передачу сообщений по каналам второй группы, необходимо: получить сведения о наличии свободного канала в системе (то есть получить подтверждение доступа в систему связи – в АТС это соответствует продолжительному тону); набрать адрес (номер) нужного корреспондента; убедиться, свободен ли канал к корреспонденту (то есть получить доступ к корреспонденту). Очевидно, что в системах с закрепленными каналами из-за того, что часть каналов в некоторые интервалы времени будет использоваться, общее число каналов должно быть больше, чем в системах с незакрепленными каналами. Таким образом, системы, с незакрепленными каналами являются более эффективными, однако они имеют и недостатки: во-первых, требуется дополнительно время для установления связи (надо найти свободный канал и с помощью вызывных и адресных сигналов осуществить необходимую коммутацию) и, во-вторых, возможен отказ в установлении немедленного соединения системы. При любом виде каналов связи (закрепленных или незакрепленных) могут быть созданы многоадресные, одноадресные и смешанные сообщения и стволы. При многоадресном построении групповых сообщений каждая земная станция излучает один ствол, в котором передается групповое сообщение, предназначенное для приема всеми земными станциями. Стволы, излученные всеми ЗС, пройдя через бортовой ретранслятор, принимаются на каждой ЗС. После демодуляции из каждого ствола выделяются те части групповых сообщений, которые предназначаются только для данной ЗС. Это выделение осуществляется либо на основании адреса данной станции, который передается перед сообщением, (при незакрепленных каналах), либо по предварительной договоренности о месте размещения каналов, предназначенных для данной ЗС в передаваемых групповых сообщениях (при закрепленных каналах). Очевидно, что при многоадресном построении групповых сообщений в ВЧ стволах каждая ЗС должна принимать n-1 стволов, где n – число ЗС. Таким образом, в этом случае получается сравнительно простое передающее устройство, но существенно усложняется приемное оборудование ЗС. При одноадресном построении для каждой ЗС формируется свое групповое сообщение и свой ВЧ ствол, в котором каждая передающая станция занимает соответствующее число каналов. Таким образом, каждая станция занимает определенное число каналов в n-1 стволах, проходящих через ретранслятор, каждый из которых предназначен только для одной определенной земной станции. В этом случае на каждой станции необходимо принять и демодулировать только один ствол, предназначенный для этой станции. Очевидно, что передающая аппаратура получается сложнее приемной. При смешанном построении стволов на каждой земной станции осуществляется многоадресное формирование стволов, а на ретрансляторе производится переход от многоадресного к одноадресному построению стволов, то есть осуществляется перегруппировка каналов. Таким образом, при смешанном построении стволов получается упрощение как приемного, так и передающего оборудования земных станций, но усложняется аппаратура ретранслятора. Существует три основных метода разделения общего канала связи: по частоте (ЧР), во времени (ВР), и посредством сигналов различающихся по форме (кодовое разделение каналов). Рис. 13.7 – Многостанционный доступ с разделением по частоте (а) и по времени (б) Многостанционный доступ с частотным разделением (МДЧР) В этом случае для каждого ствола (то есть для каждой станции) выделяется определенная несущая частота (f1, f2,…, fn). Разнос между парой соседних несущих выбирается таким, чтобы была исключена возможность взаимного перекрытия спектров при модуляции (рис. 13.6,а). Отметим, что наиболее просто МДЧР реализуется в том случае, когда на земных станциях осуществляется частотная модуляция колебаний многоканальным сообщением с частотным разделением телефонных каналов (сокращенно – система ЧР ЧМ МДЧР). Таким образом, в этой системе на вход ретранслятора поступает сложный сигнал, представляющий собой систему n модулированных по частоте гармонических сигналов, являющихся несущими частотами всех ЗС. Прохождение такого сложного сигнала через общий бортовой ретранслятор, представляющий собой нелинейное устройство, приводит к следующим нежелательным явлениям: 1) возникновению переходных помех; 2) подавлению сигналов тех земных станций (то есть тех стволов), уровень которых на входе ретранслятора по каким либо причинам (например, вследствие замираний), окажется меньше уровней сигналов других станций. Это подавление может доходить до 6 дБ. Для устранения этого явления необходимы соответствующий контроль и регулировка уровней сигналов, излучаемых с каждой земной станции. Такая регулировка может производится автоматически сопоставлением принятых с ретранслятора уровней сигналов с различных стволов (станций; 3) возникновению переходных помех между стволами и снижению выходной мощности ретранслятора из-за нелинейности амплитудной характеристики тех каскадов ретранслятора, которые являются общими для всех стволов, принятых с земных станций. Снижение выходной мощности обуславливается появлением продуктов нелинейности, на которые расходуется часть мощности ретранслятора. Перечисленные явления приводят к тому, что при заданном значении переходных шумов в телефонных каналах с увеличением числа земных станций, то есть с увеличением числа стволов (несущих), одновременно усиливаемых ретранслятором, приходится снижать число телефонных сообщений, передаваемых на каждой несущей. Отсюда, чем большее число станций входит в систему МДЧР, тем меньшее число телефонных сообщений может быть передано. Расчеты и испытания реальных систем показывают, что ретранслятор, способный пропустить на одной несущей при ЧР ЧМ 700 телефонных каналов, в случае работы 8 станций в системе ЧР ЧМ МДЧР может пропускать 30 каналов на каждой несущей, то есть не более 8·30 = 240 каналов (снижение пропускной способности почти в 3 раза). При работе 16 станций в системе ЧР ЧМ МДЧР на каждой несущей можно передавать не более десяти телефонных сообщений. Таким образом, по сравнению с первоначальной пропускная способность составляет 23%. Однако, при таком режиме работы при использовании статистических особенностей телефонных сообщений, передаваемых на различных несущих, появляются новые возможности увеличения пропускной способности ретранслятора. Если во время пауз между словами, фразами и при молчании абонентов в такой системе подавлять излучение земных передатчиков на несущей частоте, то это существенно снизит нагрузку ретранслятора и позволит в 3…4 раза увеличить пропускную способность. Напомним, что подобное подавление несущих используется при построении аппаратуры частотного разделения: на выходе индивидуальных преобразователей уровень колебаний с поднесущими частотами стремятся сделать возможно меньшим. Метод МДЧР с подавлением несущих использован в системе "Спэйд", реализованной в международной системе "Интелсат". В этой системе каждое телефонное сообщение преобразуется в восьмиразрядный сигнал ИКМ (64 кбит/с) и передается на отдельной ВЧ несущей методом четырехфазной ФМ. Полоса частот, занимаемая одним телефонным каналом, составляет 38 кГц, защитный интервал Δfзащ = 7 кГц (рис. 13.6,а). Описываемая система обеспечивает передачу в одном стволе шириной 36 МГц 800 незакрепленных каналов. В отечественной аппаратуре "Градиент Н" также используется МДЧР, при котором каждое телефонное сообщение передается на отдельной несущей путем ЧМ с пиковой девиацией частоты, соответствующей измерительному уровню, равной 30 кГц. Число несущих частот в стволе составляет 200, разнос между соседними несущими равен 160 кГц. В отечественной аппаратуре "Группа" число несущих составляет 24; разнос между ними 1.35 МГц. Частотная модуляция в этом варианте аппаратуры осуществляется стандартной 12-канальной группой (спектр 12..60 кГц) с эффективной девиацией частоты 125 кГц. Таким образом, число передаваемых телефонных сообщений составляет 24·12 = 288. Многостанционный доступ с временным разделением (МДВР) В данном случае работа земных станций через ретранслятор осуществляется поочередно. Поэтому все станции могут работать на одной несущей частоте и должны иметь общую систему синхронизации, обеспечивающую строго поочередные включения и выключения передатчиков. На рисунке 13.6,б приведен цикл работы системы МДВР, состоящей из трех станций – 1,2 и 3. В течение интервалов времени τ, которые называются кадрами станций, каждая станция излучает колебания несущей частоты, модулированные сообщением, поступающем от аппаратуры разделения; через τ3обозначен защитный интервал времени, предотвращающий одновременное включение двух наземных станций, а через Тц – цикл передачи. Описанный вариант относится к случаю синхронной работы наземных станций. Система синхронизации, которая может осуществляться по пилот-тону, должна учитывать различие расстояний между ИСЗ и отдельными земными станциями. Обычно системы с МДВР работают с геостационарными ИСЗ, поскольку осуществить синхронизацию при использовании подвижных ИСЗ сложно, так как в этом случае расстояния между ИСЗ и земными станциями будут переменными. В случае МДВР наиболее целесообразным вариантом является использование ИКМ с фазовой модуляцией несущей (сокращенно – ИКМ ФМ МДЧР). На рисунке 13.8 в качестве примера приведен подробный цикл работы системы МДВР. Из рисунка следует, что в течение каждого кадра со станций передаются не только сообщения, идущие по телефонным и служебным каналам связи, но и несколько специальных сигналов. К ним относятся: сигналы синхронизации, вызова и коммутации (СВиК), сигналы адресов (СА) и пилот-сигнал (ПС). Отметим, что СВиК состоит из сигнала синхронизации опорных генераторов при когерентном приеме (СГКП), сигнала цикловой синхронизации (ЦС), сигнала, необходимого в системах с ИКМ для тактовой синхронизации (ТС), и сигналов, обеспечивающих вызов абонентов и коммутацию цепей (ВиК). Рис. 13.8 – Структура цикла при МДВР Информационная часть кадра составляет около 85…90 % от полной длины кадра. Системы с МДВР по сравнению с МДЧР обладают рядом преимуществ: 1) импульсная мощность передающего устройства данной станции не зависит от условий работы других станций и не требует регулировок, так как взаимное подавление сигналов отсутствует; 2) все земные передающие станции могут работать на одной несущей частоте, а приемные – на другой, что упрощает построение станций; 3) передатчик ретранслятора работает в режиме максимальной мощности; при этом отсутствуют взаимные помехи между ретранслируемыми сигналами. К недостаткам систем с МДВР можно отнести сложность системы синхронизации станций и возникновение помех при нарушении синхронизации работы хотя бы одной станции. Сравнение различных видов МД по пропускной способности при заданном значении шумов на выходе каналов и ограниченной мощности ретранслятора показывает, что МДВР имеет явные преимущества перед МДЧР. Принцип МДВР реализован в отечественной аппаратуре МДВУ-40, позволяющей осуществить скорость передачи цифрового потока в стволе ИСЗ, равную 40 Мбит/с. В этой системе используется ОФМ-4. Раздел 13.4. Основные характеристики цифровых транкинговых систем Системы транкинговой радиосвязи, представляющие собой радиально-зоновые системы подвижной УКВ-радиосвязи, осуществляющие автоматическое распределение каналов связи ретрансляторов между абонентами, являются классом систем подвижной связи, ориентированным, прежде всего, на создание различных ведомственных и корпоративных сетей связи, в которых предусматривается активное применение режима связи абонентов в группе. Они широко используются силовыми и правоохранительными структурами, службами общественной безопасности различных стран для обеспечения связи подвижных абонентов между собой, со стационарными абонентами и абонентами телефонной сети. Существует большое количество различных стандартов транкинговых систем подвижной радиосвязи общего пользования (СПР-ОП), отличающихся друг от друга методом передачи речевой информации (аналоговые и цифровые), типом многостанционного доступа (МДЧР - с частотным разделением каналов, МДВР - c временным разделением каналов или МДКР - c кодовым разделением каналов), способом поиска и назначения канала (с децентрализованным и централизованным управлением), типом канала управления (выделенный и распределенный) и другими характеристиками. В настоящее время и в мире, и в России достаточно широко распространены появившиеся ранее аналоговые транкинговые системы радиосвязи, такие как SmarTrunk, системы протокола MPT1327 (ACCESSNET, ACTIONET и др.), системы фирмы Motorola (Startsite, Smartnet, Smartzone), системы с распределенным каналом управления (LTR и Multi-Net фирмы E.F.Johnson Co и ESAS фирмы Uniden). Наибольшее распространение получили системы MPT1327, что объясняется значительными преимуществами данного стандарта по сравнению с другими аналоговыми системами. Следует сказать, что и в России большинство крупных транкинговых сетей построено на базе оборудования стандарта MPT1327. Руководители компаний, занимающихся поставками оборудования и системной интеграцией в области профессиональной радиосвязи, отмечают, что большинство стоящих перед их заказчиками задач оперативной речевой связи достаточно эффективно решается с помощью аналоговых систем стандарта MPT1327. Цифровые стандарты транкинговой радиосвязи пока не получили такого широкого распространения в России, но уже сейчас можно говорить об их активном и успешном внедрении. Вместе с тем, круг пользователей цифровых транкинговых систем постоянно расширяется. В России также появляются крупные заказчики систем профессиональной радиосвязи, требования которых обуславливают переход к цифровым технологиям. В первую очередь, это крупные ведомства и корпорации, такие как РАО ЕЭС, Минтранс, МПС, Сибнефть и другие, а также силовые структуры и правоохранительные органы. Необходимость перехода объясняется рядом преимуществ цифрового транкинга перед аналоговыми системами, такими как большая спектральная эффективность за счет применения сложных видов модуляции сигнала и низкоскоростных алгоритмов речепреобразования, повышенная емкость систем связи, выравнивание качества речевого обмена по всей зоне обслуживания базовой станции за счет применения цифровых сигналов в сочетании с помехоустойчивым кодированием. Развитие мирового рынка систем транкинговой радиосвязи сегодня характеризуется широким внедрением цифровых технологий. Ведущие мировые производители оборудования транкинговых систем объявляют о переходе к цифровым стандартам радиосвязи, предусматривая при этом либо выпуск принципиально нового оборудования, либо адаптацию аналоговых систем к цифровой связи. Цифровые транкинговые системы по сравнению с аналоговыми имеют ряд преимуществ за счет реализации требований по повышенной оперативности и безопасности связи, предоставления широких возможностей по передаче данных, более широкого спектра услуг связи (включая специфические услуги связи для реализации специальных требований служб общественной безопасности), возможностей организации взаимодействия абонентов различных сетей. 1. Высокая оперативность связи. Прежде всего, это требование означает минимально возможное время установления канала связи (время доступа) при различных видах соединений (индивидуальных, групповых, с абонентами телефонных сетей и пр.). В конвенциональных системах связи при передаче цифровой информации, требующей временной синхронизации передатчика и приемника, для установления канала связи требуется большее время, чем аналоговой системе. Однако для транкинговых систем радиосвязи, где информационный обмен, в основном, производится через базовые станции, цифровой режим сравним по времени доступа с аналоговым (и в аналоговых, и в цифровых системах радиосвязи, как правило, канал управления реализуется на основе цифровых сигналов). Кроме этого, в системах цифровой транкинговой радиосвязи более просто реализуются различные режимы связи, повышающие ее оперативность, такие как режим непосредственной (прямой) связи между подвижными абонентами (без использования базовой станции), режим открытого канала (выделения и закрепления частотных ресурсов сети за определенной группой абонентов для ведения ими в дальнейшем переговоров без выполнения какой-либо установочной процедуры, в т. ч. без задержки), режимы аварийных и приоритетных вызовов и др. Цифровые системы транкинговой радиосвязи лучше приспособлены к различным режимам передачи данных, что предоставляет, например, сотрудникам правоохранительных органов и служб общественной безопасности широкие возможности оперативного получения сведений из централизованных баз данных, передачи необходимой информации, включая изображения, с мест происшествий, организации централизованных диспетчерских систем местоопределения подвижных объектов на основе спутниковых радионавигационных систем. Данные системы позволяют потребителям нефтегазового комплекса использовать их как транспорт не только для передачи голосовой связи, но и для передачи телеметрии и телеуправления. 2. Передача данных. Цифровые системы транкинговой радиосвязи лучше приспособлены к различным режимам передачи данных, что предоставляет абонентам цифровых сетей широкие возможности оперативного получения сведений из централизованных баз данных, передачи необходимой информации, включая изображения, организации централизованных диспетчерских систем местоопределения подвижных объектов на основе спутниковых радионавигационных систем. Скорость передачи данных в цифровых системах значительно выше, чем в аналоговых. В большинстве систем радиосвязи на основе цифровых стандартов реализуются услуги передачи коротких и статусных сообщений, персонального радиовызова, факсимильной связи, доступа к фиксированным сетям связи (в т. ч. работающим на основе протоколов TCP/IP). 3. Безопасность связи. Включает в себя требования по обеспечению секретности переговоров (исключение возможности извлечения информации из каналов связи кому-либо, кроме санкционированного получателя) и защиты от несанкционированного доступа к системе (исключение возможности захвата управления системой и попыток вывести ее из строя, защита от «двойников» и т. п.). Как правило, основными механизмами обеспечения безопасности связи является шифрование и аутентификация абонентов. Естественно, что в системах цифровой радиосвязи по сравнению с аналоговыми системами гораздо легче обеспечить безопасность связи. Даже без принятия специальных мер по закрытию информации цифровые системы обеспечивают повышенный уровень защиты переговоров (аналоговые сканирующие приемники непригодны для прослушивания переговоров в системах цифровой радиосвязи). Кроме того, некоторые стандарты цифровой радиосвязи предусматривают возможность сквозного шифрования информации, что позволяет использовать оригинальные (т. е. разработанные самим пользователем) алгоритмы закрытия речи. Цифровые системы транкинговой радиосвязи позволяют использовать разнообразные механизмы аутентификации абонентов: различные идентификационные ключи и SIM-карты, сложные алгоритмы аутентификации, использующие шифрование, и т. п. 4. Услуги связи. Цифровые транкинговые системы реализуют современный уровень сервисного обслуживания абонентов сетей связи, предоставляя возможности автоматической регистрации абонентов, роуминга, управления потоком данных, различных режимов приоритетного вызова, переадресации вызова и т. д. Наряду со стандартными функциями сетевого обслуживания по заявкам правоохранительных органов в стандарты цифровой транкинговой радиосвязи часто включают требования по наличию специфических услуг связи: режиму вызова, поступающему только с санкции диспетчера системы; режиму динамической модификации групп пользователей; режиму дистанционного включения радиостанций для акустического прослушивания обстановки и т. д. 5. Возможность взаимодействия. Цифровые системы радиосвязи, имеющие гибкую структуру адресации абонентов, предоставляют широкие возможности как для создания различных виртуальных сетей в рамках одной системы, так и для организации при необходимости взаимодействия абонентов различных сетей связи. Для служб общественной безопасности особенно актуальным является требование по обеспечению возможности взаимодействия подразделений различных ведомств для координации совместных действий при чрезвычайных ситуациях: стихийных бедствиях, террористических актах и т. п. К наиболее популярным, заслужившим международное признание стандартам цифровой транкинговой радиосвязи, на основе которых во многих странах развернуты системы связи, относятся: • EDACS, разработанный фирмой Ericsson; • TETRA, разработанный Европейским институтом стандартов связи; • APCO 25, разработанный Ассоциацией официальных представителей служб связи органов общественной безопасности; • Tetrapol, разработанный фирмой Matra Communication (Франция); • iDEN, разработанный фирмой Motorola (США). Все эти стандарты отвечают современным требованиям к системам транкинговой радиосвязи. Они позволяют создавать различные конфигурации сетей связи: от простейших локальных однозоновых систем до сложных многозоновых систем регионального или национального уровня. Системы на основе данных стандартов обеспечивают различные режимы передачи речи (индивидуальная связь, групповая связь, широковещательный вызов и т. п.) и данных (коммутируемые пакеты, передача данных с коммутацией цепей, короткие сообщения и т. п.) и возможность организации связи с различными системами по стандартным интерфейсам (с цифровой сетью с интеграцией услуг, с телефонной сетью общего пользования, с учрежденческими АТС и т. д.). В системах радиосвязи указанных стандартов применяются современные способы речепреобразования, совмещенные с эффективными методами помехоустойчивого кодирования информации. Производители радиосредств обеспечивают соответствие их стандартам MIL STD 810 по различным климатическим и механическим воздействиям. Раздел 13.5. Принцип построения сотовых систем связи. Стандарты сотовой связи Связь - одна из наиболее динамично развивающихся отраслей инфраструктуры современного общества. Этому способствует постоянный рост спроса на услуги связи и информацию. В активно разрабатываемой Международным союзом электросвязи концепции универсальной персональной связи большое место отводится сетям подвижной связи (СПС). В настоящее время во многих странах ведется интенсивное внедрение сотовых СПС, сетей персонального радиовызова (пейджинг) и систем спутниковой связи. Среди вышеперечисленных телекоммуникационных средств наиболее стремительно развиваются системы сотовой радиотелефонной связи, которые изначально разрабатывались с целью обеспечения радиосвязью большого числа (в пределе неограниченное) подвижных абонентов с выходом в телефонную сеть общего пользования. Сейчас система сотовой связи - это сложная и гибкая техническая система. Она может обеспечивать передачу речи и других видов информации, в частности факсимильных сообщений и компьютерных данных. Использование современной технологии позволяет обеспечить абонентам такой сети высокое качество речевых сообщений и большой спектр дополнительных услуг. По "идеологии" предоставления услуг, сотовые системы не отличаются от обыкновенных кабельных (за исключением функции мобильности), поэтому они ориентированны на тех же абонентов. Необходимо отметить массовость сотовых систем и высокие темпы их распространения. На начало 1997 г. всего в мире насчитывалось около 80 млн. абонентов сетей подобного типа, а на начало 2002 года число абонентов сотовых сетей превысило 1 миллиард человек. До России технология добралась с традиционным опозданием: первая система сотовой связи появилась у нас только в 1991 году. Поэтому, безусловно, российский рынок уступает европейскому или американскому. К примеру, в Европе уровень проникновения сотовой связи более 50 %, в России же этот показатель значительно меньше. Однако, если в Европе темпы роста абонентской базы в последнее время заметно снизились, то в России наблюдается рост числа пользователей мобильной связи. Уровень проникновения сотовой связи в Российской Федерации за 2002 год вырос с 5,6% до 12,5%. Темпы развития сотовой связи у нас в стране настолько высоки, что всего за несколько лет мобильная связь превратилась из "привилегии избранных" в насущную необходимость для людей со средними доходами. На конец 2002 начало 2003 года количество абонентов сотовой связи в РФ составило 18 миллионов. Стандарт GSM 900 GSM-900 (Global System for Mobile Сommunications) - глобальная система подвижной связи. Европейский цифровой стандарт, диапазон частот 890 - 960 МГц. Главное достоинство GSM-900 - меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это становится возможным при использовании аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, автоматически снижается излучаемая мощность. Относительно высокая емкость сети. Низкий уровень помех. Более высокий уровень защиты от подслушивания и нелегального использования номера, чем у аналоговых стандартов (хотя защита у GSM-1800 и CDMA несколько выше, чем у GSM-900). Недостаток стандарта - небольшая дальность сигнала. Устойчивая связь возможна на расстоянии не более 35 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. SIM-карта. В стандарте GSM-900 для максимальной защиты от несанкционированного подключения применяется специальный модуль подлинности абонента: SIM-карта. SIM-карта является одной из основных отличительных особенностей стандарта GSM. Эта карточка, во встроенной микросхеме которой хранится специальная информация о конкретном абоненте (в SIM-карте хранится информация о международном идентификаторе мобильного абонента IMSI, каждой SIM-карте присвоен персональный серийный номер ICC; ICC и IMSI однозначно определяют абонента в любой сети GSM). SIM-карта выдается абоненту при подключении телефона и может быть использована с любой моделью мобильного аппарата стандарта GSM. Чтобы похититель не смог ею воспользоваться, в нее вводят специальный идентификационный номер (РIN-код), который нужно набирать при включении аппарата (при необходимости запрос PIN-кода при включении аппарата можно отключить). Если три раза подряд неправильно набрать РIN- код, SIM-карта временно заблокируется. Для разблокировки PIN-кода используют PUK-код. Допускается 8 некорректных действий при вводе PUK-кода. Если 9 раз подряд неправильно введен PUK-код, то SIM-карта блокируется окончательно. Использование SIM-карты также удобно тем, что при смене аппарата абоненту не нужно менять свой мобильный номер, он просто переставляет карту, и все сохраненные на ней данные (включая записную книжку) становятся доступными в новом аппарате. Стандарт GSM 1800 GSM-1800 (Global System for Mobile Сommunications) - глобальная система подвижной связи. Цифровой стандарт, диапазон частот 1710 - 1880 МГц. Модификация стандарта GSM-900. Более 70 % от всех абонентов в мире отдали предпочтение стандарту GSM (данные на 4 квартал 2002 года) благодаря таким его техническим возможностям как великолепное качество передаваемого звука, конфиденциальность переговоров, невозможность пиратского доступа к абонентскому номеру, а также благодаря широкому выбору эргономичных и высоконадежных телефонных аппаратов. Для GSM-1800 характерна меньшая, по сравнению с GSM 900, максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов. У стандарта GSM-1800 она составляет 1Вт, у стандарта GSM-900 - 2Вт. Высокая защита от подслушивания и нелегального использования номера. Высокая рабочая частота обуславливает меньший максимальный радиус соты, что наряду с использованием широкой полосы частот облегчает обслуживание зон с высокой плотностью абонентов. Системы, поддерживающие GSM-1800, идеально подходят для мегаполисов, но экономически невыгодны для обширных территорий из-за необходимости установки большого числа базовых станций. Максимальное удаление абонента от базовой станции - 5-6 километров. С появлением двухдиапазонных телефонов GSM - 900/1800 появилась возможность создавать комбинированные сети, в которых каждый из частотных диапазонов применяется там, где его свойства оптимальны. Такой телефон автоматически переключается между диапазонами в зависимости от занятости каналов и уровня сигнала. Основное достоинство стандарта GSM - 900/1800 состоит в том, что он предоставляет пользователям возможность перемещения по городам и странам без изменения номера телефона (автоматический роуминг). Системы сотовой радиотелефонной связи получили свое название в соответствии с сотовым принципом организации связи, который состоит в следующем: территория, которую предполагается обслуживать, разбивается на ячейки. Ячейки системы принято схематически изображать в виде правильных шестиугольников, что, по сходству с пчелиными сотами, и дает основание называть систему сотовой. Необходимо заметить, что геометрически правильная форма ячеек используется в теории и далеко не всегда достижима на практике - дальность распространения радиоволн зависит от рельефа местности и сооружений: холмов, оврагов, гор, больших зданий и т.п. Они искажают форму рабочих зон и вынуждают располагать базовые станции далеко не всегда в строгом геометрическом порядке. В центре каждой соты находится многоканальная приемо-передающая базовая станция (БС), которая обеспечивает связь в радиусе нескольких километров. Радиус действия базовой станции зависит от рельефа местности, ее застройки, мощности передатчика. Кроме того, существуют ограничения, связанные со временем распространения сигнала от мобильного телефона (МТ или ПС - подвижная станция) до базовой станции, или, что то же самое, с максимально допустимой задержкой сигнала. Так, например, в стандарте GSM радиус соты не может превышать 35 км. Стоит упомянуть, что в стандарте GSM существует технология extended cell, которая позволяет увеличить радиус соты до 70 км, за счет уменьшения емкости данной ячейки в 2 раза (используется 4 временных интервала вместо 8). Эта технология используется довольно редко и только на территориях с малым трафиком. Все базовые станции по специальным линиям связи (проводным или радиорелейным) замыкаются на центр коммутации (ЦК) или коммутатор, с которого, в свою очередь, имеются выходы на другие системы и сети связи. Связь между базовыми станциями и ЦК осуществляется по оптоволоконным, радиорелейным или проводным линиям связи. Весь частотный диапазон 890-960 МГц разбивается на 124 дуплексных канала (входящих, исходящих). Каждому каналу соответствует своя несущая частота. Одна или более несущих частот привязаны к каждой базовой станции. Количество задействованных каналов на каждой базовой станции различно и зависит от загруженности местности (предполагаемого количества абонентов). Каждая из этих частот разделена во времени на 8 временных промежутков. 7 из них предназначена для абонентов и 1 временной промежуток является служебным. В результате на одном дуплексном канале может разговаривать 7 абонентов. Таким образом, формируется частотно - временное разделение каналов в системе GSM. Стандарт GSM более подробно На нижней ступени иерархической лестницы сотовой сети находится базовая станция. Каждая базовая станция включает в себя контроллер базовой станции (BSC) и один или несколько приемопередатчиков BTS (работающих на разных частотных каналах). Группа контроллеров базовых станций управляется центром коммутации (ЦК) сети сотовой связи, который обеспечивает взаимодействие сети мобильной связи с наземными телефонными сетями общего пользования (ТФОП), сетями ISDN и прочими существующими сетями общего пользования. ЦК - ядро системы мобильной связи. Он отвечает за прохождение вызовов от вызывающего абонента к вызываемому. При этом ЦК осуществляет управление всем процессом: установление соединения, окончание соединения, перевод соединения на другой канал связи, а также собирает всю информацию относительно стоимости переговоров и баланса абонента. ЦК служит также интерфейсом между сетью GSM и наземными сетями. ЦК может быть соединен с другим ЦК той же сети или с ЦК другой сети GSM. Информация об абонентах сети хранится в двух основных базах данных - HLR (home location register - домашний регистр) и VLR (visitor location register - гостевой регистр). Домашний регистр содержит информацию об уровнях обслуживания, дополнительных услугах и текущем местоположении абонентов, принадлежащих данной сети. Гостевой регистр содержит информацию об уровнях обслуживания и текущем местоположении абонентов, посещающих данную сеть в режиме роуминга. Каждый раз, когда МТ переходит по роумингу в другую область обслуживания, VLR, обслуживающий данную зону, информирует соответствующий HLR о новом местоположении абонента. Область обслуживания - это территория, в пределах которой МТ может свободно перемещаться без обновления информации в домашнем и гостевом регистрах. Область обслуживания может состоять из зоны обслуживания одной или нескольких базовых станций. HLR также информирует VLR об открытых данному абоненту услугах. Центр аутентификации AUC содержит коды идентификации абонента (содержащиеся также в памяти SIM-карты) и предоставляет информацию об абоненте в регистры HLR и VLR (через HLR). Регистр идентификации оборудования (EIR) содержит информацию о действующих МТ и может запретить исходящие звонки с МТ, если этот терминал зарегистрирован как украденный, если он не сертифицирован или имеет неисправности, могут повлиять на работу сети. Управление мощностью Емкость сети сотовой связи ограничивается соканальной интерференцией (помеха на частоте канала связи). Управление мощностью помогает минимизировать мощность, излучаемую МТ и БС. Это необходимо для уменьшения интерференции в каналах приема и передачи и, в конечном счете, для обеспечения требуемого качества передачи речи по радиоканалу. Другими словами, если МТ находится вблизи от БС, он будет излучать малую мощность, а по мере удаления от БС излучаемая мощность будет возрастать. Таким образом, мощность, излучаемая МТ, никогда не будет больше необходимой. К МТ GSM предъявляется требование возможности регулировки мощности в каждом кадре по команде БС. Эти команды вырабатывает контроллер БС. Уровни мощности МТ имеет возможность регулировать излучаемую мощность от максимального уровня до уровня 20 мВт с шагом 2 дБ. "Эстафетная передача" Одна из основных идей построения сети сотовой связи - обеспечение наилучших условий связи для канала МТ-БС. Обычно такие условия создаются с помощью ближайшей БС. Таким образом, если МТ перемещается, то может быть необходимо разорвать соединение с текущей установить соединение с другой БС (на другой частоте). Этот процесс называется "эстафетной передачей" (handover). Распределение трафика Поскольку в процессе "эстафетной передачи" происходит "закрепление" МТ за определенной БС, этот процесс влияет на размер соты. Регулируя "пороговый уровень" в процессе handover'a, можно сделать соту больше или меньше. Таким образом, оператор сети может использовать handover не только для управления качеством связи, но и для регулировки размеров сот в соответствии с нагрузкой. Реализация эстафетной передачи Для управления процессом эстафетной передачи система сотовой связи должна иметь информацию не только о качестве канала связи МТ с данной БС, но и об обстановке в прилегающих БС. МТ стандарта GSM активен (т.е., передает или принимает сигналы) только в 2 из 8 временных интервалах TDMA-кадра. Таким образом, МТ может "прослушивать" передачу от окружающих БС в оставшееся время. Результаты этих измерений вместе с измерениями БС, передаются в сеть через БС, с которой в данный момент работает МТ. Измерения обрабатываются контроллером БС, который и принимает решение о необходимости выполнения эстафетной передаче МТ другой БС. Если необходимо передать телефон БС, управляемой другим контроллером, эта передача производится через ЦК. В интервале измерения приемник настраивается на частоту BCCH (широковещательного канала), чтобы иметь возможность измерять уровень сигнала как от "своей" БС, так и от соседних. Как же происходит установление соединения между двумя абонентами? С некоторыми условностями это выглядит следующим образом: В режиме ожидания сотовый телефон работает как приемник, настроенный на служебный канал. Кстати, это и является причиной расхода аккумулятора, даже если не делать ни одного звонка. При поступлении на центр коммутации запроса на соединение с мобильным абонентом, все базовые станции начинают посылать на служебном канале вызов, в котором содержится указание на номер мобильного телефона. Если телефон с этим номером находится в зоне действия какой-либо базовой станции, то он принимает этот вызов и посылает обратно "положительный ответ". После этого система выделяет для связи два канала (на прием и на передачу), сообщает о них мобильному телефону, тот настраивается на эти каналы, рапортует базовой станции, после чего включается звонок, и устанавливается связь. Звонок с МТ на ЦК Набор номера вызываемого абонента производится обычным способом с клавиатуры или с помощью вызова записанного номера из памяти телефона. Затем следует нажатие кнопки посыла вызова (трубка). Начинается поиск свободного канала связи. Когда канал найден, МТ передает свой идентификационный код на ЦК, который, в свою очередь, передает запрос на повтор кода. МТ отвечает повторной передачей кода, и ЦК сообщает о готовности к приему номера вызываемого абонента. МТ посылает набранный номер и ждет, пока ЦК подтвердит прием этого номера. После этого МТ переходит в режим передачи речи. Если соединение не состоялось, звучит сигнал занятости. Звонок с ЦК на МТ ЦК передает вызов на канале управления. МТ отвечает своим идентификационным кодом. Затем ЦК сообщает МТ, на какой канал связи тот должен настроиться. При успешном переходе МТ на нужный канал ЦК посылает первый кадр вызова. Если МТ не отвечает, ЦК повторно посылает вызывные кадры с определённой периодичностью. После нажатия на МТ кнопки ответа, МТ переходит в режим передачи речи. Разговор Во время разговора качество канала связи контролируется с помощью так называемого фи-сигнала (один из четырех возможных тональных сигналов с частотой около 4 кГц). БС посылает фи-сигнал на МТ, который посылает его обратно. Качество обратного сигнала измеряется на БС, и, если оно неудовлетворительно, БС передает сигнал тревоги на ЦК. ЦК отдает команду измерить уровень сигнала от МТ на задействованную и соседние БС. Результаты измерений передаются на ЦК, после чего тот переводит соединение на БС с наилучшими условиями приема сигнала от МТ. Вопросы для самоконтроля 1. Назовите энергетические параметры радиорелейной аппаратуры. Приведите их значения для РРЛ и ТРЛ. 2. В каких диапазонах радиоволн и частот работают РРЛ и ТРЛ? Каковы особенности этих диапазонов? 3. Назовите типы станций на РРЛ, основные функции этих станций. 4. Что такое ВЧ ствол? По каким признакам различают ВЧ, ТФ и ТВ стволы? 5. Поясните назначение элементов структурной схемы ОРС трехствольной РРЛ. 6. Поясните принципы построения плана распределения частот РРЛ. Сопоставьте планы, организованные по двух- и четырехчастотным системам. 7. Преимуществами систем спутниковой связи (СС). 8. Многоадресные, одноадресные и смешанные сообщения и стволы. 9. Многостанционный доступ с частотным разделением (МДЧР). 10. Многостанционный доступ с временным разделением (МДВР). 11. Дать характеристику систем транкинговой радиосвязи. 12. Принцип построения сотовых систем связи. Лекция 14 Тема 14. Основы построения инфокоммуникационных сетей Раздел 14.1. Назначение и состав сетей электросвязи Современные телекоммуникационные сети используются для передачи различных видов информации: дискретных данных, аудио- и видео-информации. Причем, в создаваемых в настоящее время мультисервисных сетях, называемых также сетями нового поколения (Next Generation Network – NGN) все виды информации передаются в цифровой форме. Методы и устройства, используемые в вычислительных (компьютерных) сетях, широко применяются в сетях телекоммуникаций, а методы и средства телекоммуникаций используются в вычислительных сетях. Поэтому в настоящем пособии основное внимание уделено аппаратным и программным средствам вычислительных (компьютерных) сетей, на базе которых и создаются современные мультисервисные сети. Компьютерные сети передачи данных классифицируются на локальные и глобальные (рис.14.1). Рис.14.1 - Классификация сетей передачи данных Сеть может размещаться на ограниченном пространстве, например, в отдельном здании, в аудитории. При этом она называется локальной вычислительной сетью - ЛВС (Local Area Network - LAN). Основными технологиями локальных вычислительных сетей, которые применяются в настоящее время, являются Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Другие технологии ЛВС (Token Ring, 100VG-AnyLAN, FDDI и др.) используются редко. Совокупность нескольких локальных сетей называют составной или глобальной сетью (internetwork, internet). В составную сеть могут входить подсети (subnet) различных технологий. Крупные фирмы (корпорации) создают свои собственные сети (intranet), которые используют технологии как глобальных, так и локальных сетей. Объединение пользователей, расположенных на широком географическом пространстве, например, в разных городах, для совместного использования информационных данных, производится с помощью глобальных вычислительных сетей – ГВС (Wide Area Network - WAN). Глобальные сети передачи данных строят на основе различных сетевых технологий. При этом используются: • цифровые выделенные линии или соединения, которые бывают постоянные (permanent dedicated connections) или арендуемые (leased dedicated lines). Цифровые выделенные линии включают технологии плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy - PDH) и синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy - SDH); • цифровые сети интегральных служб с коммутацией каналов (Integrated Services Digital Network – ISDN); • цифровые абонентские линии (Digital Subscriber Line - DSL); • аналоговые выделенные линии с применением модемов; • аналоговые сети с коммутацией каналов (dialup), т.е. аналоговые АТС. • сети с коммутацией пакетов: - сети технологии X.25; сети трансляции кадров Frame Relay; ATM – Asynchronous Transfer Mode; - сети технологии IP. Наиболее производительными являются технологии PDH, SDH. Например, скорость передачи данных технологии PDH составляет от 2 Мбит/с до 139 Мбит/с; технологии SDH – от 155 Мбит/с до 10 Гбит/с и выше. Основными аппаратными средствами технологии PDH, SDH являются мультиплексоры (MUX). В зависимости от предъявляемых требований в глобальных вычислительных сетях могут использоваться технологии виртуальных каналов, применяемых в сетях X.25, Frame Relay, ATM. Технология X.25 использует ненадежные аналоговые линии связи, поэтому характеризуется низкой скоростью передачи данных (до 48 кбит/с). Однако данная технология применяется до настоящего времени, например, в сетях банкоматов. Технология Frame Relay обеспечивает более высокую по сравнению с Х.25 скорость передачи данных до 2 – 4 Мбит/с. Но линии связи должны быть более надежными по сравнению с Х.25. Наибольшую скорость передачи данных (155 или 620 Мбит/c) обеспечивают сети АТМ. Однако развитие этих сетей сдерживает их высокая стоимость. Компромиссное решение по цене и скорости передачи данных предоставляют IP сети, получившие в настоящее время наиболее широкое распространение. Виртуальные частные сети (Virtual private network - VPN) формируются внутри общественной сети, например, Интернета (рис.14.2). Рис.14.2 - Виртуальная частная сеть Причем, безопасность и надежность связи VPN обеспечивается на уровне частных сетей. Используя VPN, сотрудники фирмы могут получить безопасный дистанционный доступ к корпоративной сети компании через Интернет. Обычно между удаленными пользователями и сетью предприятия устанавливается связь точка – точка (point-to-point). Существует три типа VPNs: 1. Виртуальные частные сети удаленного доступа (Access VPNs) обеспечивают удаленный доступ мобильным пользователям и малым офисам к сети компании. 2. Виртуальные частные сети интранет (Intranet VPNs) использует выделенные связи (dedicated connections), чтобы соединить региональные и удаленные офисы с внутренней сетью по разделяемой инфраструктуре. Сети Intranet VPNs отличаются от Extranet VPNs в том, что позволяют доступ только служащим предприятия. 3. Сети экстранет (Extranet VPNs) соединяет деловых партнеров с внутренней сетью по разделяемой инфраструктуре. Extranet VPNs позволяют доступ пользователям вне предприятия. Безопасность доступа обеспечивается через пароли, идентификаторы и т.д. Раздел 14.2. Принципы построения систем коммутации Под коммутацией понимается замыкание, размыкание и переключение электрических цепей. Коммутация осуществляется на коммутационных узлах. На сетях электросвязи посредством коммутации абонентские устройства соединяются между собой для передачи (приема) информации. Абонентские устройства в некоторых случаях называют оконечными устройствами сети. Коммутация осуществляется на коммутационных узлах (КУ), являющихся составными частями сети электросвязи. Абонентские устройства сети соединяются с КУ абонентскими линиями (АЛ). КУ, находящиеся на территории одного города (населенного пункта), соединяются соединительными линиями (СЛ). Если коммутационные узлы находятся в разных городах, то линии связи, соединяющие их, называются междугородными или внутризоновыми. Коммутационный узел, в который включаются абонентские линии, называется коммутационной станцией или просто станцией. В некоторых случаях абонентские линии включаются в подстанции (ПС). Лицо, пользующееся абонентским устройством для передачи и приема информации, называется абонентом. Для передачи информации от одного абонентского устройства сети к другому требуется установить соединение между этими устройствами через соответствующие узлы и линии связи. Для осуществления соединения на коммутационных узлах устанавливается коммутационная аппаратура. Совокупность линейных и станционных средств, предназначенных для соединения оконечных абонентских устройств, называется соединительным трактом. Число коммутационных узлов между соединяемыми абонентскими устройствами зависит от структуры сети и направления соединения. Для осуществления требуемого соединения коммутационный узел и абонентское устройство обмениваются управляющими сигналами. На КУ соединение может устанавливаться на время, необходимое для передачи одного сообщения (например, одного телефонного разговора), или на длительное время, превышающее время передачи одного сообщения. Коммутация первого вида называется оперативной, а второго - кроссовой (долговременной). Структура коммутационного узла Коммутационный узел представляет собой устройство, предназначенное для приема, обработки и распределения поступающей информации. Для выполнения своих функций коммутационный узел должен иметь: • коммутационное поле (КП), предназначенное для соединения входящих и исходящих линий (каналов) на время передачи информации; • управляющее устройство (УУ), обеспечивающее установление соединения между входящими и исходящими линиями через коммутационное поле, а также прием и передачу управляющей информации. Рис. 14.3 - Основные составляющие коммутационного узла К аппаратуре для приема и передачи управляющей информации относятся: • регистры (Рег), или комплекты приема номера (КПН), кодовые приемопередатчики и пересчетные устройства; • линейные комплекты (ЛК) входящих и исходящих линий (каналов), предназначенные для приема и передачи линейных сигналов (сигналов взаимодействия) по входящим и исходящим линиям или каналам для выделения каналов в системах передачи, а также для приема и передачи сигналов взаимодействия с управляющими устройствами узла; • шнуровые комплекты (ШК) предназначены для питания микрофонов телефонных аппаратов, приема и посылки служебных сигналов в процессе установления соединения; • устройства ввода и вывода линий (кросс). Кроме того, на узле имеются источники электропитания, устройства сигнализации и учета параметров нагрузки (количество сообщений, потерь, длительности занятия и др.). В некоторых случаях коммутационный узел может иметь устройства приема и хранения информации, если таковая передается не непосредственно потребителю информации, а предварительно накапливается на узле. Такие узлы применяются в системах коммутации сообщений. Рис. 14.4 - Структура коммутационного узла Коммутационные узлы сетей связи классифицируются по ряду признаков: - по виду передаваемой информации (телефонные, телеграфные, вещания, телеуправления, передачи данных и др.); - по способу обслуживания соединений (ручные, полуавтоматические, автоматические); - по месту, занимаемому в сети электросвязи (районные, центральные, узловые, оконечные, транзитные станции, узлы входящего и исходящего сообщения); - по типу сети связи (городские, сельские, учрежденческие, междугородные); - по типу коммутационного и управляющего оборудования (электромеханические, механоэлектронные, квазиэлектронные, электронные); - по системам применяемого коммутационного оборудования (декадно-шаговые, координатные, машинные, квазиэлектронные, электронные); - по емкости, т.е. по числу входящих и исходящих линий или каналов (малой, средней, большой емкости); - по типу коммутации (оперативная, кроссовая, смешанная); - по способу разделения каналов (пространственный, пространственно-временной, пространственно-частотный); - по способу передачи информации от передатчика к приемнику (узлы коммутации каналов, обеспечивающие коммутацию каналов для непосредственной передачи информации в реальном масштабе времени от передатчика к приемнику после установления соединительного тракта; узлы коммутации сообщений и узлы коммутации пакетов, обеспечивающие прием и накопление информации на узлах с последующей ее передачей в следующий узел или в приемник). Способы установления соединений Известны три способа коммутации: коммутация каналов, коммутация сообщений, коммутация пакетов. На телефонных сетях наиболее распространенным способом коммутации является коммутация каналов (линий). Он характеризуется тем, что по переданному адресу представляется тракт между передатчиком и приемником на все время передачи информации в реальном масштабе времени. Недостатком этого способа является то, что тракт в большинстве случаев используется не полностью, так как информация (речевое сообщение) прерывается длительными паузами. Это приводит к неполному использованию каналов, что, в свою очередь, требует увеличения их числа на сети для поддержания требуемого качества обслуживания вызовов. В таких системах коммутации качество обслуживания вызовов оценивается вероятностью отказов в установлении соединения из-за занятости каналов (линий) и приборов коммутации (системы с потерями) или временем ожидания обслуживания вызова (в системах с ожиданием). Перечисленные показатели нормируются. Способ коммутации сообщений характеризуется тем, что тракт между приемником и передатчиком заранее не устанавливается, а канал в нужном направлении предоставляется по адресу, приписываемому в начале сообщения, только для передачи сообщения, а в паузах этот канал используется для передачи других сообщений. Пришедшее на коммутационную станцию (узел) сообщение (или его часть - сегмент) поступает в запоминающее устройство. После приема и анализа адреса сообщение устанавливается в очередь для передачи его в нужном направлении. Системы коммутации сообщений являются системами с ожиданием. Качество обслуживания вызовов оценивается по среднему времени задержки. Способ коммутации сообщений используется, когда не требуется работа в реальном масштабе времени. По сравнению с коммутацией каналов коммутация сообщений имеет следующие преимущества: повышается использование каналов; возможно использование разных типов каналов на разных участках; регистрируются и хранятся проходящие через узел сообщения. При коммутации пакетов сообщение разбивается на части одинакового объема, называемые пакетами. Каждому пакету присваивается номер пакета и адрес получателя. Передача пакетов одного сообщения происходит аналогично передаче в системе с коммутацией сообщений и может осуществляться по одному или разным путям. В оконечном пункте пакеты собираются и выдаются адресату. Ведутся работы по использованию способа коммутации пакетов для передачи информации, требующей доставки в реальном масштабе времени (технологии ATM, Frame Relay и пр.). Каждый из способов коммутации имеет свои преимущества и недостатки и может быть эффективно использован в определенных условиях и для определенных видов информации. Раздел 14.3. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем Сложность сетевых структур и разнообразие телекоммуникационных устройств, выпускаемых различными фирмами, привели к необходимости стандартизации как устройств, так и процедур обмена данными между пользователями. Международная организация стандартов (International Standards Organization - ISO) создала эталонную модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection reference model - OSI), которая определяет концепцию и методологию создания сетей и систем передачи данных. Модель ISO/OSI описывает стандартные правила функционирования устройств и программных средств при обмене данными между узлами (компьютерами) в открытой системе. Открытая система состоит из программно-аппаратных средств, способных взаимодействовать между собой при использовании стандартных правил и устройств сопряжения (интерфейсов). Модель ISO/OSI включает семь уровней. На рис. 14.5 показана модель взаимодействия двух устройств: узла источника – source и узла назначения – estination. Рис.14.5 - Семиуровневая модель ISO/OSI Правила, по которым происходит обмен данными между программно-аппаратными средствами, находящимися на одном уровне, называется протоколом. Набор протоколов называется стеком протоколов и задается определенным стандартом. Взаимодействие соответствующих уровней является виртуальным, за исключением физического уровня, на котором происходит обмен данными по кабелям, соединяющим компьютеры. Взаимодействие уровней между собой происходит через межуровневый интерфейс и каждый нижележащий уровень предоставляет услуги вышележащему. Виртуальный обмен между соответствующими уровнями узлов HostA и HostB (рис.14.4) происходит определенными единицами информации. На трех верхних уровнях – это сообщения или данные (Data). На транспортном уровне – сегменты (Segment), на сетевом уровне – пакеты (Packet), на канальном уровне – кадры (Frame) и на физическом передается поток битов. Рис.14.6 - Устройства и единицы информации соответствующих уровней Для каждой сетевой технологии существуют свои протоколы и свои технические средства, часть из которых имеет условные обозначения, приведенные на рис.14.6. Данные обозначения введены фирмой Cisco и стали общепринятыми. Среди технических средств физического уровня следует отметить кабели, разъемы, повторителей сигналов (repeater), многопортовые повторители или концентраторы (hub), преобразователи среды (transceiver), например, преобразователи электрических сигналов в оптические и наоборот. На канальном уровне это мосты (bridge), коммутаторы (switch). На сетевом уровне – маршрутизаторы (router). Сетевые адаптеры (Network Interface Card – NIC) функционируют как на канальном, так и на физическом уровне. При передаче данных от источника к узлу назначения, подготовленные на прикладном уровне передаваемые данные последовательно проходят от самого верхнего Прикладного уровня 7 узла источника информации до самого нижнего – Физического уровня 1, затем передаются по физической среде узлу назначения, где последовательно проходят от уровня 1 до уровня 7. Самый верхний Прикладной уровень (Application Layer) 7 оперирует наиболее общей единицей данных – сообщением. На этом уровне реализуется управление общим доступом к сети, потоком данных, сетевыми службами, такими как FTP, TFTP, HTTP, SMTP, SNMP и др. Представительский уровень (Presentation Layer) 6 изменяет форму представления данных. Например, передаваемые с уровня 7 данные преобразуются в общепринятый формат ASCII. При приеме данных происходит обратный процесс. На уровне 6 также происходит шифрация и сжатие данных. Сеансовый (Session Layer) уровень 5 устанавливает соединение двух компьютеров, определяет, какой компьютер является передатчиком, а какой приемником, задает для передающей стороны время передачи. Транспортный уровень (Transport Layer) 4 из длинного сообщения узла источника информации формирует сегменты определенного объема, а короткие сообщения может объединять в один сегмент. В узле назначения происходит обратный процесс. Кроме того, транспортный уровень обеспечивает надежную доставку пакетов. При обнаружении потерь и ошибок на этом уровне формируется запрос повторной передачи, при этом используется протокол TCP. Когда необходимость проверки правильности доставленного сообщения отсутствует, то используется более простой протокол UDP. Сетевой уровень (Network Layer) 3 адресует сообщение, задавая единице передаваемых данных (пакету) логический сетевой адрес, определяет маршрут, по которому будет отправлен пакет данных, транслирует логические сетевые адреса в физические, а на приемной стороне – физические адреса в логические. Канальный уровень (Data Link) 2 формирует из пакетов кадры данных (frames). На этом уровне задаются физические адреса устройства-отправителя и устройства-получателя данных. На этом же уровне к передаваемым данным производится прибавление контрольной суммы, определяемой с помощью алгоритма циклического кода. На приемной стороне по контрольной сумме определяют и по возможности исправляют ошибки. Физический уровень (Physical) 1 осуществляет передачу потока битов по соответствующей физической среде (электрический или оптический кабель, радиоканал) через соответствующий интерфейс. На этом уровне производится кодирование данных, синхронизация передаваемых битов информации. Протоколы трех верхних уровней являются сетенезависимыми, три нижних уровня являются сетезависимыми. Связь между тремя верхними и тремя нижними уровнями происходит на транспортном уровне. Важным процессом при передаче данных является инкапсуляция (encapsulation) данных. Передаваемый поток данных, сформированный приложением, проходит три верхних сетенезависимых уровня и поступает на транспортный уровень, где формируются сегменты данных (рис. 14.7). Рис.14.7 - Инкапсуляция данных На сетевом уровне к сегменту добавляется заголовок (header), который содержит специфическую для данного уровня информацию, прежде всего, сетевые (логические) адреса отправителя информации (источника) – Source Address (SA) и адрес получателя (назначения) – Destination Address (DA). При этом формируется пакет данных. На канальном уровне к пакету добавляется новый заголовок, содержащий физические адреса источника и следующего узла сети, через который пройдет сообщение, а также другую информацию. При этом формируется кадр или фрейм данных. Кроме того, на этом уровне добавляется трейлер (концевик) кадра, содержащий информацию, необходимую для проверки правильности принятой информации. Таким образом, происходит обрамление данных заголовками со служебной информацией, т.е. инкапсуляция данных. Помимо модели OSI на практике используется также четырехуровневая модель TCP/IP (Рис.14.8). Рис.14.8 - Модель TCP/IP Прикладной уровень модели TCP/IP по названию совпадает с названием модели OSI, но по функциям гораздо шире, поскольку охватывает три верхних сетенезависимых уровня (прикладной, представительский и сеансовый). Транспортный уровень обеих моделей и по названию, и по функциям одинаков. Сетевой уровень модели OSI соответствует межсетевому (internet) уровню модели TCP/IP, а два нижних уровня (канальный и физический) представлены объединенным уровнем Network Access. Раздел 14.4. Топология сетей Различают физическую и логическую топологии сети. Физическая топология отображает расположение компьютеров, кабелей и других сетевых элементов, т.е. представляет собой наиболее общую структуру сети. Устройства глобальных сетей WAN, как правило, соединяются в кольцевые структуры или по схеме “точка - точка”. Наибольшее распространение в ЛВС получили топологии (рис.14.8): шина (bus), звезда (star), расширенная звезда (extended star), кольцо (ring), а также полносвязная топология, где все узлы связаны между собой (mesh topology) индивидуальными линиями. При использовании базовых топологий bus, ring пользователи вынуждены делить линии связи между собой. Разделяемая (shared) линия или среда передачи данных снижает стоимость сети. Но в каждый момент времени линией может пользоваться только одна пара абонентов. Рис.14.9 - Физическая топология сетей Топология на основе шины (bus) характеризуется тем, что передачу данных в данный момент времени может вести только один узел. Ожидание своей очереди на передачу данных является недостатком топологии. При выходе какого-то узла из строя вся остальная сеть будет функционировать без изменений. Другими достоинствами топологии являются экономное расходование кабеля, простота, надежность и легкость расширения сети. Топология на основе звезды (star) требует применения центрального устройства – концентратора (hub). Выход из стоя одного узла не повлияет на работоспособность остальной сети. Сеть легко модифицируется путем подключения новых узлов. Из недостатков можно отметить уязвимость центра и увеличенный расход кабеля по сравнению с шинной топологией. При использовании топологии по типу кольца (ring) сигналы передаются в одном направлении от узла к узлу. При выходе из стоя любого узла, прекращается функционирование всей сети. Логическая топология сети определяет, как узлы общаются через среду. Наиболее известные логические топологии: широковещательная (broadcast) и маркерная (token passing). Использование широковещательной топологии определяет, что каждый узел посылает свои данные всем другим узлам сетевой среды. При этом не известно, какие станции функционируют. В таком режиме работает Ethernet. Маркерная логическая топология использует электронный маркер (token), который последовательно передается каждому узлу. Узел, получивший маркер, может передавать данные в сеть. Если в узле нет данных для передачи, то он передает маркер следующему узлу и процесс повторяется. Топологию token passing используют сети - Token Ring and Fiber Distributed Data Interface (FDDI). Физическая и логическая топологии сети могут быть одинаковыми или разными. Например, широко известная сетевая технология Ethernet может использовать концентраторы (hub) и кабель “витая пара”. Физическая топология на рис.14.10 представляет собой звезду, поскольку все компьютеры подключены к центральному устройству – концентратору (hub). Логическая же топология – шина, поскольку внутри концентратора все компьютеры подсоединены к общей магистрали. Логическая топология сетевых технологий Token Ring и FDDI представляет собой кольцо, по которому передается маркер (token).В случае же применения концентратора физическая топология Token Ring будет представлять собой звезду. Рис.14.10 - Топология: физическая – звезда, логическая – шина Кольцевая логическая топология с передачей маркера (или метки) получила название token-passing. А логическая топология шина получила название широковещательной (broadcast). Вопросы и задания для самоконтроля 1. Что характеризует инкапсуляцию на канальном уровне? (выбрать два ответа) 2. Какие сети при передаче данных используют коммутацию каналов? 3. Что характеризует канальный уровень? (выбрать три ответа) 4. Название какого уровня имеется как в OSI, так и в TCP/IP модели, но имеет разные функции? 5. Какие топологии относятся к логическим? 6. Какие устройства функционируют на канальном уровне модели OSI? 7. Что описывает локальную сеть? (выбрать два ответа) 8. Какие существуют типы VPN? 9. Какие уровни моделей OSI и TCP/IP имеют одинаковые функции и различные названия? (выбрать два ответа) 10. Какие сети при передаче данных используют коммутацию пакетов? 11. Какие устройства функционируют на сетевом уровне модели OSI? 12. Какие сети при передаче данных используют технологию виртуальных каналов? 13. Какие устройства функционируют на физическом уровне модели OSI? 14. На каком уровне модели OSI функционируют сетевые карты? (выбрать два ответа) Заключение Основное направление развития инфокоммуникационных систем и сетей – применение волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). ВОСП – передача сообщений с помощью оптических волокон и сигналов. ВОСП и ВОЛС позволяют передавать различные сообщения практически на любые расстояния с наивысшими скоростями, создавать бортовые системы самолетов и кораблей и создавать глобальные телекоммуникационные сети. ВОЛС предопределяют развитие радиоэлектроники, атомной энергетики, космоса и т.д. В ВОСП передача сообщений осуществляется посредством световых волн от 0,1 мкм до 1мм. Диапазон длин волн, где обеспечиваются наилучшие условия распространения световых волн по ОВ, называется окном прозрачности. Современная эра оптической связи началась с изобретения в 1958 г. первого лазера. Лазерное излучение имеет полосу пропускания 4700 ГГц, в которой можно разместить одновременно около миллиона телевизионных каналов. Но использование лазерного излучения в открытом пространстве (открытые системы связи) требуют точность наведения антенн передатчика и приемника, имеют высокий уровень шумов, испытывают влияние характеристик атмосферы и низкую надежность. Поэтому они не нашли широкого применения. Нужна была направляющая среда, т е. создание оптических волокон. Лазеры излучают энергию в области инфракрасного излучения, где затухание волокна составляет 20 дБ/км. Работы в направлении уменьшения затухания волокон привели к тому, что в 1979 году были разработаны волокна с потерями порядка 0,2 дБ/км. Были созданы надежные полупроводниковые источники оптического излучения, и началось быстрое внедрение ВОЛС в телекоммуникациях. Основные достоинства ВОЛС: 1. Расстояние между ретрансляторами до 150 км. 2. ОК с малыми габаритами, массой и высокой пропускной способностью. 3. Постоянное снижение стоимости производства ОК. 4. Высокая помехозащищенность от внешних помех. 5. Применение в неблагоприятных условиях (повышенные влажность и температурный режим), использование для подводных линий связи. 6. Надежная техника безопасности (безопасность во взрывоопасных средах, отсутствие искрения и короткого замыкания), полная электрическая безопасность изоляции. Завершено создание Транссибирской оптической линии (ТСЛ), протяженностью около 17 тыс. км, которая проходит по всей стане и свяжет Восток и Запад страны со странами Европы, Азии и Америки. ТСЛ замыкает глобальное волоконно-оптическое кольцо цифровой связи, которое охватывает четыре континента – Европу, Азию, Америку и Австралию и три океана – Атлантический, Тихий и Индийский. К концу ХХ века завершена прокладка трансатлантической ВОЛС протяженностью около 6000 км без ретрансляторов между Америкой и Европой. Эта линия использует волокна из тетрафторида циркония, имеющего затухание 0,01 дБ/км и из фторида бериллия с затуханием 0,005 дБ/км. Перспективы развития беспроводных линий связи Мобильная или подвижная радиосвязь означает связь между подвижными объектами, каждый из которых занимают относительно друг друга случайное положение. Термин подвижный объект применим к наземным объектам, судам, летательным аппаратам и спутникам связи. Системы мобильной связи разделяют: - профессиональные системы ПС; - системы персонального вызова; - системы беспроводных телефонов; - системы сотовой связи общего пользования. Персональные системы подвижной связи – создаются и развиваются в интересах государственных организаций и учреждений, коммерческих структур, скорой помощи, милиции и т.д. Они имеют радиальную структуру сети, обеспечивающую соединение подвижных объектов с абонентами телефонных сетей общего пользования. Такие системы называют транкинговыми, т. е. все абоненты имеют равный доступ к общему пучку каналов. СПВ или пейджинга – обеспечивают одностороннюю передачу информации с отображением данных на дисплее получателя. Их разделяют на частные (ведомственные) и общего пользования. Частные СПВ – передача сообщений на ограниченных территориях в интересах отдельных групп пользователей с пультов управления диспетчерами без взаимодействия с телефонной сетью общего пользования. СПВ общего пользования осуществляет передачу сообщений в радиоканале с помощью телефонной сети общего пользования. Основные преимущества радиопейджинга: широкая зона обслуживания, низкие тарифы, удобство пользования. Системы беспроводных телефонов первоначально ориентированы на использование в условиях офисов и квартир. Позже они стали развиваться как системы общего пользования. Все перечисленные системы радиосвязи являются радиальными, т. е. используют одну центральную радиостанцию со значительным радиусом действия (до 100 км). Недостаток такой системы – ограничение зоны обслуживания, невозможность увеличения обслуживаемых абонентов в выделенном диапазоне частот. Преодолеть этот недостаток возможно при использовании сотовой сети радиосвязи. Такие сети позволяют использовать одни и те же частоты в нескольких ячейках. Ячейки напоминают соты – сотовая связь. При организации сотовой связи площадь, подлежащая телефонизации, покрывается сетью базовых приемопередающих станций. Чувствительность и мощность приемопередатчиков базовых станций гораздо выше, чем подвижных, что позволяет сделать телефоны достаточно компактными и использовать источники питания ограниченной емкости. При перемещении подвижной станции через границу соты осуществляется переключение с одной базовой станции на другую. Причем, переключение осуществляется незаметно для абонента. Системы СС разрабатывались еще в 70-е годы прошлого века. Однако внедрение началось только после того, как были найдены способы определения текущего местонахождения абонентов и обеспечение непрерывной связи при перемещении абонентов из одной соты в другую. Основные функции сотовой связи: - телефонии (речи, коротких сообщений, факсимильных сообщений); - передачи данных со скоростями до 10 кБит/с. К дополнительным функциям относятся: определение номера абонента, переадресация вызова, ожидание вызова, кенференц-связь и др. Список литературы 1. Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей [Электронный ресурс] : учебник для вузов / Н. Н. Васин [и др.]. ; ПГУТИ, Каф. СС. - Электрон. текстовые дан. (1 файл: 2,60 Мб). - Самара : ИНУЛ ПГУТИ, 2017. - Загл. с титул. экрана. - Электрон. версия печ. издания 2017 г. – Режим доступа: http://elib.psuti.ru/Vasin_Osnovy_postroeniya_infokommunikacionnyh_sistem_i_setej_uchebnik_2017.pdf, свободный. - Б. ц. Лиценз. договор № 217 от13.06.2017 г. 2. Кокорева, Е. В. Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей. Методы маршрутизации [Электронный ресурс]/Е. В. Кокорева — Электрон. текстовые данные.— Новосибирск: СибГУТИ, 2015; Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/55490. 3. Берлин, А. Н. Телекоммуникационные сети и устройства [Электронный ресурс]/А. Н. Берлин — Электрон. текстовые данные.— М.: ИНТУИТ, 2016; Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/52197. 4. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей [Текст] : учебник для вузов / В. В. Крухмалев [и др.]; ред.: В. Н. Гордиенко, В. И. Крухмалев . - 2-е изд. - М. : Горячая линия-Телеком, 2008. - 424 с. : ил.; 102экз. НТБ ПГУТИ. Глоссарий ВСС РФ - Взаимоувязанная сеть связи Российской Федерации АИМ – амплитудно-импульсная модуляция АМ – амплитудная модуляция АХ - амплитудная характеристика АЦП - аналого-цифровой преобразователь АЧХ - амплитудно-частотная характеристика ВГ - вторичная группа ВОСП - волоконно-оптическая система передачи ВРК - временное разделение каналов ВУ – видеоусилитель ВЭО - высокая эллиптическая орбита ГВП - групповое время прохождения ГВС - глобальная вычислительная сеть ГКР – генератор кадровой развертки ГКСР – генератор кадровых синхроимпульсов ГСГИ – генератор строчных гасящих импульсов ГСО - геостационарная орбита ГСР – генератор строчной развертки ГССИ – генератор строчных синхроимпульсов ДС - дифференциальная система ЗГ – задающий генератор ЗС – оборудование формирования сигналов звукового сопровождения ИКМ - импульсно-кодовая модуляция ИС - источник сообщения КЗ - канал звука КИ - канал изображения КТЧ - канал тональной частоты ЛВС - локальная вычислительная сеть МД - многократный доступ МДВР - многостанционный доступ с временным разделением МДЧР - многостанционный доступ с частотным разделением МУПЧ - мощный усилитель промежуточный усилитель MUX – мультиплексор НВО - низковысотная орбита ОВ – оптическое волокно ОЗ - остаточное затухание ОИ – оптический интерфейс ОП - оконечные пункты ОЦК - основной цифровой канал ОЭ - осветительный элемент ПГ - первичная группа Пер – передатчик ПС - получатель сообщения PЦИ - плезиохронная цифровая иерархия ПЦК - первичный цифровой канал РДС - резисторная дифференциальная система РУ - развязывающее устройство СК - станция коммутации СМ – смеситель СПР-ОП - система подвижной радиосвязи общего пользования СПС - сеть подвижной связи СП с ВРК - система передачи с временным разделением каналов СП с ЧРК - система передачи с частотным разделением каналов СР - среда распространения СС – спутниковая связь ССИ - селектор синхроимпульсов СТМ - синхронный транспортный модуль СУВ - сигналы управления и взаимодействия СЦИ - синхронная цифровая иерархия ТГ – третичная группа ТДС - трансформаторная дифференциальная система ТКСС - телекоммуникационные системы и сети ТНОУ - точка тракта передачи с нулевым измерительным уровнем УПФ - узкополосный фильтр УС - узел связи ФВЧ - фильтр верхних частот ФНЧ - фильтром нижних частот ФУ - формирующее устройство ФЧХ - фазо-частотная характеристика ФЭ – фотоэлемент ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь ЦСП - цифровая система передачи ЧГ – четверичная группа ЭИ – электрический интерфейс ЭППЧ - эффективно передаваемой полосой частот