Основы построения многоканальных систем передач

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

58

Введение

Целью данного дипломного проекта является подбор учебного материала по теме основы построения многоканальных систем передач. Необходимо не только отобрать нужный материал, но и адаптировать его, по возможности, для полного понимания студентов. При этом необходимо учесть уровень знаний обучающихся, то есть, отталкиваясь от изученных ранее предметов, преподнести новый материал в доступном виде. При создании такого теоретического пособия следует ориентироваться на уровень студентов третьего курса очной, заочной и дистанционной форм обучения.

Кроме того, данное пособие необходимо представить в электронном виде, для более удобного использования, а также подготовить его в HTML формате для последующей публикации на web-странице. Таким образом, студенты, находящиеся на так называемом дистанционном обучении, имеют возможность самостоятельно осваивать учебный материал с использованием в учебном процессе возможностей компьютерной техники, в том числе, Интернет-технологий. Дистанционная форма - это современное расширение известной заочной формы, но с большими возможностями. Это комплекс образовательных услуг, предоставляемых широким слоям населения в стране и за рубежом с помощью специализированной информационной образовательной среды, базирующейся на средствах обмена учебной информацией на расстоянии (спутниковое телевидение, радио, компьютерная связь и так далее).

Дистанционное обучение базируется на принципе самостоятельного обучения студента. Среда обучения характеризуется тем, что учащиеся в основном, а часто и совсем, отдалены от преподавателя в пространстве и (или) во времени, в то же время они имеют возможность в любой момент поддерживать диалог с помощью средств телекоммуникации.

Любая из образовательных программ может реализовываться в дистанционной форме. Через систему компьютерных сетей обучающийся получает учебный материал, рассчитанный на самостоятельное освоение. В основе материала лежат учебные задания, которые для своего выполнения требуют усвоения теории. Таким теоретическим материалом для самостоятельного изучения и является данное электронное пособие. Для этого необходимо, чтобы подготовленный материал являлся самодостаточным и включал разнообразные графики, схемы и таблицы, которые необходимо представить в соответствии с рекомендациями для наилучшей наглядности и удобства прочтения.

Также, для полного усвоения материала, по каждой главе приводится список литературы, обращаясь к которому, любой желающий может более детально изучить какую-либо тему или теорию.

В данном электронном учебном пособии необходимо разработать ряд вопросов для самоконтроля, чтобы студент мог разобраться в том, как он усвоил материал и на какие аспекты следует обратить внимание в случае, если он не разобрался в материале до конца.

В учебном пособии, в соответствии со стандартом ОПД.Д.07, где должны быть отражены следующие основные моменты, касающиеся многоканальных систем передач: основные принципы многоканальной передачи; понятия о сообщениях, сигналах и каналах передачи; принципы построения систем передачи с частотным и временным разделением каналов, отражены основные принципы волоконно-оптических цифровых систем передачи; рассмотрены цифровые сигналы и цифровые иерархии и многое другое поэтому структура пособия имеет следующий вид - приложение А, рисунок А.1.

Таким образом, цель данного дипломного проектирования сводится к созданию единого и полного материала, отражающего основы построения многоканальных систем передач, который найдет практическое применение в учебном процессе.

1. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

1.1 Принципы построения и структура взаимоувязанной сети связи РФ

В историческом плане все виды электросвязи длительный период развивались независимо друг от друга, в результате чего сформировались несколько независимых сетей. Вместе с тем, ряд министерств и ведомств стали создавать свои сети для удовлетворения собственных нужд. Такая техническая политика привела к еще большему разобщению технических средств, а эффективность совокупности сетей в масштабах страны оставалась низкой.

Возрастающие потребности в различных видах связи, обеспечивающих нужды народного хозяйства нашей страны, непрерывно расширяющиеся производственные и общественные взаимодействия людей ставят задачу постоянного совершенствования сети связи.

Концепция Единой автоматизированной сети связи (ЕАСС) предполагала создание общегосударственной сети на основе единой технической политики на базе аналоговых и цифровых систем передачи. Под понятием «автоматизированная сеть» подразумевается широкое использование автоматической коммутации, управления и автоматизации процессов технической эксплуатации.

В настоящее время этот проект, отражая изменение геополитической ситуации и новые технические достижения в области связи, носит название Взаимоувязанная сеть связи России.

Взаимоувязанная сеть связи (ВСС) - это совокупность технически сопряженных сетей электросвязи общего пользования, ведомственных и других сетей электросвязи на территории России независимо от ведомственной принадлежности и форм собственности, обеспеченная общим централизованным управлением. В состав ВСС не входят выделенные, внутрипроизводственные и технические сети.

Основными требованиями к ВСС являются надежность и экономичность.

Определенные технические средства ВСС участвуют в процессе передачи не зависимо от вида передаваемых сообщений. Совокупность этих элементов образует первичную сеть (ПС) ВСС [19].

Сеть связи первичная - совокупность типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, образованная на базе сетевых узлов, сетевых станций, оконечных устройств первичной сети и соединяющих их линий передачи. Часть сети, ограниченная территорией сельского района или города, называется местной первичной сетью. Часть, охватывающая территорию зоны и обеспечивающая соединение между собой каналов разных местных сетей внутри этой зоны, образует внутризоновую первичную сеть. Часть сети, соединяющая между собой каналы разных Зоновых сетей на всей территории страны, составляет магистральную первичную сеть. Принцип построения первичной сети ВСС показан на рисунке 1.1.1. В состав ПС входят сетевые узлы, сетевые станции и линии передачи.

Рисунок 1.1.1 - Принцип построения первичной сети ВСС

Узел сетевой - комплекс технических средств, обеспечивающий соединение сетевых станций первичной сети, образование и перераспределение сетевых трактов, типовых каналов передачи и типовых физических цепей, а также представление их вторичным сетям и спецпотребителям.

Станция сетевая - комплекс технических средств, обеспечивающий образование и предоставление вторичным сетям типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, а также их транзит.

Для организации взаимодействия между магистральными узлами и станциями строятся транспортные сети.

Сеть транспортная - часть первичной сети связи, охватывающая магистральные узлы, междугородные станции, а также соединяющие их каналы и узлы (национальные, международные) [1], [19].

Канал передачи - комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигнала электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между сетевыми станциями, сетевыми узлами или между сетевой станцией и сетевым узлом, а также между сетевой станцией или сетевым узлом и оконечным устройством первичной сети. Каналы подразделяются на аналоговые, цифровые и смешанные (аналого-цифровые).

Канал передачи, параметры которого соответствуют принятым нормам, называют типовым. Например, это каналы: тональной частоты с полосой частот 300…3400 Гц или основной цифровой канал (ОЦК) со скоростью передачи 64Кбит/с [5].

Канал передачи, групповые тракты организуются с помощью соответствующих систем передачи.

Система передачи - комплекс технических средств, обеспечивающих образование линейного тракта, типовых групповых трактов и каналов передачи первичной сети. Системы передачи разделяют на аналоговые и цифровые, проводные (электрические и оптические) и радиорелейные.

Групповой тракт - комплекс технических средств, предназначенный для организации нормализованного числа каналов тональной частоты или ОЦК в полосе частот или со скоростью передачи, соответствующей данному групповому тракту.

Групповой тракт, параметры и структура которого соответствуют принятым нормам, называют типовым. Например, это первичный аналоговый тракт с полосой частот 60…108 кГц или первичный цифровой тракт со скоростью передачи 2048 Кбит/с.

Линейный тракт системы передачи - комплекс технических средств, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью, соответствующей данной системе передачи. Линейный тракт может быть радиорелейным, кабельным (оптическим или электрическим), по типу системы передачи - аналоговым или цифровым [5].

Структура ПС учитывает административное деление страны. Территория страны поделена на зоны. Признак зоны - единая семизначная нумерация. Как правило, зоны совпадают с территориями областей. В соответствии с этим делением ПС состоит из отдельных частей (рисунок 1.1.1):

- местные ПС (МСП) - ограничены территорией города или сельского района;

- внутризоновые ПС (ВЗПС) - охватывает территорию зоны и обеспечивает соединение местных сетей внутри зоны;

- магистральная ПС (СМП) - соединяет зоновые сети.

На базе первичной сети строятся вторичные сети связи (ВС).

Сеть связи вторичная - совокупность линий и каналов вторичной сети, образованных на базе первичной сети, станций и узлов коммутации или станций и узлов переключений, предназначенная для организации связи между двумя, или более, определёнными точками. Границами вторичной сети являются стыки этой сети с абонентскими оконечными устройствами.

В состав ВС входят: оконечные абонентские устройства, абонентские линии (АЛ), коммутационные устройства и каналы, выделенные из ПС для организации данной ВС [рисунок 1.1.2].

Устройство оконечное абонентское (абонентский терминал) - оконечное устройство, устанавливаемое в помещении абонента и находящееся в его пользовании. В абонентский терминал могут включаться элементы сети (сетевые окончания) и операционные системы.

В зависимости от вида электросвязи вторичная сеть ВСС имеет название: телефонная, телеграфная, передача данных, факсимильная, передачи газет, звукового вещания, телевизионного вещания.

Рисунок 1.1.2 - Взаимодействие первичной и вторичных сетей ВСС

1 - система передачи (транспортная система); 2 - сетевой узел первичной (транспортной) сети; 3 - сетевая станция; 4 - интерфейсы - граница между двумя взаимодействующими системами (устройствами), определяемая общими функциональными и конструктивными характеристиками, требованиями к протоколам обмена и т.д. 5 - узел вторичной сети А - комплекс технических средств, осуществляющих соединение вторичной сети между собой; 6 - узел вторичной сети Б; 7 - станция вторичной сети А - комплекс технических средств, обеспечивающий соединение линий и каналов вторичной сети; 8 - станция вторичной сети Б; 9 - абонентский терминал сети А; 10 - абонентский терминал сети Б; 11 - линия передачи абонентская [19].

В зависимости от принадлежности сети связи подразделяются на:

Сеть связи общего пользования - составная часть ВСС РФ, открытая для пользования всем физическим и юридическим лицам.

Сети связи ведомственные (корпоративные) - сети электросвязи министерств и иных федеральных органов исполнительной власти, промышленных объединений (Газпром, Энергетические системы) и предприятий, создаваемые для удовлетворения производственных и специальных нужд, в масштабе как одного, так и нескольких государств, имеющие выход на сеть связи общего пользования. Корпоративные строятся так же, как и сети связи общего пользования. Они состоят из первичных и вторичных сетей.

Сеть связи наложенная - сетевая структура, которая строится параллельно существующей сети, как правило, с использованием новых методов передачи и коммутации (например, цифровых) и сопрягается с существующей сетью на различных иерархических уровнях.

1.2 Основные тенденции развития телекоммуникационных систем

В последние годы связь развивалась по пути цифровизации всех видов информации. Это стало главным направлением, обеспечивающим экономичные методы не только передачи информации, но и её распределения, хранения и обработки [20].

На смену аналоговым системам передачи и медным кабелям приходят волоконно-оптические системы передачи с колоссальными скоростями передачи.

Интенсивное развитие цифровых систем передачи объясняется существенными достоинствами этих систем по сравнению с аналоговыми: высокой помехоустойчивостью; слабой зависимостью качества передачи от длины линии связи; стабильностью электрических параметров каналов связи; эффективностью использования пропускной способности при передачи дискретных сообщений и так далее [7].

В России наблюдается ежегодный рост телефонной плотности (число телефонов на сто жителей) и к 2005 году количество телефонов ожидается 36,9, а к 2010 - 47,7.

На смену телеграфной связи пришли такие виды документальной связи, как передача данных, электронная почта, факсимильная связь.

Успешно развивается российский сегмент сети Интернет, растёт число пользователей электронной почтой.

Вместе с тем, ужесточаются требования к наборам, качеству и возможностям новых услуг связи. С конца 80-х - начала 90-х годов стал более активным рынок услуг связи - рынок требовал все более новых услуг, причем в крайне сжатые сроки. Все это привело к тому, что индустрия телекоммуникационных технологий в ближайшем будущем изменит свою ориентацию от производства способов и средств предоставления соединений на предоставление услуг. Главным «инициатором» таких изменений сегодня является концепция интеллектуальной сети - IN [22]. Базой для предоставления интеллектуальных услуг являются цифровые сети с интеграцией служб [7].

Сеть с интеграцией служб цифровая ЦСИС (Integrated Services Digital Network, ISDN) - сеть с интеграцией служб, обеспечивающая цифровые соединения между стыками «абонент - сеть» при передаче любых сигналов. Они подразделяются на узкополосные (У-ЦСИС, скорость передачи до 2 Мбит/с, и широкополосные Ш-ЦСИС, скорость передачи 2 Мбит/с и выше). Внедрение ЦСИС позволяет более эффективно решать проблему «доставки» информации к высокоскоростным магистралям, то есть совершенствовать сети доступа как проводные, так и беспроводные [1], [13].

Одним из важнейших факторов, влияющих на «интеллектуализацию» сетей, является развитие систем связи с мобильными абонентами. Например, уже внедренная во многих европейских странах цифровая система GSM (Global System Mobile) и перспективная универсальная система мобильной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Основные ключевые моменты развития телекоммуникационных технологий, с точки зрения их «интеллектуализации», отражены на рис.1.2.1.

Рисунок 1.2.1 Развитие телекоммуникационных технологий

Первым важным моментом является появление услуг модемной связи, используемой для передачи данных по аналоговой телефонной сети. Ее основным недостатком является низкая скорость передачи. Далее возникла потребность в тарификации объемов передаваемых данных, а не времени их передачи. Такая услуга была предоставлена в сетях пакетной коммутации. Затем, почти одновременно с ISDN (цифровая сеть интегрального обслуживания), ITU-T разработал и стандартизовал цифровую систему сигнализации по общему каналу SS7.

Система общеканальной сигнализации - система передачи межстанционной сигнализации по специальному каналу сигнализации, общему для пучка каналов коммутации (система сигнализации№7, ОКС 7/SS7) [3]. Внедрение ОКС освобождает типовые каналы (например канал ТЧ, ОЦК) от передачи по ним узкополосных или низкоскоростных сигналов управления и взаимодействия - СУВ (сигналы «готовности», «набора номера», «посылки вызова» и др.), что повышает эффективность использования типовых каналов. Кроме того, каналы ОКС могут быть организованы с более высоким качеством, большей надёжностью, что позволяет повысить эффективность работы сети в целом [28]. Считается, например, что без SS7 невозможно построение сетей ISDN, GSM, IN и др. По каналам ОКС может передаваться информация от систем управления (СУ) для управления элементами сети и сетью связи в целом. Одной из таких СУ является сеть управления электросвязью.

Сеть управления электросвязью (TMN) - специальная сеть, обеспечивающая управление сетями электросвязи и их услугами путём организации взаимосвязи с компонентами различных сетей электросвязи на основе единых интерфейсов и протоколов, стандартизированных Международным Союзом Электросвязи [15].

Следующий принципиальный момент - это появление в 1992 году технологии асинхронного режима переноса информации ATM (Asynchronous Transfer Mode) [12], [14], благодаря которому получили дальнейшее развитие такие сетевые концепции, как B-ISDN (широкополосная ISDN) , UMTS, B-IN и некоторые другие. Инфраструктура широкополосных коммуникаций делает возможным создание новых услуг, таких как услуги универсальной подвижной связи и услуги мультимедиа на сетях связи.

В заключении можно сказать, что человечество движется по пути создания Глобального информационного общества, основой которого станет Глобальная информационная инфраструктура, составляющей которой будут мощные транспортные сети связи и распределённые сети доступа, предоставляющие информацию пользователям. Глобализация связи и её персонализация (доведение услуг связи до каждого пользователя) - вот две взаимосвязанные проблемы, успешно решаемые на данном этапе развития. И, конечно же, дальнейшая эволюция телекоммуникационных технологий будет идти в направлении увеличения скорости передачи информации, интеллектуализации сетей и обеспечения мобильности пользователей.

Контрольные вопросы

1. Дайте определения понятиям «Взаимоувязанная сеть связи», «первичная сеть связи», «вторичная сеть связи».

2. Почему цифровые системы передачи вытесняют аналоговые? В чём их преимущества?

3. Охарактеризуйте основные тенденции развития телекоммуникационных систем.

2. Сообщения и сигналы

2.1 Информация, сообщения, сигналы

Информация - это сведения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования. Сообщение является формой представления информации.

Количество информации в отдельно взятом сообщении определяется величиной, обратной вероятности появления сообщения, вычисленной в логарифмических единицах:

, (2.1.1)

где р(а) - вероятность сообщения а,

k - основание логарифма.

При р(а)=1 количество информации равно нулю, то есть сообщение об известном событии никакой информации не несет.

Основание логарифма чаще всего принимают равным двум (k=2), и тогда количество информации, содержащейся в сообщении, выражается в двоичных единицах:

, (2.1.2)

Двоичную единицу обычно называют битом - от binary digit (двоичная цифра).

Совокупность всех возможных сообщений и вероятностей их появления образует ансамбль сообщений. Если ансамбль состоит всего из двух сообщений а₁ и а₂ (например, вида «да» и «нет» или 0 и 1), которые являются независимыми и равновероятными, то есть р(а₁)= р(а₂) - 1/2, то каждое из сообщений несет одну двоичную единицу (один бит) информации:

, (2.1.3)

Рисунок 2.1.1 - Принцип передачи сообщений

Различают четыре вида сигналов: непрерывный сигнал непрерывного времени (рисунок 2.1.2, а), непрерывный дискретного времени (рисунок 2.1.2, б), дискретный непрерывного времени (рисунок 2.1.2, в) и дискретный дискретного времени (рисунок 2.1.2, г) [27].

Рисунок 2.1.2 - Непрерывный сигнал непрерывного времени (а), непрерывный сигнал дискретного времени (б), дискретный сигнал непрерывного времени (в), дискретный сигнал дискретного времени (г).

а)	б)
в)	г)

Все сигналы могут быть подразделены на периодические, значения которых повторяются через определённые промежутки времени, и непериодические. Простейшим периодическим сигналом является гармоническое колебание [1].

S(t) = A•Sin(щ?t),

где A, щ - амплитуда и угловая частота колебания.

Любой периодический сигнал состоит из гармоник. Значение амплитуд (А_k),частот (щ_k) и начальных фаз (ц_k) которых можно найти, посредством разложения в ряд Фурье:



Если изобразить амплитуду А_k и фазу ц_k каждой гармоники на рисунке, то получим спектральные диаграммы. Распределение амплитуд А_k гармоник по частоте называется спектром амплитуд сигнала, а распределение фаз ц_k - спектром фаз. На рисунке 2.1.3 изображены временное и спектральное представления электрических сигналов [1].

Рисунок 2.1.3 - Временное и спектральное представления электрических сигналов

Непериодический сигнал легко получить из периодического, увеличивая период вплоть до бесконечности (на рисунке 2.1.4 показано последовательное двукратное увеличение периода). Спектральные диаграммы, соответствующие каждому периоду приведены на рисунке 2.1.5.



Рисунок 2.1.4 - Увеличение периода последовательности прямоугольных импульсов

Рисунок 2.1.5 - Переход к спектральной плотности одиночного прямоугольного импульса

При увеличении периода сигнала частота первой гармоники понижается и спектральные линии становятся гуще. Амплитуды гармоник уменьшаются, так как энергия сигнала перераспределяется между возросшим числом гармоник. Понятие спектра амплитуд заменяется понятием спектральной плотности амплитуд (аналогично возникает понятие спектральной плотности фаз), которая указывает на удельный вес бесконечно малой амплитуды синусоидального колебания в любой бесконечно узкой полосе частот (рисунок 2.1.5). Таким образом, спектр непериодического сигнала является в общем случае не дискретным, а непрерывным.

2.2 Сигналы электросвязи. Ширина полосы частот сигнала

Практически все электрические сигналы, отображающие реальные сообщения содержат бесконечный спектр частот. Для неискажённой передачи таких сигналов потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. С другой стороны, потеря на приёме хотя бы одной составляющей спектра приводит к искажению временной формы сигнала. Поэтому ставится задача передавать сигнал в ограниченной полосе пропускания канала таким образом, чтобы искажения сигнала удовлетворяли требованиям и качеству передачи информации. Таким образом, полоса частот - это ограниченный (исходя из технико-экономический соображений и требований к качеству передачи) спектр сигнала.

Ширина полосы частот ДF определяется разностью между верхней F_В и нижней F_Н частотами в спектре сообщения, с учётом его ограничения. Так, для периодической последовательности прямоугольных импульсов полоса сигнала ориентировочно может быть найдена из выражения:

,

где t_n - длительность импульса.

Первичный телефонный сигнал (речевое сообщение), называемый также абонентским, является нестационарным случайным процессом с полосой частот от 80 до 12 000 Гц. Разборчивость речи определяется формантами (усиленные области спектра частот), большинство которых расположено в полосе 300 … 3400 Гц. Поэтому по рекомендации Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ) для телефонной передачи принята эффективно передаваемая полоса частот 300 … 3400 Гц. Такой сигнал называется сигналом тональной частоты (ТЧ). При этом качество передаваемых сигналов получается достаточно высоким - слоговая разборчивость составляет около 90%, а разборчивость фраз - 99% [3].

Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания являются музыкальные инструменты или голос человека. Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20…20000 Гц.

Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) полоса частот ?F_C должна составлять 50…10000 Гц, для безукоризненного воспроизводства программ вещания (каналы высшего класса) - 30…15000 Гц., второго класса - 100…6800 Гц [2].

В вещательном телевидении принят метод поочередного преобразования каждого элемента изображения в электрический сигнал с последующей передачей этого сигнала по одному каналу связи. Для реализации такого принципа на передающей стороне применяются специальные электронно-лучевые трубки, преобразующие оптическое изображение передаваемого объекта в развернутый во времени электрический видеосигнал.

Рисунок 2.2.1 - Конструкция передающей трубки

В качестве примера на рисунке 2.2.1 представлен в упрощенном виде один из вариантов передающей трубки. Внутри стеклянной колбы, находящейся под высоким вакуумом, расположены полупрозрачный фотокатод (мишень) и электронный прожектор (ЭП). Снаружи на горловину трубки надета отклоняющая система (ОС). Прожектор формирует тонкий электронный луч, который под воздействием ускоряющего поля направляется к мишени. При помощи отклоняющей системы луч перемещается слева направо (по строкам) и сверху вниз (по кадру), обегая всю поверхность мишени. Совокупность всех (N) строк называется растром. На мишень трубки, покрытую светочувствительным слоем, проецируется изображение. В результате каждый элементарный участок мишени приобретает электрический заряд. Образуется так называемый потенциальный рельеф. Электронный луч, взаимодействуя с каждым участком (точкой) потенциального рельефа, как бы стирает (нейтрализует) ее потенциал. Ток, который течет через сопротивление нагрузки R_н, будет зависеть от освещенности участка мишени, на который попадает электронный луч, и на нагрузке выделится видеосигнал U_с (рисунок 2.2.2). Напряжение видеосигнала будет изменяться от уровня «черного», соответствующего наиболее темным участкам передаваемого изображения, до уровня «белого», соответствующего наиболее светлым участкам изображения [2].

Рисунок 2.2.2 - Форма телевизионного сигнала на временном интервале, где отсутствуют кадровые импульсы.

Если уровню «белого» будет соответствовать минимальное значение сигнала, а уровню «черного» - максимальное, то видеосигнал будет негативным (негативной полярности). Характер видеосигнала зависит от конструкции и принципа действия передающей трубки.

Телевизионный сигнал является импульсным однополярным (так как он является функцией яркости, которая не может быть разнополярной) сигналом. Он имеет сложную форму, и его можно представить в виде суммы постоянной и гармонических составляющих колебаний различных частот. Уровень постоянной составляющей характеризует среднюю яркость передаваемого изображения. При передаче подвижных изображений величина постоянной составляющей будет непрерывно меняться в соответствии с освещенностью. Эти изменения происходят с очень низкими частотами (0-3 Гц). С помощью нижних частот спектра видеосигнала воспроизводятся крупные детали изображения [2] .

Телевидение, равно как и световое кино, стало возможным благодаря инерционности зрения. Нервные окончания сетчатки глаза продолжают ещё какое-то время оставаться возбуждёнными после прекращения действия светового раздражителя. При частоте смены кадров F_к ? 50 Гц глаз не замечает прерывистости смены изображения. В телевидении время считывания всех N строк (время кадра - T_к) выбирается равным T_к = с. С целью уменьшения мерцания изображения используется чересстрочная развертка. Вначале за время полукадра, равное Т_п/к = = с, считываются поочередно все нечетные строки, затем, за такое же время - все четные строки. Частота спектра видеосигнала получится при передаче изображения, представляющего собой сочетание светлой и темной половины растра (рисунок 2.2.4). Сигнал представляет собой импульсы близкие по форме к прямоугольной. Минимальная частота этого сигнала при чересстрочной развертке частоте полей, т.е.

Рисунок 2.2.3 - К определению минимальной частоты спектра частот телевизионного сигнала

С помощью верхних частот передаются наиболее мелкие детали изображения. Такое изображение можно представить в виде чередующихся по яркости мелких черных и белых квадратов со сторонами, равными диаметру луча (рисунок 2.2.4, а), расположенными вдоль строки. Такое изображение будет содержать максимальное количество элементов изображения.

Рисунок 2.2.4 - К определению максимальной частоты видеосигнала

Стандарт предусматривает разложение изображения в кадре на N = 625 строк. Время прочерчивания одной строки (рис. 2.2.4, б) будет равно . Меняющийся по строке сигнал получится когда чередуются чёрные и белые квадратики. Минимальный период сигнала будет равен времени считывания пары квадратов: ,

где n_пар - число пар квадратов в строке.

Число квадратов (n) в строке будет равно:

где - формат кадра (смотри рисунок 2.2.4, а),

b - ширина, h - высота поля кадра.

Тогда

;

Формат кадра принимается равным к=4/3. Тогда верхняя частота сигнала F_в будет равна:

При передаче 25 кадров в секунду с 625 строками в каждом номинальное значение частоты разложения по строкам (частота строк) равно 15.625 кГц. Верхняя частота телевизионного сигнала будет равна 6.5 МГц.

Согласно принятому в нашей стране стандарту напряжение полного видеосигнала U_ТВ, состоящего из импульсов синхронизации U_C, сигнала яркости и гасящих импульсов U_P составляет U_ТВ = U_P + U_C =1В. При этом U_C = 0.3 U_ТВ, а U_P =0.7 U_ТВ. Как видно из рисунка 2.2.5 сигнал звукового сопровождения располагается выше по спектру (fн_ЗВ = 8 МГц) видеосигнала. Обычно сигнал видео передаётся посредством амплитудной модуляции (АМ), а сигнал звука - частотной (ЧМ) [2].

Иногда, в целях экономии полосы канала верхняя частота видеосигнала ограничивается значением Fв = 6.0 МГц, а несущая звука передаётся на частоте fн_зв = 6.5 МГц.



Рисунок 2.2.5 - Размещение спектров сигналов изображения и звука в канале телевизионного вещания.

Факсимильные сигналы. Факсимильная (фототелеграфная) связь - это передача неподвижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, текстов, газетных полос и так далее). Устройство преобразования факсимильного сообщения (изображения) преобразовывает световой поток, отражаемый от изображения, в электрический сигнал (Рисунок 2.2.6)

Рисунок 2.2.6 Функциональная схема факсимильной связи

Где 1 - канал факсимильной связи; 2 - привод, синхронизирующие и фазирующие устройства; 3 - передающий барабан, на который помещается оригинал передаваемого изображения на бумажном носителе; ФЭП - фотоэлектронный преобразователь отражённого светового потока в электрический сигнал; ОС - оптическая система для формирования светового луча [26].

При передаче чередующихся по яркости элементов сигнал приобретает вид импульсной последовательности. Частоту следования импульсов в последовательности называют частотой рисунка. Максимального значения частота рисунка, Гц, достигает при передаче изображения, элементы и разделяющие их промежутки которого равны размерам развертывающего луча:

F_рисmax = 1/(2ф_u), (2.2.1)

где ф_u - длительность импульса, с, равная длительности передачи элемента изображения, которую можно определить через параметры развертывающего устройства.

Так, если р·D - длина строки, а S - шаг развертки (диаметр развертывающего луча), то в строке р·D/S элементов. При N оборотах в минуту барабана, имеющего диаметр D, время передачи элемента изображения, измеряемое в секундах:

, (2.2.2)

Минимальная частота рисунка (при изменении по строке), Гц, будет при развертке изображения, содержащего по длине строки черную и белую полосы, равные по ширине половине длины строки. При этом:

F_{puс min} = N/60, (2.2.3)

Для выполнения удовлетворительной по качеству фототелеграфной связи достаточно передавать частоты от F_{рис min} до F_{рис max}. Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии рекомендует для факсимильных аппаратов N = 120, 90 и 60 об/мин; S = 0.15 мм; D = 70 мм. Из (2.2.2) и (2.2.3) следует, что при N = 120 F_{рис max} = 1466 Гц; F_{рис min} = 2 Гц; при N =60 F_{рис max} = 733 Гц; F_{рис min} = 1 Гц; Динамический диапазон факсимильного сигнала составляет 25 дБ [27].

Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным.

Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определённой комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности [3]. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования, пауза - отсутствию тока.

Для передачи данных используют более сложные коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в принятой комбинации импульсов, возникающие от действия помех [25].

Устройства преобразования сигналов телеграфии и передачи данных в сообщения по принятым комбинациям импульсов и пауз восстанавливают в соответствии с таблицей кода знаки сообщения и выдают их на печатающее устройство или экран дисплея.

Чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования: В = 1/ф_и, где ф_и - длительность импульса, с. Единицу скорости телеграфирования назвали бодом. При длительности импульса ф_и = 1 с скорость В = 1 Бод. В телеграфии используются импульсы длительностью 0.02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 Бод. Скорости передачи данных существенно выше (200, 600, 1200 Бод и более).

Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид последовательностей прямоугольных импульсов (рисунок 2.1.4, а).

При передаче двоичных сигналов достаточно зафиксировать только знак импульса при двуполярном сигнале либо наличие или отсутствие - при однополярном сигнале. Импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости передачи в бодах. Для стандартной скорости телеграфирования 50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 Бод (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 2400 Гц.

Средняя мощность сообщений Р_СР определяется путем усреднения результатов измерений за большой промежуток времени.

Средняя мощность, которую развивает случайный сигнал s(t) на резисторе сопротивлением 1 Ом:

Мощность, заключённую в конечной полосе частот между щ₁ и щ₂, определяют интегрированием функции G(щ) в соответствующих пределах:

Функция G(щ) представляет собой спектральную плотность средней мощности процесса, то есть мощность, заключённую в бесконечно малой полосе частот.

Для удобства расчетов мощность обычно дается в относительных единицах, выраженных в логарифмической форме (децибелах, дБ). В этом случае уровень мощности:

, (2.2.4)

Если эталонная мощность Р_Э=1 мВт, то р_х называют абсолютным уровнем и выражают в дБм. С учетом этого абсолютный уровень средней мощности:

, (2.2.5)

Пиковая мощность р_пик (е %) - это такое значение мощности сообщения, которое может превышаться в течение е % времени.

, (2.2.6)

Пик-фактор сигнала определяется отношением пиковой мощности к средней мощности сообщения, дБ,

, (2.2.7)

Из последнего выражения, поделив числитель и знаменатель на Р_Э, с учетом (2.2.4) и (2.2.6) определим пик-фактор как разность абсолютных уровней пиковой и средней мощностей:

, (2.2.8)

Под динамическим диапазоном D (е%) понимают отношение пиковой мощности к минимальной мощности сообщения Р_min. Динамический диапазон, как и пик-фактор, принято оценивать в дБ:

, (2.2.9)

Средняя мощность сигнала тональной частоты, измеренная в час наибольшей нагрузки (ЧНН), с учётом сигналов управления - набора номера, вызова и так далее - составляет 32 мкВт, что соответствует уровню (по сравнению с 1 мВт) p_ср = -15 дБм

Максимальная мощность телефонного сигнала, вероятность превышения которой мала, равна 2220 мкВт (что соответствует уровню +3.5 дБм); минимальная мощность сигнала, который еще слышен на фоне шумов, принята равной 220000 пВт (1 пВт = 10^-12 мВт), что соответствует уровню - 36. 5 дБм.

Средняя мощность Р_СР сигнала вещания (измеренная в точке с нулевым относительным уровнем) зависит от интервала усреднения и равна 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт - за минуту и 4500 мкВт - за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания 8000 мкВт.

Динамический диапазон D_C сигналов вещания составляет для речи диктора 25…35 дБ, для инструментального ансамбля 40…50 дБ, для симфонического оркестра до 65 дБ.

В соответствии с рекомендацией МККТТ мощность допустимых помех не должна превышать Р_П = 4000 пВт.

Первичные дискретные сигналы обычно имеют вид прямоугольных импульсов постоянного или переменного тока, как правило, с двумя разрешёнными состояниями (двоичные или двухпозиционные).

Скорость модуляции определяется количеством единичных элементов (элементарных посылок), передаваемых в единицу времени, и измеряется в бодах:

В = 1/ф_и , (2.2.10)

где ф_и - длительность элементарной посылки.

Скорость передачи информации определяется количеством информации, передаваемой в единицу времени, и измеряется в бит/с:

, (2.2.11)

где М - число позиций сигнала.

В двоичных системах (М=2) каждый элемент несет 1 бит информации, поэтому согласно (2.1.10) и (2.2.11) [6]:

С_max =В, бит/с

Контрольные вопросы

1. Дайте определения понятиям «информация», «сообщение», «сигнал».

2. Как определить количество информации в отдельно взятом сообщении?

3. Какие виды сигналов существуют?

4. Чем отличается спектр периодического сигнала от спектра непериодического сигнала?

5. Дайте определение ширины полосы частот сигнала.

6. Поясните сущность факсимильной передачи сообщений.

7. Каким способом осуществляется развёртка ТВ изображения?

8. Чему равняется частота смены кадров в ТВ системе?

9. Поясните принцип работы передающей ТВ трубки.

10. Поясните состав полного ТВ сигнала.

11. Дайте понятие динамического диапазона?

12. Перечислите основные сигналы электросвязи. Какие частотные диапазоны занимают их спектры?

3. Типовые каналы передачи и их характеристики

3.1 Типовые каналы и тракты

Как отмечалось ранее (смотри раздел 1), канал передачи - комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигнала электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между сетевыми станциями, сетевыми узлами или между сетевой станцией и сетевым узлом, а также между сетевой станцией или сетевым узлом и оконечным устройством первичной сети. Каналы подразделяются на аналоговые, цифровые и смешанные (аналого-цифровые).

Канал передачи, параметры которого соответствуют принятым нормам, называют типовым.

Стандартный канал ТЧ. Канал тональной частоты (ТЧ) является единицей измерения емкости аналоговых систем передачи и используется для передачи телефонных сигналов, а также сигналов данных, факсимильной и телеграфной связи, в нормализованной эффективно передаваемой полосе частот 300…3400 Гц. В цифровых системах передачи аналоговым является основной цифровой канал (ОЦК) со скоростью передачи 64 Кбит/с.

Для передачи сигналов, имеющих более широкую полосу, чем сигналы ТЧ (например, сигналы радиовещания, телевидения и так далее), или требующих скорость передачи большую, чем 64 Кбит/с с помощью систем передачи создаются широкополосные или высокоскоростные цифровые каналы.

Групповой тракт - это комплекс технических средств, предназначенный для передачи сигналов электросвязи нормализованного числа каналов тональной частоты или ОЦК в полосе частот или со скоростью передачи, соответствующей данному групповому тракту.

Групповой тракт, параметры и структура которого соответствуют принятым нормам, называют типовым.

Основой общегосударственной первичной сети связи являются сетевые тракты, которые организуются между двумя сетевыми станциями (узлами) и непосредственно используются на этих станциях или предоставляются во вторичные сети. Сетевые тракты являются типовыми и организуются по единым правилам.

Сетевые тракты образуются на базе групповых трактов МСП с ЧРК, которые, в свою очередь, создаются с помощью типового оборудования первичных, вторичных, третичных групп и групп более высокого порядка, а также оборудования сопряжения. Сетевые тракты могут быть получены из трактов более высоких порядков несколькими способами.

Один из способов связан с использованием типового преобразовательного оборудования. При этом тракт более высокого порядка разделяется на тракты данного порядка, часть из которых и предоставляется на этой станции потребителю, а оставшиеся включаются в транзитное оборудование станции для дальнейшей передачи по сети.

Второй способ основан на том, что сетевой тракт любого вида может быть получен посредством оборудования выделения из линейных трактов. Чаще всего этот способ используется на обслуживаемых усилительных пунктах (ОУП) при выделении вторичных групповых трактов из линейного тракта. Третий способ состоит в получении сетевых трактов с помощью аппаратуры выделения из трактов высшего порядка. Данный способ используется на узлах, где потребность в каналах и трактах небольшая.

Организация сетевого тракта из группового достигается подключением к его окончаниям специального оконечного оборудования (комплект образования трактов КОТ). В передающей части КОТ предусматривается развязывающие устройства для ввода в тракт группового и вспомогательных контрольных сигналов, а также для подключения измерительных приборов. В приёмную часть КОТ входят развязывающие устройства для вывода группового и вспомогательных контрольных сигналов и подключения измерительных приборов, заграждающий фильтр, препятствующий попаданию группового контрольного сигнала на выход тракта, регулирующие аттенюаторы и, амплитудный и фазовый корректоры, совмещаемые обычно с усилителями.

Сетевые тракты могут предоставляться только при условии наличия у них типового каналообразующего оборудования. В общем случае потребителю предоставляются широкополосные каналы, оборудованные на базе соответствующих сетевых трактов.

Широкополосные каналы получаются подключением к окончаниям сетевых трактов каналоформирующего оборудования (КФО), в состав которого входят полосовые фильтры для формирования канала, заграждающие фильтры для подавления широкополосного сигнала в полосе частот приемников группового контрольного сигнала и частот сетевого контроля, устройства амплитудного ограничения и амплитудно-частотной коррекции, регулирующий аттенюатор. Каналоформирующее оборудование является единым при передаче по широкополосному каналу сигналов различных сообщений.

Широкополосным каналам, образованным на базе типовых групповых трактов, присваивают наименование одноименного группового тракта. Соответственно различают:

- предгрупповой широкополосный канал с полосой частот 12…24 кГц на основе трех каналов ТЧ;

- первичный широкополосный канал (ПШК) с полосой частот 60…108 кГц на основе 12 каналов ТЧ;

- вторичный широкополосный канал (ВШК) с полосой частот 312…552 кГц на основе 60 каналов ТЧ;

- третичный широкополосный канал (ТШК) с полосой частот 812…2044 кГц на основе 300 каналов ТЧ;

В зависимости от полосы частот первичных сигналов, которые нужно передать, выбирается тот или иной широкополосный канал [5].

В ЦСП не предусмотрено специальное оборудование для организации сетевых трактов. Групповой цифровой поток, сформированный на данной ступени иерархии, направляется либо на следующую ступень временного объединения потоков, либо на оборудование линейного тракта. Точки соединения оборудования двух смежных ступеней иерархии называют сетевыми стыками (СС). Параметры СС являются типовыми.

Аппаратура цифровых плезиохронных систем передачи (ЦСП PDH) - европейский стандарт, обеспечивает создание типовых цифровых каналов передачи со следующими градациями скоростей, Кбит/с: основной цифровой канал (ОЦК) - 64; субпервичный канал (СЦК) - 480; первичный тракт - 2048; вторичный тракт - 8448; третичный тракт - 34368; четверичный тракт - 139264. Кроме того, на базе данных цифровых каналов и трактов должны образовываться следующие типовые аналоговые каналы и тракты: канал ТЧ (на базе ОЦК), канал звукового вещания (на базе СЦК), вторичный групповой тракт (на базе трех первичных цифровых групповых трактов - ЦГТ) и, наконец, канал ТВ со звуковым сопровождением (на базе трех третичных ЦГТ) [6].

В сетевых стыках должна осуществляться передача не только информационных (ИС), но и тактовых (ТС) сигналов, обеспечивающих тактовую синхронизацию регенераторов и приемного генераторного оборудования оконечных станций. Имеющиеся в составе цифровых потоков служебные символы (цикловой и сверхцикловой синхронизации) обеспечивают доступ к составляющим цифровых потоков низших ступеней иерархии. Исключение составляет ОЦК, в котором таких символов нет. По этой причине в него вводят октетный сигнал (ОС), позволяющий разделять восьмиразрядные кодовые группы. Таким образом, в СС ОЦК осуществляется обмен не только ИС и ТС, но и ОС.

В американской системе PDH предусмотрены следующие градации скоростей (уровней иерархии), Кбит/с: основной цифровой канал (ОЦК) -64; первый уровень - 1544; второй уровень - 6312; третий уровень - 44736 [5].

Чтобы создать единую цифровую сеть и удовлетворить как американским требованиям, так и европейским, предусматривающим передачу сигнала на скорости 139,268 Мбит/с, был определен основной иерархический уровень новой структуры синхронного мультиплексирования, равный 155, 520 Мбит/с, что является результатом умножения в три раза скорости 51,84 Мбит/с (51,84х3=155,520) [3].

Все уровни мультиплексирования в синхронных цифровых системах (SDH) являются положительными целыми кратными числами этого базового сигнала SNM-1 (синхронный базовый модуль-1) .

Таким образом, была выработана единая всемирная концепция, касающаяся передачи сигналов данных со скоростью 155 Мбит/с. Это означает, что все предыдущие PDH сигналы должны быть включены в базовый сигнал SDH при помощи процедуры, называемой «Mapping» (размещение) [1], [21].

Синхронное мультиплексирование, стандартизированное Рекомендациями комитета по стандартизации ITU-T, определяет четыре иерархических синхронных уровня (таблица 3.1.1):

Таблица 3.1.1 - Синхронная цифровая иерархия

Уровни иерархии	Скорость цифрового потока
STM-1	155, 520 Мбит/с
STM-4	4х155,520 = 622,080 Мбит/с
STM-16	16х155,520 = 2 488,320 Мбит/с
STM-64	64х155,520 = 9 953,280 Мбит/с

3.2 Основные параметры и характеристики каналов

Канал ТЧ является основным на первичной сети. Он служит единицей при определении ёмкости СП и предназначен для передачи телефонных, телеграфных, факсимильных сигналов и сигналов передачи данных между станциями и узлами первичной сети связи. Каналы ТЧ образуются с помощью как СП с ЧРК, так и ЦСП с ИКМ. В соответствии со специфическими особенностями этих систем некоторые параметры образуемых ими каналов ТЧ также различны. Упрощенная схема организации канала ТЧ приведена на рисунке 3.2.1.

Рисунок 3.2.1 - Упрощённая схема организации канала ТЧ.

Телефонный канал включает в себя двухпроводное окончание и четырехпроводный тракт. Дифсистема (ДС) служит для перехода с четырехпроводного тракта к двухпроводному окончанию [5]. Удлинители в двухпроводном окончании имеют затухание 3.5 дБ и называются транзитными. Характеристики канала ТЧ нормируются рекомендациями МСЭ-Т серии М.

Нормированные (номинальные) измерительные уровни в стандартных точках канала ТЧ составляют: на входе канала 0 дБм, на выходе транзитного удлинителя минус 3.5 дБм, на входе четырехпроводного тракта минус 13 дБм, на выходе четырехпроводного тракта 4.3 дБм, на входе транзитного удлинителя минус 3.5 дБм и на выходе канала минус 7 дБм на частоте 800 Гц (1020 Гц для каналов, образованных ЦСП).

Эффективно передаваемая полоса частот канала 0.3…3.4 кГц. Средняя длительная мощность сигналов, передаваемых по каналу ТЧ, должна быть не более 32 мкВт, а максимальная, определённая с вероятностью превышения 10 ^-3, -1250 мкВт0. номинальное значение остаточного затухания канала А_ост = 7 дБ при двухпроводном и А_ост = -17 дБ при четырёхпроводном окончаниях.

Входное Z_ВХ и выходное Z_ВЫХ сопротивления канала ТЧ равны 600 Ом. Отклонение входного и выходного сопротивлений от номинального Z_Н оценивается коэффициентом отражения, равным

,

или затуханием несогласованности (отражения)

,

где Z_Р - реальное значение сопротивления. Значение не должно превышать 10%.

Многоканальные системы передачи с частотным и временным разделением каналов - это сложный комплекс технических средств, включающий в себя оконечную аппаратуру, устанавливаемую на оконечных пунктах (ОП), промежуточную аппаратуру, размещаемую в обслуживаемых (ОУП) или необслуживаемых (НУП) усилительных пунктах, а также линий связи (рисунок 3.2.2) [5].

Рисунок 3.2.2 - Структурная схема построения систем передачи

В отличие от аналоговых систем во временных (цифровых) системах на обслуживаемых и необслуживаемых пунктах устанавливается аппаратура для восстановления (регенерации) импульсных сигналов линейного тракта. Отсюда обслуживаемые и необслуживаемые пункты в этих системах принято называть регенерационными (ОРП, НРП).

Поясним, для чего нужны усилительные и регенерационные пункты [4]. Дальность передачи сигналов по физическим цепям (средам) определяется, прежде всего, затуханием (ослаблением) сигнала из-за того, что в цепи теряется часть энергии передаваемого сигнала. Конкретные электрические параметры цепи и чувствительность приемного устройства определяют допустимую дальность связи. Например, при передаче речи мощность сигнала на выходе микрофона телефонного аппарата P_ПЕР = 1 мВт, а чувствительность телефона приемного аппарата P_ПР = 0.001 мВт. Таким образом, максимально допустимое затухание цепи не должно быть больше a_max=10lg(P_ПЕР/P_ПР=10lg(1/0.001)=30 дБ. Зная затухание a_max и километрический коэффициент затухания a, можно определить дальности передачи l=a_max/a.

В системах передачи применяется способ компенсации затухания сигналов повышением мощности сигнала в нескольких равномерно расположенных точках тракта. Часть канала связи между соседними промежуточными усилителями называется усилительным участком. Изменение уровней сигнала вдоль магистрали описывается диаграммой уровней, приведенной на рисунке 3.2.3.