close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Vasin Osnovy postroeniya infokommunikacionnyh sistem i setej uchebnik 2017

код для вставкиСкачать
ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ
СИСТЕМ И СЕТЕЙ
УЧЕБНИК
САМАРА, 2017
1
УДК 004.7
621.395
Рецензенты:
Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей: Учебник для вузов //
Н.Н. Васин, В.А. Вострикова, Р.Р. Диязитдинов, В.И. Иванов, М.В. Кузнецов, М.Н.
Кустова, Л.А. Марыкова, И.В. Ротенштейн, А.В. Трошин. Под ред. Н.Н. Васина – Самара,
ПГУТИ, 2017. – 222 с.
Рассмотрены основы построения инфокоммуникационных систем и сетей с
коммутацией каналов и пакетов. Учебник написан в соответствии с Учебным планом
подготовки бакалавров по направлению 11.03.02 – «Инфокоммуникационные технологии
и системы связи».
Данный учебник рекомендуется методическим советом ПГУТИ по дисциплине
«Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей» для подготовки
бакалавров.
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение
5
6
1. Общие вопросы построения инфокоммуникационных систем и сетей
1.1. Основные термины и определения
1.2. Структура систем и сетей передачи информации
2. Каналы и сигналы передачи информации
7
7
9
15
2.1. Основные понятия
2.2. Информационные сигналы
2.3. Логарифмическая система измерения параметров сигналов и каналов
2.4. Параметры и характеристики сигналов и каналов
2.5. Характеристики канала тональной частоты
3. Мультиплексирование каналов
15
18
26
28
41
50
3.1 Обобщенная структурная схема многоканальной системы передачи
3.2 Системы передачи с частотным разделением каналов
3.3 Групповой принцип построения систем передачи с ЧРК
3.4 Системы передачи с временным разделением каналов
3.5. Системы спектрального уплотнения по длине волны
3.6. Системы с кодовым разделением каналов
4. Цифровые системы передачи
50
57
65
67
73
80
89
4.1. Системы ВРК ИКМ
4.2. Неравномерное квантование
4.3. Цикл передачи цифровых систем
4.4. Принципы объединения цифровых потоков
4.5. Линейные коды систем передачи информации
4.6. Принципы построения аппаратуры ЦСП
4.7. Системы синхронизации ЦСП
5.Оптический линейный тракт
89
95
101
103
106
110
113
122
5.1. Общие принципы построения волоконно-оптических линий связи
5.2. Принципы построения оптических линейных трактов
5.3 Передающие и приемные оптические модули
5.4 Оптический ретранслятор
5.5. Усиление оптических сигналов
6. Системы и сети беспроводной связи
122
125
130
134
138
149
6.1. Общие сведения о системах беспроводной связи
6.2. Радиорелейные системы связи
6.3 Спутниковые системы связи
6.4. Системы сотовой связи
7. Инфокоммуникационные сети
149
163
168
174
185
7.1. Общие сведения, основные термины и определения
7.2. Классификация инфокоммуникационных сетей
7.3. Организации стандартизации обмена сообщениями по сети
3
185
190
198
7.4. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем
7.5. Основные устройства сетей с коммутацией пакетов
7.6. Процесс передачи сообщений по сети
7.7. Адресация в IP-сетях
7.8. Принципы маршрутизации
Заключение
Список литературы
201
208
211
215
218
221
222
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящий учебник «Основы построения инфокоммуникационных
систем и сетей» предназначен для студентов по направлению подготовки
бакалавров 11.03.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы
связи». Он может быть также полезен для направления подготовки
бакалавров 10.03.01 – «Информационная безопасность» и специалистов
10.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем».
Вопросам
построения
инфокоммуникационных
систем
и
сетей
посвящены достаточно обстоятельные учебники [1, 2], которые были
предназначены
для
подготовки
инженеров
телекоммуникационного
направления. В учебниках [3, 4] углубленно рассматриваются аспекты
создания многоканальных и оптических телекоммуникационных систем.
Анализ протоколов телефонных сетей общего пользования, сетей подвижной
связи и документальной электросвязи представлен в учебнике [5]. Принципы,
технологии, протоколы, используемые при создании телекоммуникационных
сетей, достаточно подробно изложены в учебнике [6]. Технологии сетей
пакетной коммутации, а также вопросы конфигурирования сетевых
устройств приведены в учебнике [7]. Однако в связи с появлением нового
образовательного
стандарта
подготовки
бакалавров
ФГОС
3+
по
направлению 11.03.02 – «Инфокоммуникационные технологии и системы
связи» [8] и изменением учебных планов возникла необходимость создания
нового учебника по основам построения инфокоммуникационных систем и
сетей, рассчитанного на подготовку бакалавров. Решению данной задачи и
посвящен предлагаемый учебник, который создан коллективом кафедры
систем
связи
Поволжского
государственного
университета
телекоммуникаций и информатики, где указанный курс читается в течение
длительного времени.
5
ВВЕДЕНИЕ
Инфокоммуникационные системы и сети (ИКСС) представляют собой
комплекс
программно-аппаратных
средств,
обеспечивающих
обмен
информационными сообщениями между абонентами. По ИКСС передаются
телефонные сообщения фиксированной и подвижной связи, цифровые
данные компьютерных сетей, разнообразная видеоинформация. Таким
образом, ИКСС объединяют понятия информационных (или компьютерных)
и телекоммуникационных систем и сетей.
ИКСС
основой
многочисленных
для
пользователей
создания
Интернета,
(абонентов)
и
объединившего
создавшего
единое
информационное пространство в масштабах всей Земли. Поскольку на Земле
живет несколько миллиардов пользователей систем и сетей передачи
информации, то невозможно проложить индивидуальные линии связи между
всеми абонентами. Поэтому разработаны сетевые устройства, к которым
подключаются абоненты, а сетевые устройства, в свою очередь, соединены
между собой линиями связи, в которых формируется набор каналов. По
каналам передаются сигналы для обеспечения связи между различными
парами абонентов на передающей и приемной стороне.
Поскольку по линии связи одновременно передаются сигналы
сообщений многих абонентов, то важными являются вопросы создания
многоканальных
систем
передачи
информации,
которые
производят
мультиплексирование (объединение) множества каналов в одной линии связи
и разделение каналов на приемной стороне.
При изучении и разработке систем и сетей передачи информации
рассматриваются также вопросы: представления подлежащих передаче
сообщений; преобразования сообщений в информационные сигналы;
формирования каналов связи; адресации и прокладке маршрутов от
источника информации до получателя. Теоретический материал закрепляется
в процессе ответов на вопросы и выполнения упражнений по каждой главе.
6
1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОКОММУИКАЦИОННЫХ
СИСТЕМ И СЕТЕЙ
1.1 Основные термины и определения
Инфокоммуникационные системы и сети (ИКСС) представляют
собой комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих обмен
информационными сообщениями между абонентами. ИКСС объединяет
понятия информационных (или компьютерных) и телекоммуникационных
систем и сетей, по которым передаются:
- телефонные сообщения (аудиоинформация) фиксированной и
подвижной (мобильной) связи;
- видеоинформация;
- цифровые данные.
Сообщение – форма представления информации, удобная для передачи
на расстояние от источника сообщения к получателю. Сообщения
передаются посредством сигналов. Отображение сообщения обеспечивается
изменением какого-либо параметра информационного сигнала, который
представляет собой определенный физический процесс. В современных
инфокоммуникационных системах и сетях используются электромагнитные
сигналы, передача и прием которых производится по определенной
направляющей среде (линиям и каналам связи): по медным проводам, по
оптическому волокну и по беспроводной среде (по радиоканалам). Процесс
обмена информационными сообщениями посредством электромагнитных
сигналов получили название электросвязь, разновидностями которой
являются электрическая связь по проводам, оптическая связь, радиосвязь.
Обмен информационными сообщениями по системам и сетям должен
производиться с заданными параметрами качества. Причем, для одних
видов сообщений важными являются такие параметры качества как задержка
и вариация задержки сигналов при передаче информации, для других
7
скорость передачи, для третьих – надежность передачи (минимизация
потерь какой-то части сообщений).
Множество источников и приемников сообщений, соединенных между
собой программно-аппаратными средствами и средой передачи сигналов,
образуют инфокоммуникационную сеть (систему) передачи различных
видов информации. Абоненты, получающие услуги инфокоммуникационных
сетей по обмену сообщениями (компьютерными данными, аудио- и
видеоинформацией), являются пользователями сетевых услуг.
На рис. 1.1 аппаратура абонентов представлена конечными узлами
(У) сетей и систем, которым соответствует широко распространенное
англоязычное наименование Host (хост). Соединение многочисленных узлов,
находящихся на большом расстоянии между собой, обычно производится
через транзитные или промежуточные сетевые элементы (СЭ).
У1
Маршрут
B
У2
A СЭ1
У4
Интерфейс
C
D
Маршрут
B
A
У3
СЭ2
D
СЭ3
E
B
A
У5
C
C
У6
Маршрут
Рис. 1.1 – Сеть передачи сообщений
Конечные узлы сетей (серверы, рабочие станции, персональные
компьютеры, ноутбуки, планшеты, смартфоны, видеокамеры, телефонные
8
аппараты и т.д.) создают и принимают передаваемые сообщения, обычно в
виде цифровых данных. Конечные узлы всех видов условно представлены на
рис. 1.1 в виде компьютеров. Сетевые элементы направляют передаваемые
сообщения по определенному пути (маршруту) от источника до получателя и
управляют передаваемым потоком данных, не внося в него изменений.
Понятия инфокоммуникационная сеть или система трудно разорвать,
поскольку каждая представляет собой совокупность программно-аппаратных
средств узлов (У) и сетевых элементов (СЭ), соединенных через среду
передачи сигналов для обмена сообщениями между абонентами. Соединения
называют линиями (каналами) связи.
Сетевые
элементы
производят
переключение
(коммутацию)
поступивших сигналов сообщения с входного порта (интерфейса)
на
выходной. Например, в сети рис. 1.1 при передаче сообщения от конечного
узла У1 узлу У6 сетевой элемент СЭ1 производит коммутацию сообщения с
входного интерфейса В на выходной интерфейс С, сетевой элемент СЭ3 – с
входного интерфейса В на выходной Е. При этом формируется определенный
путь (маршрут), по которому передается сообщение.
1.2 Структура систем и сетей передачи информации
При изучении инфокоммуникационных систем основное внимание
уделяется устройствам преобразования информационных сообщений в
электромагнитные сигналы, процессу формирования каналов связи и
процессу передачи сигналов по сети от источника сообщения получателю.
Наиболее дорогостоящими элементами инфокоммуникационных
систем и сетей являются линии связи. Поскольку источников и получателей
сообщений
много,
то
для
обмена
информацией
используют
многоканальные системы передачи (МСП), когда по одной линии
передаются сообщения многих источников информации. Структурная схема
МСП приведена на рис. 1.2.
9
ИС1
C/С1
КП
ИСn
C/Сn
П
Линия
Пр
C/С1
ПС1
C/Сn
ПСn
КПр
Канал
Рис. 1.2 – Структурная схема многоканальной системы передачи информации
На схеме ИС1 ÷ ИСn – источники передаваемых сообщений. На
передающей стороне сообщения при помощи преобразователей С/C1 – С/Cn
преобразуются в первичные электрические сигналы, а на приемной стороне
первичные сигналы преобразуются в сообщения для получателей сообщений
ПС1 ÷ ПСn. Коммутаторы КП – на передающей стороне и КПр – на приемной
стороне позволяют установить соединение источника сообщения ИС i с
соответствующим получателем ПСi. Таким образом, по одной линии связи
(но по разным каналам) можно передавать сигналы многих источников и
получать
сообщения
соответствующим
получателям.
Первичные
электрические сигналы не всегда удобно (или возможно) передавать по
линии связи. Поэтому – преобразователь П (передатчик) трансформирует
первичный сигнал в линейный. На приемной стороне функционирует
преобразователь линейного сигнала в первичный (приемник – Пр).
Таким образом, коммутаторы, входящие в состав сетевых элементов,
могут формировать канал (маршрут), по которому сообщение передается от
источника получателю. Процесс формирования маршрута, получил название
коммутация.
В некоторых сетях все возможные маршруты заранее созданы и
необходимо только выбрать оптимальный. Процесс выбора оптимального
маршрута получил название маршрутизация, а устройство его реализующее
– маршрутизатор. Таким образом, промежуточные сетевые элементы могут
выполнять функции коммутаторов, которые формируют маршрут и (или)
маршрутизаторов, которые производят выбор оптимального маршрута.
10
Совокупность передаваемых сообщений, или последовательность
информационных единиц, объединенных общими признаками, получила
название информационный поток. Объем информации, передаваемый через
сеть или сетевой элемент за определенный промежуток времени получил
название сетевой трафик.
По отдельным соединениям (линиям) сети может одновременно
передаваться несколько сообщений, которые не должны мешать друг другу.
Поэтому для каждого сообщения в линии связи создается свой канал,
представляющий систему программно-аппаратных средств и среду передачи
сигналов (медные и оптические кабели, беспроводная среда радиоканалов) от
источника до получателя сообщения. Процесс формирования каналов и
объединения (уплотнения) нескольких исходных (трибутарных) потоков на
передающей стороне получил название мультиплексирование, а разделения
объединенного (агрегированного) потока на его составляющие на приемной
стороне называется демультиплексирование. Эти процессы реализуют
сетевые элементы мультиплексоры, входящие в состав систем передачи
информации.
Инфокоммуникационная сеть, также как инфокоммуникационная
система, является комплексом аппаратных и программных средств,
обеспечивающих
обмен
информационными
сообщениями
между
абонентами. Однако при рассмотрении инфокоммуникационных сетей
основное внимание уделяется их топологии (размещению конечных узлов и
сетевых элементов, линий связи в пространстве), способов адресации
источников
и
получателей
сообщений,
прокладке
маршрутов
в
разветвленной структуре сети (рис. 1.1).
На
рис.
1.3
приведен
пример
структурной
схемы
сети
инфокоммуникаций, в которой пользователи (абоненты) через сети доступа
подключаются
сообщений.
к
магистральной
Доступ
к
сети,
транспортной
соответствующие устройства и шлюзы.
11
обеспечивающей
сети
транспорт
обеспечивается
через
Пользователи
Сеть доступа
Сеть доступа
Магистральная
Сеть доступа
сеть
Сеть доступа
Сеть доступа
Телекоммуникационная
сеть
Локальная сеть
Пользователи Локальная сеть
Рис. 1.3 – Структурная схема инфокоммуникационной сети
Магистральные транспортные сети создаются с использованием
различных
технологий
коммутации
каналов
и
пакетов.
Главной
особенностью магистральной транспортной сети является требование
высокой производительности (высокой скорости передачи данных на дальнее
расстояние).
Наибольшую скорость передачи обеспечивают волоконно-оптические
системы и сети связи, где множество каналов в одной линии формируется на
базе технологии спектрального уплотнения по длине волны (WavelengthDivision Multiplexing – WDM). По сформированным оптическим каналам
передается информация, созданная множеством источников сообщений. То
есть, это сети с коммутацией каналов.
В настоящее время в качестве транспортных рассматриваются и
используются не только сети с коммутацией каналов, но и сети с
коммутацией пакетов, например, MPLS-сети, совместимые с IP-сетями.
Однако высокоскоростная передача пакетов в транспортной сети ведется, как
правило, по трактам сети с коммутацией каналов. То есть, сеть с
коммутацией каналов является первичной по отношению к сети с
12
коммутацией пакетов; сеть с коммутацией каналов предоставляет услуги
транспорта пакетных сообщений на дальнее расстояние с высокой
скоростью.
В настоящее время в качестве транспортных рассматриваются и
используются не только сети с коммутацией каналов, но и сети с
коммутацией пакетов, например, MPLS-сети, совместимые с IP-сетями.
Однако высокоскоростная передача пакетов в транспортной сети ведется, как
правило, по трактам сети с коммутацией каналов. То есть, сеть с
коммутацией каналов является первичной по отношению к сети с
коммутацией пакетов; сеть с коммутацией каналов предоставляет услуги
транспорта пакетных сообщений на дальнее расстояние с высокой
скоростью.
На уровне сетей доступа и локальных сетей используются как
оптическая, так и проводная электрическая, а также беспроводная
радиосвязь.
13
Вопросы по разделу 1
1. Что собой представляют системы и сети передачи информации?
2. Почему нельзя соединить всех абонентов непосредственно между собой?
3. Какие элементы входят в обобщенную структурную схему системы
передачи информации?
4. Какие функции выполняют конечные узлы и промежуточные сетевые
элементы?
5. Чем отличаются сети с коммутацией каналов от сетей с коммутацией
сообщений (пакетов)?
6. Какие функции выполняет коммутатор? Какие функции выполняет
маршрутизатор?
7. В чем различие коммутации пакетов и коммутации сообщений?
8. В чем заключается процесс мультиплексирования?
9. С какой целью первичный сигнал преобразуется в линейный?
10. В
чем
заключаются
процессы
мультиплексирования
и
демультиплексирования? Для чего они используются в системах и сетях
инфокоммуникаций?
11. Как взаимодействуют сети с коммутацией каналов и с коммутацией
пакетов?
12. Каковы особенности магистральных транспортных систем и сетей?
13. Какие сетевые технологии используются в магистральных транспортных
сетях?
14. Что означает термин сети доступа?
14
2 КАНАЛЫ И СИГНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
2.1 Основные понятия
При передаче сообщений по сети (см. рис. 2.1) электромагнитные
сигналы проходят разные участки (соединения) сети. Например, при
передаче сообщений от У1 узлу У4 на участке от У1 до интерфейса В
сетевого элемента СЭ1 передаются сообщения только конечного узла У1.
Однако по линии связи (ЛС), соединяющей СЭ1 с СЭ3, могут передаваться
сигналы не только узла У1, но и узла У2, а также сигналы других конечных
узлов. При этом сигналы (и, следовательно, сообщения) не должны влиять
друг на друга. Поэтому в линии связи, соединяющей СЭ1 и СЭ3,
необходимо сформировать отдельные каналы для передачи сигналов узла
У1 (Канал 1) и сигналов У2 (Канал 2).
У1
B
СЭ1
A
У4
C
Канал 1
D
У2
Канал 2
Канал i
B
Канал j
Канал k
У3
СЭ3
D
E
B
A
A
У5
C
У6
Канал m
C
СЭ2
Рис. 2.1 – Каналы связи
Требования к каналам зависят от вида (типа) передаваемых сообщений,
типа направляющей среды, способа организации связи и других факторов. В
соответствии с перечисленными факторами каналы классифицируются:
1. По виду передаваемых сообщений:
- телефонные;
- радиовещания;
15
- передачи данных;
- телевизионные;
- видеотелефонной связи;
- автоматики, телемеханики и телеуправления;
- фототелеграфии и передачи газетных полос.
2. По типу используемой направляющей среды:
- проводная (медная);
- волоконно-оптическая;
- беспроводная (радиоканалы наземной и спутниковой связи).
3. По способу организации связи:
- односторонние;
- двусторонние каналы.
Простейшая система телекоммуникаций двух абонентов (рис. 2.2)
состоит из двух телефонных аппаратов ТА и линии связи между ними. Линия
связи состоит из двух проводов для обеспечения естественного диалога
между абонентами.
ТА
Передача
Прием
1 2 3
4 5 6
7 8 9
0
ТА
1 2 3
4 5 6
7 8 9
0
Линия связи
Прием
Передача
Рис. 2.2 – Простейшая телефонная система связи
Для увеличения дальности в линиях связи используют усилители (Ус)
сигналов (рис. 2.3) одностороннего действия.
Ус
Аб1
Ус
Аб2
Аб1
а)
Аб2
б)
Рис. 2.3 – Усилители в каналах связи
16
Использование
усилителей
делает
канал
односторонним
(симплексным). Поэтому для обеспечения двухсторонней связи объединяют
два симплексных канала, при этом формируется дуплексный канал.
Двусторонний (дуплексный) канал для обеспечения телефонной связи с
эффективно передаваемой полосой частот 0,3 ÷ 3,4 кГц и заданными
уровнями сигналов на входе и на выходе получил название канал тональной
частоты (КТЧ). Канал имеет четырехпроводные окончания (рис. 2.4).
Симплексный канал
4-х
проводное
окончание
4-х
проводное
окончание
Симплексный канал
Рис. 2.4 – Дуплексный канал с четырехпроводным окончанием
Однако от телефонного аппарата отходит 2 провода. Следовательно,
необходимо
соединить
двухпроводные
телефонные
аппараты
с
четырехпроводным окончанием канала тональной частоты (канала ТЧ) с
помощью развязывающего устройства РУ (рис. 2.5).
Передача
Прием
Симплексный канал
ТА
1 2 3
4 5 6
7 8 9
0
2
2
4
ТА
4
1
1
РУ
РУ
1 2 3
4 5 6
7 8 9
0
1
1
4
4
2
2
Симплексный канал
Прием
Передача
Рис. 2.5 – Дуплексный канал тональной частоты с двухпроводным
окончанием
17
Развязывающее устройство РУ на передающей стороне передает
сигналы с входов 1-1 на 2-2. На приемной стороне РУ передает сигналы с
входов 4-4 на 1-1 и подавляет передачу сигналов с входов 4-4 на 2-2 для
предотвращения обратной связи.
Во всех точках канала ТЧ задаются определенные уровни сигнала,
параметры и характеристики канала, которые должны соблюдаться.
2.2 Информационные сигналы
Передача сигналов в инфокоммуникационных системах производится
по физической среде (медные и волоконно-оптические кабели, беспроводные
радиоканалы). Переносчиками информационных сигналов, отображающими
сообщения,
обычно
выступают
гармонические
колебания
и
(или)
периодические последовательности прямоугольных импульсов, у которых
могут изменяться амплитуда, частота, фаза, временные соотношения, или
комбинация
этих
параметров
[1,
2].
Информационные
сигналы
классифицируются на аналоговые, дискретные и цифровые (рис. 2.6).
Аналоговый непрерывный сигнал (рис. 2.6а) может принимать
бесконечное непрерывное множество состояний в диапазоне от Сmin до Сmax
на всем интервале времени t его существования. Передаваемая информация
может заключаться в значении амплитуды сигнала, его частоты или фазы.
Дискретные
сигналы
могут
принимать
конечное
дискретное
множество состояний в определенные (дискретные) моменты времени. На
рис. 2.6б приведен пример, когда по каналу связи передаются дискретные
значения амплитуды информационного сигнала.
Цифровые сигналы (рис. 2.6в) передают дискретные значения
информационного параметра набором кодовых комбинаций. Наиболее часто
используется двоичный код, когда информационная единица отображается,
например, высоким уровнем сигнала, а ноль – низким (нулевым) уровнем.
Процесс передачи цифровых сигналов получил название передача данных.
18
C(t)
Cmax
t
а)
Cmin
C(t)
t
б)
C(t) 10011010 10011101 11011011 11100100 10110011 01001000 010110
t
в)
Рис. 2.6 – Аналоговые (а), дискретные (б) и цифровые (в) сигналы
Спектры сигналов
Любой сигнал может быть представлен во временной или частотной
области. В частотной области сигнал характеризуется спектром (набором
гармоник с определенной частотой и начальной фазой). В многоканальных
системах передачи (МСП) информации важно знать спектр передаваемых
сигналов с тем, чтобы в линии связи с ограниченной полосой пропускания
организовать максимальное количество каналов. Например, в МСП широко
используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов
С(t) (рис. 2.7), амплитуда которых равна Am, длительность τи, период Т.
C(t)
Am
t
τи
T
Рис. 2.7 – Периодическая последовательность прямоугольных импульсов С(t)
19
Любой периодический сигнал, например, сигнал рис. 2.7, может быть
представлен суммой (набором) гармонических колебаний различной частоты,
амплитуды и фазы. Набор всех гармоник представляет собой спектр
сигнала. В случае периодического сигнала его спектр характеризуется рядом
Фурье:
C (t )  Am
где
и
T

2 Am

sin k

 k 1
k
и
T cos(k 2F   ) ,
и
k
(2.1)
k – номер гармоники;
Fи = 1/T – частота;
φk – начальная фаза k-ой гармоники.
Из анализа выражения (2.1) и рис. 2.7 следует, что спектр сигнала
содержит постоянную составляющую A0 = Amτи /T = Am /q, где q – скважность
сигнала, и сумму гармоник. При скважности q = 2 (T/τи = 2) ряд Фурье
C (t ) 
Am 2 Am  sin k 2Fи

 k
2
 k 1
(2.2)
будет характеризоваться постоянной составляющей A0 = Am/2 и суммой
нечетных гармоник при k = 1, 3, 5, …, т.к. при четных значениях k
коэффициент sinkπ/2 в (2.1) обращается в ноль.
На рис. 2.8 представлен сигнал С(t) со скважностью q = 2, первая (б),
третья (в) и пятая (г) гармоники спектра сигнала, а также сумма этих
гармоник (д).
При добавлении к суммарному сигналу (рис. 2.8д) постоянной
составляющей A0 = Am/2, а также седьмой и девятой гармоники спектра
суммарный сигнал практически не будет отличаться от исходного сигнала
С(t), приведенного на рис.2.8а. Таким образом, периодический сигнал С(t)
представлен спектром (набором) гармоник (2.1).
Теоретически ширина спектра периодической последовательности
прямоугольных импульсов идеальной формы С(t) (рис. 2.7, 2.8а) бесконечна.
Основная энергия сосредоточена в полосе частот от 0 до 2Fи, поэтому при
передаче сигналов можно было бы ограничиться такой полосой частот.
20
Однако кроме энергетического аспекта следует также рассматривать и форму
сигнала или степень допустимого ее искажения. При этом полоса частот
может быть расширена до (3 ÷ 9)Fи, в зависимости от предъявляемых
требований к форме сигнала.
C(t)
а
t
t
б
t
в
t
г
t
д
Рис. 2.8 – Сигнал С(t) и гармоники его спектра
Непериодический сигнал может быть представлен в виде интеграла
гармонических
составляющих
с
непрерывным
спектром
частот
(преобразование Фурье):
1
C (t ) 
2

 S ( j )e

21
jt
d ,
(2.3)

где S ( j )   C (t )e jt dt – комплексная спектральная функция.

Графическое представление спектральной плотности одиночного
прямоугольного импульса с амплитудой Am и длительностью τи, называемого
видеоимпульсом, приведено на рис. 2.9.
S(f)
Am
f
1/τи
2/τи
3/τи
Рис. 2.9 – Спектральная плотность видеоимпульса
Из рис. 2.9 следует, что с уменьшением длительности импульса
ширина спектра сигнала расширяется. Причем, 90% энергии одиночного
импульсного сигнала сосредоточены в полосе частот от 0 до f = 1/τи. Поэтому
на практике ширину спектра часто ограничивают полосой до f = 1/2τи, где
находится около 60% энергии импульса. Однако для сохранения формы
сигнала необходима более широкая полоса частот.
При
параметра
передаче
Модуляция
сообщения производится
сигнала
переносчика,
которое
изменение какого-либо
отображает
передаваемую
информацию. Процесс изменения информационного параметра переносчика
в соответствии с передаваемой информацией получил название модуляция.
Если в качестве модулирующего информационного сигнала выступает
цифровой сигнал, то модуляция называется манипуляцией. Примеры
сигналов, получаемых при различных видах манипуляции гармонических
22
колебаний цифровой последовательностью двоичного кода, приведены на
рис. 2.10.
При амплитудной модуляции (Amplitude Modulation – AM) или
амплитудной манипуляции (Amplitude Shift Keying – ASK) значениям
передаваемых данных (0 и 1) соответствует два разных значения амплитуды
гармонического колебания переносчика. В частном случае нулевому
значению передаваемой информации соответствует нулевое значение
амплитуды переносчика (рис. 2.10). При частотной модуляции – ЧМ
(Frequency Modulation – FM) или частотной манипуляции (Frequency Shift
Keying – FSK) значениям 0 и 1 передаваемых данных соответствует разная
частота передаваемого сигнала. Если на приемной стороне можно распознать
не 2, а 4, 8, 16, … значений амплитуды или частоты, то за один такт Т можно
передать 2, 3, 4, … бита информации.
1
0
1
1
0
0
АМ
ЧМ
ФМ
ОФМ
Т
Рис. 2.10 – Различные виды манипуляции
23
1
При фазовой манипуляции – ФМ (Phase Shift Keying – PSK) за один
такт Т передается один бит информации, когда значению 0 передаваемых
данных соответствует фаза 0º переносчика, а значению 1 – соответствует
фаза 180º. Такой вид модуляции получил название двоичной фазовой
манипуляции (Binary PSK). На приемной стороне фаза сигнала сравнивается
с фазой опорного сигнала, полученного с помощью узкополосного фильтра
из принятого сигнала. При воздействии импульсных помех фаза опорного
сигнала может измениться на 180º, тогда начинается обратный прием, т.е.
принимается инверсное значение данных. Для борьбы с этим явлением была
разработана относительная фазовая модуляция – ОФМ. В этом случае при
передаче 0 фаза передаваемого сигнала не меняется, а при передаче 1 – фаза
изменяется на 180º (рис. 2.10).
Если фаза передаваемого сигнала может принимать одно из четырех
значений (0º, 90º, 180º, 270º), то за один такт Т можно передать два бита
информации (00, 01, 10, 11), как показано на рис. 2.11. Такая модуляция
называется квадратурной фазовой манипуляцией.
0
0
0
1
1
0
1
1
Т
Рис. 2.11 – Квадратурная фазовая манипуляция
Скорость передаваемой информации измеряется либо в Бодах, либо в
бит/с. Значение в Бодах определяет частоту следования тактов: Бод = 1/Т
(рис. 2.11). Поскольку при квадратурной фазовой манипуляции за один такт
передается два бита информации, то значение «битовой» скорости передачи
будет вдвое выше значения скорости, заданной в Бодах. Если же
24
использовать фазовую манипуляцию, при которой значение фазы может
принимать 8 значений (через 45º), то за один такт будет передаваться три
бита информации, а значение «битовой» скорости передачи будет втрое
выше значения скорости, заданной в Бодах.
В настоящее время на практике широко используется квадратурная
амплитудная модуляция (Quadrature Amplitude Modulation – QAM), когда
комбинируется амплитудная и фазовая модуляции. Например, при четырех
значениях амплитуды и восьми значениях фазы можно получить 32
информационных комбинации, что отображено на рис. 2.12. Из 32 кодовых
комбинаций 16 являются разрешенными (затемненные точки на рис. 2.12), а
остальные – запрещенными. Это сделано для лучшего распознавания на
приемной стороне передаваемых кодовых комбинаций на фоне помех,
поскольку на диаграмме рис. 2.12 разрешенные кодовые комбинации по
возможности максимально удалены друг от друга. Такая квадратурная
амплитудная модуляция с 16 кодовыми комбинациями получила название
КАМ-16 (QAM-16), т.е. за один такт передается четыре бита информации.
Для высокоскоростных систем разработана модуляция КАМ-64, когда за
один такт передается шесть бит информации.
90°
135°
45°
180°
0°
315°
225°
270°
Рис. 2.12 – Квадратурная амплитудная модуляция КАМ-16
25
2.3 Логарифмическая система измерения параметров сигналов и
каналов
Сигналы, передаваемые по каналам связи, характеризуются рядом
параметров. Многие параметры каналов и сигналов задаются с помощью
относительных величин – уровней сигналов (уровней передачи) наряду с
абсолютными единицами измерения электрических сигналов (мощность,
напряжение, ток). Это обусловлено тем, что абсолютные параметры сигналов
изменяются в широких пределах. Чтобы облегчить измерения и расчеты
величин, которые изменяются в широком диапазоне, используют логарифмы
отношения этих величин к одноименным величинам, принятым за исходные.
В этом случае при расчетах операции умножения и деления заменяются
соответственно сложением и вычитанием, что облегчает расчеты.
Уровни
сигнала, представленные через
десятичные
логарифмы
отношения одноименных величин, выражаются в децибелах (дБ), а уровни
передачи, представленные через
натуральные логарифмы
отношения
одноименных величин, выражаются через неперы (Нп). Относительные
уровни мощности выражаются следующим образом:
ром  10 lg
Wx
, дБ
W0
или
1 W
ром  ln x , Нп ;
2 W0
(2.4)
Ux
, Нп ;
U0
(2.5)
напряжения:
рон  20 lg
Ux
, дБ
U0
или
рон  ln
тока
рот  20 lg
Ix
, дБ
I0
рот  ln
или
Ix
, Нп ,
I0
(2.6)
где Wх, Ux, Ix – соответственно величины мощности, напряжения, тока в
рассматриваемой точке системы передачи; а Wo, Uo, Io – величины, принятые
за исходные при определении уровней передачи.
26
Между уровнями передачи, представленными в дБ и Нп, существуют
следующие соотношения:
1дБ = 0,115 Нп и 1 Нп = 8,686  8,7 дБ.
(2.7)
В технике систем передачи информации в основном пользуются
децибелами.
Уровни передачи по мощности, напряжению и току могут быть
относительными или абсолютными в зависимости от того, какие значения
имеют Wo, Uo, Io. Если за исходные приняты следующие величины: мощность
Wo = 1мВт, напряжение Uo = 0,775 В и ток Io = 1,29 мА при сопротивлении в
точке отсчета Ro = 600 Ом, то уровни передачи называются абсолютными.
Абсолютные уровни обычно обозначаются следующим образом: pм, pн, pт.
Если же принятые за исходные величины Wo, Uo, Io, будут произвольными, то
уровни называются относительными (ром, рон, рот).
Уровни передачи будут положительными, если мощность
Wx,
напряжение Ux, ток Ix будут больше исходных величин Wo, Uo, Io. В
противном случае уровни передачи будут отрицательными. Нулевое
значение уровня будет иметь в случае, если Wx = Wo, Ux = Uo, Ix = Io.
От логарифмических единиц уровней в децибелах можно перейти к
абсолютным величинам мощности, напряжения или тока:
Wx  Wo  100,1 p oм ; U x  U o  100,05 p он ; I x  I o  100,05 p от .
(2.8)
Уровни передачи по току используются редко, поэтому далее
анализируются только уровни передачи по мощности и напряжению.
Исходя из 2.4, 2.8, составлена таблица соответствия отношений
мощностей и относительного уровня передачи.
Таблица 2.1
Отношений мощностей, относительный уровень
Wx/ Wo
pом , дБ
1000
30
100
20
10
10
5
7
2
3
27
1,25 0,8
1
-1
0,5
-3
0,1
-10
0,01
-20
Из табл. 2.1 следует, что, например, ослаблению сигнала в 100 раз
соответствует снижение его уровня (затухание) на 20 дБ, усилению сигнала
в два раза соответствует повышение его уровня (усиление) на 3 дБ.
Абсолютный уровень называется измерительным, если на вход канала
или тракта передачи подан синусоидальный сигнал генератора определенной
для данного канала частоты с внутренним сопротивлением Rг = 600 Ом и
э.д.с. равной Ег = 1,55 В.
Канал (тракт) передачи представляет собой каскадное соединение
пассивных и активных элементов (рис. 2.13). Например, при мощности
входного сигнала W1 = 0,2 мВт и условии, что первый элемент канала вносит
затухание, снижая уровень сигнала на 13 дБ, второй – усиливает сигнал в 50
раз, необходимо рассчитать мощности и соответствующие им уровни в
точках a, b, c тракта:
Wа = 0,2 мВт
a)
Wb = ?
- 13 дБ
pa = ?
Wc= ?
c)
b)
50
pb = ?
pc = ?
Рис. 2.13 – Каскадное соединение пассивных и активных элементов
(Ответ: pa = -7 дБ; Wb = 10 мкВт; pb = - 20 дБ; Wc = 0,5 мВт; pc = - 3 дБ)
2.4 Параметры и характеристики сигналов и каналов
Информационный сигнал и канал связи характеризуется следующими
основными параметрами:
1. Эффективно передаваемая полоса частот сигнала
Fс = Fмакс – Fмин,
или Fс = Fв – Fн,
28
(2.9)
где Fмакс и Fмин соответственно максимальное и минимальное значение
частоты (Fв, Fн – верхнее и нижнее граничное значение частоты) спектра
сигнала Fс, где сосредоточена основная энергия сигнала. Эффективно
передаваемая полоса частот канала Fк – это полоса от минимального
значения частоты до максимального, которую канал способен пропустить с
выполнением заданных требований к качеству передачи сигнала. Например,
канал тональной частоты (КТЧ) предназначен для передачи телефонного
сигнала с полосой частот 300 ÷ 3400 Гц. Канал звукового вещания высшего
класса должен передавать сигналы с полосой частот 30 ÷ 15000 Гц.
Часто
задается
только
верхняя
граничная
частота
сигнала
и
соответствующего канала, подразумевая, что нижняя граничная частота
близка к 0. Например, канал изображения, предназначенный для передачи
цветного
телевизионного
сигнала, характеризуется полосой
(верхней
граничной частотой) 6,5 МГц. Симметричный кабель, предназначенный для
сети Ethernet, характеризуется полосой пропускания 10 МГц, для FastEthernet
– 100 МГц.
2. Динамический диапазон сигнала
Dc  10 lg
Wмакс
, дБ,
Wмин
(2.10)
где Wмакс, Wмин – максимальная и минимальная мощность передаваемого
сигнала в одной точке канала.
Динамический диапазон канала
Dк  10 lg
Wкмакс
, дБ,
Wкмин
(2.11)
где Wкмакс – максимальная мощность сигнала, которая может передаваться по
каналу без искажений, Wкмин – минимальная мощность сигнала, при которой
обеспечивается требуемая защищенность от помех.
3. Пик-фактор характеризует превышение максимальной мощности
над средней мощностью сигнала
29
Qc  10 lg
W
Wмакс
, дБ; Qк  10 lg кмакс , дБ,
Wср
Wкср
(2.12)
4.Защищенность сигнала и канала связи от помех
Aзc  10 lg
Wмин
, дБ;
Wпом
Aзк  10 lg
Wкмин
, дБ,
Wпом
(2.13)
где Wмин – минимальная мощность сигнала, Wпом – мощность помехи.
5. Объем сигнала и канала
Vc = Tc Dc Fс,
Vк = Tк Dк Fк,
(2.14)
где Тс – длительность сигнала, Тк – время, на которое канал предоставлен для
передачи сигнала.
Естественно, что должно выполняться условие VкVс, причем,
необходимо чтобыTк  Tc, Dк  Dc, Fк  Fс.
6. Количество информации сигнала
Wср

I c    Fc  log 2 1 
 Wпом

 , бит/с,

(2.15)
где  – коэффициент активности источника сигнала. Для телефонного
сигнала  = 0,25…0,35, для других сигналов возможно = 1.
7. Пропускная способность канала передачи информации
Wср 

 , бит/с,
I к  Fк  log 2 1 
W
пом 

(2.16)
Для передачи сигналов без искажений должно выполняться условие Iк  Iс.
8. Амплитудная характеристика
Амплитудная характеристика (АХ) канала или отдельного устройства
представляет собой зависимость выходной мощности (напряжения, уровня)
от мощности (напряжения, уровня) на входе канала при заданной постоянной
частоте сигнала. То есть, АХ представляет собой уравнение преобразования
канала или устройства, которое может быть задано в аналитической или
графической форме. Аналитическая форма АХ (уравнения преобразования)
y = f(x)
(2.17)
30
устанавливает
функциональную
зависимость
выходного
сигнала
y
устройства от входного х. Желательно, чтобы уравнение преобразования
было линейным
y = a0 + a1x,
поскольку при обработке нелинейных уравнений преобразования требуется
больше ресурсов вычислительной техники.
В общем случае уравнение преобразования может быть нелинейным.
Как правило, нелинейные уравнения преобразования задаются полиномами
второго – пятого порядка
y = a0 + a1x + a2x2 + a3x3 + …
(2.18)
Однако могут использоваться и другие нелинейные функциональные
зависимости.
На рис. 2.14 показана графическая форма амплитудной характеристики
в виде зависимости выходной мощности сигнала Wвых от входной Wвх.
Wвых
Wдоп
Wвх
Рис. 2.14 – Амплитудная характеристика канала
На графике рис. 2.14 можно выделить:
- нелинейный участок при малых значениях входной мощности;
- линейный участок в средней части АХ;
- нелинейный участок при больших значениях Wвх.
Нелинейность начального участка АХ обусловлена влиянием шумов,
на фоне которых изменения входного сигнала не приводят к изменению
31
выходного, т.е. чувствительность канала или устройства низкая. При малом
уровне шумов нелинейность АХ на начальном участке обычно не велика и
ею часто пренебрегают.
Линейный участок в средней части АХ характеризуется постоянным
значением чувствительности (или затухания). Чувствительность активных
элементов канала передачи характеризует, насколько сильно изменяется
выходной сигнал при изменении входного и определяется как производная
выходного сигнала y по входному воздействию х
S
dy
.
dx
(2.19)
Если достаточно знать приближенное значение чувствительности S, то
чувствительность можно определить через конечные приращения
S
y
.
x
(2.20)
В линейных элементах канала (тракта) чувствительность
S = y/x.
(2.21)
поэтому ее можно характеризовать постоянным коэффициентом усиления S
(или ослабления) сигнала по мощности kм или по напряжению kн (при
одноименных сигналах на входе и на выходе канала)
kм = Wвых /Wвх, kн = Uвых /Uвх.
Затухание характеризует пассивные элементы канала передачи. В
линейных трактах затухание – это величина обратная чувствительности
A = x/y.
Поскольку
чувствительность
и
(2.22)
затухание
представляют
собой
отношение одноименных величин входных и выходных сигналов, то
чувствительность и затухание часто задают в дБ через относительные
уровни. Причем, чувствительность, заданная со знаком «+» означает
усиление сигнала активным элементом канала, а со знаком «-» означает
затухание (ослабление) сигнала в пассивном элементе тракта. И наоборот,
затухание со знаком «-» характеризует усиление сигнала, а со знаком «+»
32
характеризует ослабление сигнала. Таким образом, при прохождении
сигналов по каналам (трактам) имеют место потери энергии (затухание) в
пассивных элементах или ее увеличение (усиление) в активных.
Нелинейность АХ при больших значениях сигнала Wвх (рис. 2.14)
возникает из-за того, что напряжение питания активных элементов канала
ограничивает диапазон выходного сигнала. Поэтому при больших значениях
входного сигнала его повышение не приводит к росту выходного, устройство
входит в режим насыщения, чувствительность снижается, преобразование
становится нелинейным
Wвых = а0 + а1Wвх + а2Wвх2+ а3Wвх3+..,
Uвых = b0 + b1Uвх + b2Uвх2+ b3Uвх3+…
При этом проявляются нелинейные искажения, обусловленные тем, что
расширяется спектр выходного сигнала, поскольку к каждой составляющей
спектра сигнала (гармонике kωt) из-за нелинейной АХ добавляются
комбинации частот cos2ωt = (1 + cos2ωt)/2, cos3ωt = (3 cosωt + cos3ωt)/4, …
При
расширении
спектры
сигналов
соседних
каналов
могут
накладываться друг на друга, при этом проявляется взаимное влияние
каналов.
Величина нелинейных искажений в каналах обычно оценивается
коэффициентом нелинейных искажений
kни
где
U 22г  U 32г    U n2г
,

U1г
(2.23)
U1г – действующее значение напряжения первой (основной) гармоники
спектра сигнала;
U2г, U3г, Unг – действующие значения напряжений второй, третьей и т.д.
гармоник сигнала, возникших из-за нелинейности АХ канала.
Чтобы снизить влияние нелинейности АХ, уровень входного сигнала
ограничивают допустимым значением Wдоп (рис. 2.14).
33
Диаграмма уровней сигналов служит, чтобы охарактеризовать
изменения уровня мощности или напряжения сигнала при его прохождении
по элементам и устройствам каналов и трактов (рис. 2.15).
l1
l3
l2
Пер
УС1
УС2
Пр
pМ , дБ
3
0
-4
l
-1 дБ
-4 дБ
-3 дБ
-24
-27
-34
Рис. 2.15 – Диаграмма уровней тракта
Диаграмма уровней – это график, показывающий распределение
уровней передаваемого сигнала при его прохождении по элементам
оборудования каналов и трактов. В качестве примера на рис. 2.15 показана
диаграмма уровней канала, состоящего из передатчика (Пер), уровень
выходной мощности которого составляет рм = 3 дБ (мощность W = 2 мВт),
трех участков линии связи (среды распространения) длиной l1, l2, l3 с
соответствующим затуханием, двух промежуточных усилителей УС1, УС2 с
усилением S1 и S2, приемника (Пр) с входным усилителем.
На первом участке l1 уровень сигнала снижается с 3 дБ до –24 дБ, т.е.
линия вносит затухание в 27 дБ, т.о. относительное затухание на участке l1
составляет A1 = 27 дБ. На втором участке затухание A2 = 33 дБ, на третьем –
затухание A3 = 23 дБ. Первый промежуточный усилитель УС1 повышает
уровень сигнала на 23 дБ, второй усилитель – на S2 = 30 дБ, входной
усилитель приемника – на Sпр = 24 дБ.
34
Остаточное затухание канала (тракта) равно разности сумм всех
затуханий пассивных элементов тракта и сумм всех усилений активных
устройств, имеющихся в канале:
k
A0  pвх  pвых   Ai 
i 1
l
S j
(2.24)
j 1
Согласно (2.24) остаточное затухание тракта передачи (рис. 2.15) будет
равно
A0 = (A1 + A2 + A3) – (S1 + S2 + Sпр) = 6 дБ.
Следовательно, мощность сигнала после его усиления входным усилителем
приемника будет в 4 раза меньше мощности сигнала на выходе передатчика
(уровень меньше на 6 дБ). Эта мощность составляет W = 0,5 мВт, а уровень
мощности pм = –3дБ.
Амплитудная характеристика АХ может быть задана не только в виде
зависимости выходной мощности сигнала Wвых (напряжения Uвых) от входной
мощности Wвх (напряжения Uвх), но и виде зависимости остаточного
затухания Ао от уровня входного сигнала рвх (см. рис. 2.16).
Ao
pвх
Рис. 2.16 – Зависимость Ао = f(рвх) канала
На линейном участке АХ остаточное затухание канала имеет
постоянное значение Ао = const, на краях АХ затухание возрастает
(чувствительность снижается), что соответствует характеру АХ (рис. 2.14).
9. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики канала
При увеличении частоты входного сигнала Uвх от нуля до некоторого
значения 0 (рис. 2.17а) выходной сигнал практически соответствует по фазе
35
входному и чувствительность канала или его отдельного элемента постоянна
S =const.
Uвх
Uвх

t

t
t
Uвых
Uвых
Uвх

Uвых
Ux1
t
Ux 2
t
t
2
t 2=  
1
t 1 = 1
а)
б)
в)
Рис. 2.17 – Динамическая погрешность
С повышением частоты Uвх (рис. 2.17б) выходной сигнал Uвых начинает
отставать по фазе от входного, чувствительность S снижается, что приводит к
уменьшению амплитуды сигнала на Uх1 при неизменной величине входного
сигнала, т.е. появляется динамическая погрешность. Кроме того, выходной
сигнал характеризуется отставанием по фазе 1 = 1t1 от входного, где 1 =
2·f1 – частота входного воздействия. Таким образом, в канале происходит
искажение сигнала, обусловленное недостаточным быстродействием канала
при повышении частоты сигнала на входе. При дальнейшем повышении
частоты входного сигнала (рис. 2.17в) отставание по фазе (2 = 2t2)
увеличивается и возрастает динамическая погрешность (Uх2).
Отношение изображения выходного сигнала Uвых(р) к изображению
входного Uвх (p) получило название передаточной функции
W ( p) 
U вых ( p)
.
U вх ( p)
36
(2.25)
По виду передаточной функции при некотором навыке можно судить о
характере динамических процессов, протекающих в канале связи.
Более подробные сведения о динамических процессах дают модуль
(амплитудно-частотная характеристика – АЧХ) и аргумент (фазочастотная характеристика – ФЧХ) комплексной чувствительности S(j),
которая получается из передаточной функции W(p) путем замены оператора р
на оператор j
S ( j ) 
где
U вых ( j )
 S ( )  e jb( ) ,
U вх ( j )
(2.26)
S() – модуль комплексной чувствительности;
b()
–
аргумент
комплексной
чувствительности,
который
характеризует отставание по фазе выходного сигнала от входного;
 – частота входного сигнала.
Таким
образом,
канал
можно
представить
эквивалентным
четырехполюсником, параметры и характеристики которого определяют
качество передачи сигналов, рис. 2.18.
Uвх(t), Uвх(j
Iвх(t), Iвх(j
Uвых(t), Uвых(j
S(j
Zвх(t), Zвх(j
Iвых(t), Iвых(j
Zвых(t), Zвых(j
Рис. 2.18 – Эквивалентная схема канала передачи
Входные и выходные параметры четырехполюсника представлены
напряжением Uвх(t), Uвх(j), Uвых(t), Uвых(j); током Iвх(t), Iвх(j), Iвых(t),
Iвых(j) и сопротивлением Zвх(t), Zвх(j), Zвых(t), Zвых(j). Кроме того, в
качестве входных и выходных параметров может использоваться мощность и
уровень сигналов. При описании канала чаще используются напряжения
Uвх(j), Uвых(j). Амплитудно-частотная характеристика АЧХ часто задается
37
в виде зависимости относительной чувствительности от частоты входного
сигнала
S* 
где
S ( j )
,
S (0)
(2.27)
S(0) – чувствительность канала или его элемента при определенной
(заранее заданной) частоте входного сигнала.
Кроме того, АЧХ может задаваться в виде зависимости затухания А(f),
вносимого каким-то элементом канала, от частоты передаваемого сигнала.
Графическая форма зависимости затухания А(f) от частоты входного сигнала
 (или f) приведена на рис. 2.19.
A, дБ
40
20
0
f
ΔFк
Рис. 2.19 – Амплитудно-частотная характеристика
Из примера графика рис. 2.19 следует, что только внутри диапазона
эффективно передаваемой полосы частот канала Fк затухание отсутствует
А(f) = 0. При высоких и низких значениях частоты входного сигнала
затухание имеет очень большое значение, т.е. сигнал за пределами полосы
Fк не передается (подавляется).
Фазо-частотная характеристика
Фазо-частотная
характеристика
(ФЧХ)
является
аргументом
комплексной чувствительности (2.26), она характеризует отставания по фазе
38
 выходного сигнала от входного (рис. 2.17) в зависимости от частоты
входного сигнала ω (или f). Графическая форма ФЧХ приведена на рис. 2.20.
В общем случае фаза и частота связаны между собой соотношением d
= dt.

0,75
0,5
2
1
0,25
3
f


0
Рис. 2.20 – Фазо-частотная характеристика
ФЧХ показывает, что поданный на вход канала связи периодический
сигнал,
спектр
которого
представляет
совокупность
гармонических
колебаний с частотами k ( = 2·f), на выходе появляется с некоторым
запаздыванием по фазе  и по времени tз (рис. 2.21).
В идеальном канале связи фазо-частотная характеристика  = f() –
линейная, т.е.  = t. На рис. 2.20 наиболее близкой к идеальной является
ФЧХ 1 в полосе частот от 0 до частоты о.
Uвх
t
t

Uвых
 tз

 а)


t
 tз

 б)


Uвых
t
Fc
0

 в)
 г)


Рис. 2.21 – Время запаздывания сигнала
39
f
В этом случае время запаздывания tз = φ/ω выходного гармонического
сигнала относительной входного будет одинаково для всех частот спектра в
диапазоне от 0 до о. Если ФЧХ канала или отдельного устройства будет
типа ФЧХ 2 (рис. 2.20), то низкочастотные гармоники будут запаздывать
больше, а высокочастотные – меньше. При ФЧХ 3 – низкочастотные
гармоники будут запаздывать меньше, а высокочастотные – больше.
Входной периодический сигнал произвольной формы (рис.2.21а) может
быть представлен набором (спектром) гармоник. При этом выходной сигнал
также может быть представлен спектром гармоник, каждая из которых
отстает по фазе от соответствующей входной на угол . При линейной ФЧX,
т.е. при линейной зависимости отставания по фазе от частоты  = t, все
гармоники спектра выходного сигнала запоздают на одинаковое время tз
относительно гармоник спектра входного сигнала. В этом случае выходной
сигнал произвольной формы (рис. 2.21 б) будет отставать от входного на
время tз = /, но форма выходного сигнала будет соответствовать форме
входного, поскольку все гармоники на выходе запоздают на одно и то же
время tз, но на выходе появятся одновременно.
В случае нелинейной ФЧХ  = f() отставание по времени tз гармоник
разных частот будет различным. Следовательно, гармоники, составляющие
спектр выходного сигнала, будут задержаны относительно входного
воздействия на разное время, т.е. сформируются на выходе в разное время,
что приведет к искажению формы выходного сигнала (рис. 2.21в), к его
размыванию. Размывание импульсов получило в технике оптической связи
название
дисперсия.
Дисперсия
может
быть
положительной
или
отрицательной в зависимости от того, какого типа 2 или 3 (рис. 2.20) будет
ФЧХ, но результат будет одинаковым (рис. 2.21в). Неискаженным выходной
сигнал будет только в случае нулевой дисперсии, что возможно только в
узком диапазоне спектра сигнала.
40
В технике связи фазо-частотную характеристику часто представляют в
виде зависимости времени запаздывания (группового времени задержки) tз от
частоты сигнала. В линейных системах время tз не зависит от частоты, оно
постоянно (рис. 2.21г).
2.5 Характеристики канала тональной частоты
В разделе 2.1 было отмечено, что канал тональной частоты (КТЧ)
служит для обеспечения телефонной связи с эффективно передаваемой
полосой частот 0,3…3,4 кГц и заданными уровнями сигналов на всех
устройствах канала. Структурная схема КТЧ и значения уровней сигналов в
разных сечениях приведены на рис. 2.22.
ТА
ТА
-7 дБ
+4,3 дБ
-13 дБ
1 2 3
4 5 6
7 8 9
0
1 2 3
4 5 6
7 8 9
0
Симплексный канал
0 дБ
2
2
4
4
1
1
Удл
РУ
-3,5 дБ
РУ
-7 дБ
-3,5 дБ
0 дБ
Удл
1
1
4
4
2
2
Симплексный канал
-13 дБ
+4,3 дБ
Рис. 2.22 – Структурная схема КТЧ
На входе канала, т.е. выходе передающего сообщение телефонного
аппарата (ТА), уровень сигнала (по мощности) составляет 0 дБ (1 мВт). В
удлинителе Удл сигнал затухает на 3,5 дБ. Развязывающее устройство РУ
дополнительно вносит затухание, поэтому на входе усилителя симплексного
канала уровень сигнала составляет -13 дБ. Усилитель повышает уровень
сигнала до + 4,3 дБ, т.е. усиливает сигнал примерно в 50 раз. Ослабление
сигнала в развязывающем устройстве и удлинителе снижает его уровень на
41
выходе канала ТЧ, т.е. на входе принимающего сообщение ТА до -7 дБ (200
мкВт).
Удлинители в двухпроводном окончании, имеющие затухание -3,5 дБ,
называются транзитными; развязывающие устройства – дифференциальной
системой.
Четырехпроводный канал (рис. 2.23) состоит из двух каналов
однонаправленного
действия,
в
которых
сигналы
усиливаются
с
коэффициентом SА-В и SВ-А (повышается уровень сигнала примерно на 17 дБ).
От каждой из оконечных станций (Ст. А, Ст. В) сигналы поступают в
развязывающие
устройства
(РУ),
которые
обеспечивают
сопряжение
двухпроводной линии станции с четырехпроводным каналом ТЧ.
SA-B
-13 дБ
2
2
4
1
РУ
Ст. A
1
4
+4,3 дБ
4-х проводный
канал
4
4
1
РУ
Ст. B
1
2
2
-13 дБ
+4,3 дБ
SB-A
aoc
Рис. 2.23 – Структурная схема канала ТЧ
Пути прохождения сигналов от линейных зажимов 1-1 РУ станции А к
линейным зажимам 1-1 РУ станции В, а также в противоположном
направлении показаны сплошной и штриховой линиями. Затухание сигналов
между линейными зажимами станций А и В носит название остаточного
затухания двухпроводного канала:
42
аос = а1-2 - SА-В + а4-1
аос = a - S
или
где
(2.28)
а1-2, а4-1 – затухания сигналов между соответствующими зажимами РУ,
а усиление четырехпроводной части канала SА-В или SВ-А выбирается в
зависимости от направления передачи. Очевидна целесообразность того,
чтобы затухания а1-2 и а4-1 были минимальными.
При организации перехода от четырех- к двухпроводному каналу и
обратно (рис. 2.24) возникает петля обратной связи (ОС). Сигнал, попадая в
двухпроводный канал, начинает циркулировать по петле ОС, что приводит к
искажениям формы сигналов и в пределе (при положительной обратной
связи) – к самовозбуждению канала.
SA-B
Петля ОС
aпер 1
РУ1
РУ2
aпер 2
SB-A
Рис. 2.24 – Формирование обратной связи
В петле ОС присутствуют два усилителя с коэффициентами SА-В и SВ-Аи
два развязывающих устройства РУ1 и РУ2, у которых затухание при передаче
сигнала от зажимов 4-4 к 2-2 (рис. 2.22) должно быть бесконечным. Однако
на практике затухание составляет конечное значение апер1, апер2. Поэтому
суммарное затухание аос петли обратной связи:
аос= апер1 + апер2 - SА-В - SВ-А.
(2.29)
Величина аос имеет специальное название – запас устойчивости.
43
Затухание а и усиление (чувствительность) S – комплексные величины
(см. выражение 2.26), которые характеризуются модулем |S()| и аргументом
b(), который характеризует отставание по фазе выходного сигнала от
входного и зависит от частота входного сигнала .
При выполнении условия апер1 + апер2 ≤ SА-В + SВ-А и совпадении по фазе
информационного сигнала от конечной станции с сигналом обратной связи
от зажимов 4-4 к зажимам 2-2 возникает положительная обратная связь и
самовозбуждение канала.
Для обеспечения нормальной работы канала ТЧ значение остаточного
затухания должно находиться в некоторых заданных пределах, называемых
шаблоном отклонений остаточного затухания (рис. 2.25).
8,7
4,3
2,2
0,3 0,4 0,6
0,8
2,4
3,0
3,4 , кГц
f
- 2,2
Рис. 2.25 – Шаблон отклонений остаточного затухания аналогового
канала ТЧ
Фазо-частотные искажения не являются столь существенными при
передаче речи. Но так как каналы ТЧ используются также для передачи
данных и факсимильной связи, большие фазо-частотные искажения не
допустимы. Поэтому нормируется отклонение группового времени передачи
(ГВП) от его значения на частоте 1900 Гц на одном транзитном участке
длиной 2500 км (рис. 2.26).
44
ГВП, мс
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,4 0,6 0,8
1,0
1,4
1,6
2,2
2,4
2,8
3,0 3,2 3,3
f,кГц
Рис. 2.26 – Допустимое отклонение ГВП канала ТЧ
Коэффициент нелинейных искажений канала ТЧ на одном транзитном
участке не должен превышать 1,5% (1% по третьей гармонике) при
номинальном уровне передаче тока частотой 800 Гц. Амплитудная
характеристика при этом нормируется следующим образом: остаточное
затухание канала на одном транзитном участке должно оставаться
постоянным с точностью 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 пределах 0,3 ÷ 3,4 кГц. При повышении уровня
измерительного сигнала до 8,7 и 20 дБ остаточное затухание должно
уменьшиться не менее чем на 1,75 и 7,8 дБ соответственно.
Помехи в каналах ТЧ. На выходе канала ТЧ кроме информационного
сигнала присутствуют и помехи, которые определяются на приемном конце
в
точке
с
относительным
уровнем
-7
дБ.
Средняя
величина
псофометрического (взвешенного) напряжения помех в канале в течение
любого часа на одном переприемном участке длиной 2500 км не должна
45
превышать 1,1 мВ псоф (10 000 пВт псоф в точке относительного нулевого
уровня).
Пропускная способность канала ТЧ определяется выражением
Wср 

 , бит/с,
I к  Fк  log 2 1 
W
пом 

где
F – эффективно передаваемая полоса частот 3,1кГц;
Wср – средняя мощность сигнала, 32 мкВт;
Wпом – невзвешенная средняя мощность помех, отнесенная к точке с
нулевым измерительным уровнем, 87 нВт.
Подставляя эти значения в (2.16), получаем Iк  25103 бит/с.
Стандартные каналы ТЧ, организованные с помощью цифровых и
оптических систем передачи, являются более высококачественными (рис.
2.27). Поэтому ряд характеристик цифровых каналов ТЧ имеют следующие
отличия.
ГВП, мс
 а, дБ
0,5
2,0
0,4
1,0
0,3
0,5
0,2
1
2
3
f, кГц
- 0,5
0,1
0,6
а)
1,0
2,0
2,6
3,0
f , кГц
б)
Рис. 2.27 – Шаблон отклонений остаточного затухания цифрового канала (а)
и шаблон на недопустимую неравномерность ГВП цифрового канала ТЧ (б)
Нормы на амплитудно-частотные искажения заданы МСЭ-Т в виде
шаблона (рис. 2.27а). Если сравнить допустимые отклонения а цифровых и
46
аналоговых каналов ТЧ (см. рис. 2.25), можно отметить, что нормы для
цифровых каналов более жесткие. То же можно сказать и о фазо-частотных
искажениях (рис. 2.27б).
Для
цифровых
каналов
ТЧ
также
вводится
дополнительная
характеристика, которая оценивает шумы квантования. Эта характеристика
задается в виде зависимости отношения сигнал/шум (ОСШ) от уровня
сигнала (рис. 2.28).
ОСШ, дБ
33
30
27
22
20
10
0
- 10
- 20
- 30
- 40
-50 р, дБ
Рис. 2.28 – Зависимость ОСШ от уровня сигнала
Канал тональной частоты (КТЧ) является базовым как для передачи
телефонных сигналов, а также для передачи сигналов радиовещания,
телевизионного вещания, сигналов данных, факсимильной и телеграфной
связи.
47
Вопросы по разделу 2
1.
Что используют в качестве переносчика информационных сигналов?
2.
Как характеризуются аналоговые, дискретные и цифровые сигналы?
3.
Что характеризует спектр сигнала?
4.
Что собой представляет спектр периодического сигнала?
5.
Что собой представляет спектр непериодического сигнала?
6.
Как называется процесс изменения какого-либо параметра сигнала
переносчика в соответствии с передаваемой информацией?
7.
В чем различие модуляции и манипуляции?
8.
Что измеряют в дБ? Зачем введена такая система?
9.
Какое значение принято за нулевой (абсолютный) уровень сигнала по
мощности?
10. Какие основные параметры характеризуют канал связи?
11. Чем определяется пропускная способность канала связи?
12. Каково соотношение между количеством передаваемой информации и
пропускной способностью канала связи?
13. Что собой представляет диаграмма уровней?
14. Что задает АХ?
15. Что является причиной расширения спектра сигнала на выходе канала?
16. Что задает АЧХ?
17. Что задает ФЧХ?
18. Какой должна быть ФЧХ, чтобы дисперсия была минимальной?
48
Упражнения по разделу 2
1. Изобразите временные диаграммы аналоговых, дискретных и цифровых
сигналов.
2. Изобразите ряд Фурье периодической последовательности прямоугольных
импульсов в аналоговой и графической форме.
3. Изобразите
спектр
непериодического
прямоугольного
импульса
в
графической форме.
4. Приведите примеры АМ, ЧМ, ФМ, ОФМ для произвольной комбинации
двоичного цифрового кода.
5. Приведите пример квадратурной амплитудной модуляция с 16 кодовыми
комбинациями КАМ-16.
6. Канал состоит из двух элементов (см. рисунок). Первый элемент вносит
затухание на 13 дБ, второй – усиливает сигнал в 40 раз.
Wвх
pвх
Wвых
-13 дБ
×40
pвых
Найдите значения мощности Wвых и уровней pвх, pвых для следующих
значений входной мощности: Wвх = 0,25 мВт, Wвх = 0,5 мВт, Wвх = 2,0 мВт.
7. Чему равна пропускная способность канала связи при следующих
параметрах: ∆F = 3,1 кГц, Qк = 10 дБ, Wмакс = 8 мВт, Wпом = 8 нВт?
8. Объясните причину дисперсии. Как дисперсия связана с ФЧХ канала?
9. Объясните причину расширения спектра сигнала на выходе канала. К
чему это приводит и как с этим бороться?
49
3 МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ КАНАЛОВ
3.1 Обобщенная структурная схема многоканальной системы передачи
Основу ИКСС составляют многоканальные системы передачи (МСП),
которые формируют типовые каналы и тракты и обеспечивают передачу
информации на любые расстояния.
При создании инфокоммуникационных сетей невозможно соединить
всех абонентов сети между собой линиями связи. Это нецелесообразно
экономически и трудно выполнимо физически. Поэтому в линии создаются
тракты (каналы), по которым могут одновременно передаваться сообщения
разных
абонентов.
Например,
по
линиям
связи,
соединяющим
телекоммуникационные узлы (ТУ) сети (рис. 3.1), может одновременно
передаваться несколько различных потоков данных. Так, по линии Л2,
соединяющей интерфейс С узла ТУ1 с интерфейсом В узла ТУ3, передаются
данные от абонента А2 абоненту А4 и одновременно от абонента А1
абоненту А6. Поэтому в линии Л2 формируются два отдельных канала для
передачи информационных потоков Поток 1 и Поток 2. По линии может
одновременно передаваться множество потоков данных, поэтому должно
быть сформировано несколько каналов по числу потоков.
Таким образом, телекоммуникационный узел должен выполнять не
только
функцию
коммутации
информационного
потока
с
входного
интерфейса на выходной, но и объединение (уплотнение) нескольких
потоков в один, а также разделение объединенного (агрегированного) потока
на его составляющие. Процесс объединения потоков получил название
мультиплексирование, а процесс разделения потоков на составляющие –
демультиплексирования. Эти процессы реализуют мультиплексоры и
демультиплексоры, входящие в состав МСП.
50
А2
Линия Л1
Поток 1
B
ТУ1
C
A
А1
А4
Линия Л2
Поток 1
Поток 2 D
Линия Л3
Поток 2
A
B
A
А3
ТУ3 E
Линия Л4
C
ТУ2
Поток 1
B C
D
А5
Поток 2
А6
Рис. 3.1 – Мультиплексирование каналов в линии связи
Многоканальной системой передачи (МСП) называют систему
передачи (СП), обеспечивающую одновременную и независимую передачу
сообщений от N источников к N получателям по одной линии связи (рис. 3.2).
Рис. 3.2 – Структурная схема многоканальной системы передачи
В передающей части МСП первичные сигналы С1(t), С2(t), ..., Сn(t)
преобразуются модуляторами М1, М2, ..., Мn в канальные сигналы U1(t),
U2(t), …, Un(t). При этом сигналы отдельных каналов наделяются
51
некоторыми заранее обусловленными признаками с тем, чтобы в приемной
части системы сигналы могли быть различены и разделены. Канальные
сигналы обладают признаками, которые можно назвать разделительными –
индекс или номер признака (принцип разделения каналов), номер канала,
отличающих его от остальных канальных сигналов. Канальные сигналы
содержат передаваемое сообщение.
Групповой сигнал получается путем объединения канальных сигналов:
n
U∑ (t) =

Ui(t).
i 1
Групповой сигнал, проходя через элементы системы передачи и
направляющую систему (линию связи), претерпевает искажения (линейные и
нелинейные)
и
на
него
накладываются
помехи.
Поэтому
сигнал,
поступающий на вход приемной части МСП, отличается от сигнала на
передаче ( U  t  ).
~
В приемной части МСП групповой сигнал U  t  с помощью устройств
~
разделения (фильтрации) Ф1, Ф2, ..., Фn разделяется на канальные сигналы
~
~
~
U1(t) , U2(t) , ..., Un(t) . Восстановление первичных сигналов производится
демодуляторами Д1, Д2...Дn.
Чем меньше сигнал Сi(t) на выходе i-го канала отличается от сигнала
на его входе, тем выше качество связи. Оценку качества связи производят с
помощью характеристик и параметров каналов (АХ, АЧХ, величиной уровня
помех и т.д.).
МСП
должны
обеспечивать
принципиальную
возможность
их
разделения, обеспечивать минимальное различие между первичными
сигналами на передаче и приеме.
Так как групповой сигнал передается по единой линии связи, то в МСП
кроме внешних помех возникают специфические переходные помехи между
каналами. МСП должны обеспечивать снижение влияния этих помех до
допустимых значений.
52
Системы передачи должны обеспечивать высокое качество передачи
сигналов, надежность, и высокую экономическую эффективность связи.
Поэтому можно сформулировать основные требования к МСП:
1.
Задача
проектирования
МСП
состоит
в
подборе
свойств
преобразователей передачи (М) и приема (Д), фильтрующих устройств (Ф),
~
минимизирующих отклонение Сi (t) от С i (t) .
2. МСП должны обеспечивать ортогональность (независимость)
каналов друг от друга. То есть все узлы аппаратуры, а также направляющая
СП должны обеспечивать полное разделение канальных сигналов, не
допуская возникновения переходных влияний между каналами.
3. МСП должны обеспечивать необходимую надежность связи.
4.
МСП
должны
обеспечивать
высокую
экономическую
эффективность.
Современные МСП состоят из следующих основных частей (рис. 3.3):
каналообразующего оборудования (КОО); оборудования сопряжения (ОС);
оборудования линейного тракта (ОЛТ); унифицированного генераторного
оборудования (УГО) и сервисного оборудования (СО).
Рис. 3.3 – Унифицированное оборудование МСП
53
Каналообразующее оборудование является унифицированным для
конкретного типа систем передачи и предназначено для создания типовых
каналов с характеристиками, соответствующими определенным нормам.
Оборудования сопряжения является специфическим для каждой
системы передачи и предназначено для согласования каналообразующего
оборудования с оборудованием линейного тракта.
Оборудование линейного тракта – это часть системы передачи, в
которой передается групповой многоканальный сигнал, и называется такой
сигнал линейным. Оборудование линейного тракта включает в себя
устройства, устанавливаемые как на оконечных станциях, так и на
промежуточных станциях (усилительные и регенерационные пункты), а
также линию связи.
Унифицированное
генераторное
оборудование
вырабатывает
электрические сигналы с частотами, необходимыми для формирования
канальных сигналов, а также вспомогательные сигналы, обеспечивающие
функционирование всего оборудования системы передачи.
Сервисное оборудование обеспечивает автоматизацию процессов
технического обслуживания каналов и трактов системы передачи.
Многоканальные системы передачи реализуют уплотнение и
разделение каналов, т.е. мультиплексирование и демультиплексирование, на
основе:
- частотного разделения каналов (системы ЧРК);
- временного разделения каналов (системы ВРК);
-
спектрального уплотнения
по
длине волны
(Wave
Division
Multiplexing – WDM);
- кодового разделения каналов (КРК).
В системах ЧРК каждому каналу выделяется определенная полоса
частот, которая не перекрывается с полосами частот других каналов.
В
системах
ВРК
каждому
каналу
периодически
выделяется
определенный интервал времени (канальный интервал). Период, через
54
который повторяются канальные интервалы каждого канала, определяется
теоремой Котельникова.
В системах со спектральным уплотнением WDM каждому каналу
выделяется определенная длина волны, не перекрывающаяся с длинами
волн других каналов, т.е. фактически полоса частот, как в системах с ЧРК.
В
системах
информации
с
кодовым
кодируется
разделением
многоразрядной
КРК
двоичная
кодовой
единица
комбинацией
(расширяющей последовательностью), а двоичный ноль – инверсным
значением этой последовательности. Причем в каждом канале своя
расширяющая последовательность, что и позволяет разделять каналы.
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 в аналоговых системах передачи должен
быть сформирован канал тональной частоты (КТЧ) с шириной полосы
пропускания ΔFк = 4 кГц.
В цифровых системах ВРК частота дискретизации телефонного сигнала
в соответствие с теоремой Котельникова составляет Fд = 8 кГц. При
использовании 8-разрядного двоичного кода информационный поток равен
8бит × 8 кГц = 64 кбит/сек, он получил название основной цифровой канал
(ОЦК). Объединение 32 ОЦК (30 рабочих и 2 служебных) создает
первичный цифровой поток (ПЦП) со скоростью 2048 кбит/сек. В
Европейской системе плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous
Digital Hierarchy – PDH) ПЦП 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. 3.1.
55
Таблица 3.1
Иерархия скоростей цифровых систем передачи PDH
Стандартные цифровые
потоки
Скорость, кбит/с
Количество рабочих
каналов
ОЦК
Е1
Е2
Е3
Е4
64
2048
8448
34368
139264
1
30
120
480
1920
Из табл. 3.1 следует, что Е2 = (4·Е1 + 256) кбит/с. Дополнительные 256
кбит/с
необходимы
для
согласования
скоростей
объединяемых
плезиохронных, т.е. не совсем синхронных потоков, и для формирования
дополнительной
служебной
информации
объединенного
потока
Е2.
Аналогично дополнятся служебная информация при формировании потоков
Е3 и Е4. Поэтому для извлечения ОЦК (одного или нескольких) из
объединенного потока его необходимо полностью демультиплексировать.
Особые трудности это создает при выделении части потока в промежуточных
пунктах коммутации. Поэтому при разработке систем телекоммуникаций с
более высокими скоростями передачи указанный недостаток был устранен в
системах синхронной цифровой иерархии (Sуnchronous Digital Hierarchy –
SDH). Значения скоростей передачи информации в системе синхронной
цифровой иерархии приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Иерархия скоростей цифровых систем передачи SDH
Потоки
Скорость, Мбит/с
Количество
потоков Е1
Количество
рабочих каналов
STM-1
155,520
STM-4
622,080
STM-16
2488,32
STM-64
9953,38
STM-256
39813,52
63
252
1008
4032
16128
1890
7560
30240
120960
483840
В системах SDH введено понятие синхронного транспортного модуля
(Sуnchronous Transport Module – STM) соответствующего уровня: STM-1,
56
STM-4, STM-16, STM-64 и т.д. До уровня STM-16 объединение потоков
производится с использованием временного уплотнения. Для дальнейшего
увеличения скорости передачи используют технологии спектрального
уплотнения по длине волны WDM и плотного спектрального уплотнения
Dense WDM – DWDM.
3.2 Системы передачи с частотным разделением каналов
Телекоммуникационной системой с частотным разделением каналов
(ЧРК) называют систему, в линейном тракте которой для передачи
канальных сигналов отводятся неперекрывающиеся полосы частот канальные интервалы.
В
качестве переносчиков канальных
сигналов
в
СП
с
ЧРК
используются гармонические колебания различных частот, а методами
формирования
канальных
сигналов
является
модуляция одного
или
нескольких параметров этих колебаний. Переносчики канальных сигналов
называются несущими колебаниями, или несущими частотами.
Известно, что модуляция одного из параметров несущей частоты
переносит спектр модулирующего сигнала в спектр частот, определяемый
частотами несущего колебания и видом модуляции.
Сущность построения СП с ЧРК заключается в том, что спектр каждого
первичного сигнала с помощью несущей частоты переносится в отведенную
для него полосу частот линии связи (физической среды распространения
электрического сигнала), формируя, таким образом, канальные сигналы с
неперекрывающимися спектрами (рис. 3.4).
В СП с ЧРК в качестве основного метода формирования канальных
сигналов используются методы амплитудной модуляции гармонического
колебания
–
несущей
частоты, позволяющие
использовать спектр частот линии связи.
57
наиболее
эффективно
Рис. 3.4 – Линейный спектр МПС с ЧРК
Несущее колебание представим в виде:
 (t )  U н cos(н t   н )  U н cos(2f н t   н ),
где
Uн – амплитуда несущего колебания;
fн – частота несущего колебания;
ωн – круговая частота;
φн – начальная фаза несущего колебания.
Пусть модулирующий исходный сигнал С(t) представляет собой
одночастотное гармонической колебание вида:
С(t) = Uc соs(ωc + φc),
где
Uc – амплитуда составляющей с частотой первичного сигнала;
ωc – частота первичного сигнала;
φc – начальная фаза первичного сигнала.
На рисунке 3.5 приведены временные диаграммы амплитудно-
модулированного сигнала (АМ-сигнала), если первичный модулирующий
сигнал С(t) представляет собой одночастотное гармонической колебание.
Основные составляющие спектра АМ-сигнала имеет вид:
U АМ (t )  U н cos(t ) 
m
m
U c cos(н  с )  U c cos(н  с ) ,
2
2
где m – глубина амплитудной модуляции.
58
Рис. 3.5 – Временная диаграмма AM-сигнала
Анализ последнего выражения показывает, что спектр AM-сигнала
содержит несущее колебание и колебания двух боковых частот (нижняя
боковая – НБ и верхняя боковая – ВБ), симметричных относительно
несущей. Спектр АМ-сигнала при модуляции гармоническим колебанием
показан на рис. 3.6.
Рис. 3.6 – Спектр АМ-сигнала при модуляции гармоническим сигналом
59
Если первичный сигнал (fc) представляет собой сложный сигнал, спектр
которого ограничен полосой частот Fмакс ÷ Fминс, то спектр АМ-сигнала будет
иметь вид, который показан на рис. 3.7, где НБ – нижняя боковая полоса
частот, ВБ – верхняя боковая полоса частот.
Рис. 3.7 – Спектральная диаграмма АМ-сигнала при модуляции
сложным первичным сигналом
Таким образом, в спектре сигнала присутствуют несущее колебание и
две боковые полосы частот. Ширина канального сигнала при амплитудной
модуляции будет равна:
Δf АМ  2  Fмакс .
Рассмотрим принцип частотного разделения каналов, используя схему
n-канальной системы и планы частот в ее характерных точках (рис. 3.8 и рис.
3.9).
Рис. 3.8 – Система передачи с ЧРК
60
В качестве переносчиков в СП с ЧРК используются гармонические
синусоидальные колебания с различными частотами f1, f2, …, fn (колебания
несущих) (см. рис. 3.6). Канальные сигналы формируются в результате
модуляции одного из параметров переносчиков первичными сигналами Ci(t).
В модуляторах (М) системы передачи может применяться амплитудная,
частотная или фазовая модуляции. На выходе модуляторов образуются две
боковые полосы частот (рис. 3.9): верхняя боковая (ВБ) и нижняя боковая
полоса частот (НБ). Канальные полосовые фильтры (КПФ) на передаче
формируют полосу частот канального сигнала с одной боковой полосой
частот.
Частоты
несущих
колебаний
выбираются
так,
чтобы
спектры
канальных сигналов, например, U1(t) и U2(t), не перекрывались. Групповой
сигнал U(t), поступивший в линию связи, представляет собой сумму
канальных сигналов:
U  (t )  U1 (t )  U 2 (t )  ...  U n (t ) .
Рис. 3.9 – Спектральные диаграммы
61
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 U  (t ) .
В приемной части системы передачи производится разделение
группового сигнала на канальные сигналы с помощью канальных полосовых
~
разделительных фильтров (КПФ), т.е. из группового сигнала U  (t ) выделяют
канальные сигналы U~1 (t ), U~2 (t ),...U~n (t ).
Первичные сигналы восстанавливаются демодуляторами Д1, Д2, …, Дn
с использованием несущих колебаний с частотами, равными частотам
несущих на передаче.
ФНЧ подавляют высокочастотные паразитные продукты демодуляции.
~
Сигналы Сi (t ) на входе каналов из-за искажений в тракте передачи, не
идеальности аппаратуры и наложения помех отличаются от первичных
сигналов на входе каналов Ci(t).
~
Качество связи определяется критерием близости сигналов Ci(t) и Сi (t ) ,
и зависит от вида передаваемых сообщений, свойств системы связи и линии
связи, уровня помех.
Условием разделимости канальных сигналов СП с ЧРК является их
ортогональность, т.е. выполнения условия:
 0 если f нi  f  f вi

Gi ( f )   0 если f  f ; f  f ,
нi
вi


где
Gi(f) – энергетический спектр i-го канального сигнала;
fнi и fвi – нижняя и верхняя границы полосы частот, отводимой в
линейном тракте для i-го канального сигнала.
В системах с ЧРК канальные сигналы отличаются друг от друга
занимаемой полосой частот в групповом тракте. В отведенной для передачи
по линии связи полосе частот можно организовать каналов больше, если
62
канальные интервалы сигналов будут иметь более узкую полосу частот.
Ширина канального интервала в системах с ЧРК зависит от вида модуляции
параметров несущего колебания исходным сигналом. Выбор метода
формирования канальных сигналов основан на двух критериях:
- самая узкая полоса частот канального интервала;
- высокая помехозащищенность сигнала.
С этой точки зрения рассматривают три вида модуляции: амплитудная
(АМ), фазовая (ФМ) и частотная (ЧМ).
Достоинства метода АМ:
- простота модуляции;
- относительно узкая полоса канального интервала.
Недостаток АМ:
- низкая помехозащищенность.
При
частотной
модуляции
ширина
канального
сигнала
будет
определена:
∆чм = 2( + 1)с ,
где  – глубина частотной модуляции.
Для увеличения помехоустойчивость при ЧМ глубину частотной
модуляции (mf) берут больше чем 1.
Недостатком ЧМ служит более широкая, по сравнению с АМ, ширина
канального интервала.
Фазовая модуляция обычно не используется в системах с ЧРК, так как
при одинаковой помехозащищенности имеет более сложную реализацию и
более широкую полосу частот.
С точки зрения критериев выбора методов модуляции, в стандартных
системах передачи с ЧРК, работающих по кабельным линиям связи,
применяют АМ. В радиорелейных и спутниковых линиях передачи, где
уровень помех значительный, применяют фазовую и частотную модуляцию.
63
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 КПФ1, КПФ2, ..., КПФn (рис. 3.10).
а КПФ
Рис. 3.10 – Спектральная диаграмма группового сигнала
Разделительные фильтры обеспечивают малое затухание в полосе
пропускания (апр) и необходимую величину затухания в диапазоне
эффективного подавления (апод). Между этими полосами находятся полосы
расфильтровки разделительных фильтров. Следовательно, в групповом
сигнале
канальные
сигналы
должны
быть
разделены
защитными
промежутками (fз), величины которых должны быть не меньше полос
расфильтровки фильтров. Т.е. ширина канального интервала складывается
из:
f к  f с  f з .
Следовательно, ширина группового сигнала может быть определена по
формуле:
f   N  (f с  f з ) .
Так как затухание разделительных фильтров в полосе задерживания
конечно (апод), то полное разделение канальных сигналов невозможно. В
64
следствие 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.
3.3 Групповой принцип построения систем передачи с ЧРК
МСП с ЧРК строят на основе многократного преобразования частоты,
то есть сигнал на передаче несколько раз перемещается по оси частот. На
приеме осуществляют обратные преобразования.
Преимущества такого способа:
1) Удешевление каналообразующего оборудования.
2) Стандартизация каналообразующего оборудования.
3) Рациональное использование линейного спектра частот.
При формировании групп каналов базовым является канал ТЧ, т.е.
каждая группа содержит определенное количество КТЧ. На первой ступени
преобразования (см. рис. 3.11), общее число мультиплексируемых каналов
разбивается на группы по
n1 =12 каналов ТЧ. Ступень называется
индивидуальной, а сформированные группы – первичными (ПГ). Вторая и
65
последующие ступени являются групповыми. Вторичная группа (ВГ)
организуется из n2 =5 ПГ и содержит n1 ∙ n2 =12х5=60 КТЧ. Третичная группа
(ТГ) получается путем объединения n3 =5 ВГ, и содержит n1 ∙ n2 ∙ n3 = 12∙5∙5 =
300
КТЧ.
Совокупность
устройств,
обеспечивающая
стандартное
образование групп каналов называется каналообразующим оборудованием.
Рис. 3.11 – Групповой принцип построения МСП с ЧРК
Согласно рекомендациям международного союза электросвязи (МСЭ)
комитета телефонии на первой ступени формируется первичная группа,
содержащая 12 каналов тональной частоты (по 4 кГц). Ширина спектра
частот ПГ (рис. 3.12):
f ПГ  48 кГц .
Рис. 3.12 – Спектр ПГ
66
Следующая ступень иерархии – формирование вторичной группы ВГ,
содержащей 60 КТЧ (рис. 3.13):
f ВГ  240 кГц .
Рис. 3.13 – Спектр ВГ
Следующая стандартная группа – третичная группа (ТГ), которая
формируется из 5 ВГ и содержит 300 КТЧ.
3.4 Системы передачи с временным разделением каналов
Выбор частоты дискретизации
Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что
групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого
канала многоканальной системы.
Так как передаваемые сигналы непрерывные и аналоговые и
существуют одновременно, то необходимо представить их дискретными
отсчетами в определенные моменты времени.
При дискретизации по времени передается ни весь непрерывный
сигнал, а только его амплитудные значения (дискретные отсчеты), взятые
через определенный промежуток времени (период дискретизации):
ТД 
где
ТД – период дискретизации;
FД – частота дискретизации.
67
1
,
FД
Спектр АИМ сигнала (см. рис. 3.14г) содержит исходный сигнал в
полосе Fcmin ÷ Fcmax, гармоники частоты дискретизации Fд и боковые полосы
при гармониках частоты дискретизации.
Рис. 3.14 – Временные и спектральные диаграммы исходного (а, б) и
АИМ-сигнала (в, г)
Частота дискретизации выбирается таким образом, чтобы на приеме
было возможно восстановление непрерывного сигнала по амплитудным
отсчетам с помощью ФНЧ, который называют «фильтром-демодулятором».
Из рис. 3.14г следует, что для восстановления непрерывного исходного
сигнала по его АИМ-отсчетам на приеме с использованием ФНЧ необходимо
выбрать частоту дискретизации таким образом, чтобы был защитный
интервал (Δfр) между максимальной частотой исходного сигнала Fcmax и
минимальной частотой продуктов преобразования Fд ÷ Fcmax. То есть, должно
выполняться условие:
Fс мах  Fд - Fс мах.
68
Отсюда можно определить искомое значение частоты дискретизации:
Fд  2Fс мах.
Это соотношение соответствует теореме Котельникова В.А., которая
гласит, что всякий непрерывный аналоговый сигнал с(t), спектр которого
ограничен
сверху
значением
Fсмах,
может
быть
представлен
последовательностью его мгновенных (дискретных) значений (отсчетов),
следующих с частотой дискретизации.
Для фильтров с реальной амплитудно-частотной характеристикой
частоту дискретизации определяют из выражения:
Fд  (2,3 ÷ 2,4)Fс мах.
В этом случае можно снизить требование к крутизне нарастания
характеристики затухания фильтра – демодулятора.
Если дискретизации подвергается сигнал ТЧ с Fc = 0,3÷3,4 кГц, то
стандартная частота дискретизации для КТЧ:
FдКТЧ = 8кГц, Тд = 1/Fд = 125 мкс.
Полоса расфильтровки для фильтра-демодулятора КТЧ будет равна:
р = 1,2 кГц.
Если дискретизации подвергается сигнал, спектр которого имеет
соотношение:
Fс max
 1,
2 Fc min
то есть спектр исходного сигнала начинается не от нуля (выполняется
принцип «октавности»), частоту дискретизации выбирают из соотношения:
Fc max  Fд  2Fc min .
На рисунке 3.15 представлен спектр на выходе АИМ-модулятора,
который произвел дискретизацию стандартной первичной группы СП ЧРК с
частотой дискретизации, выбранной из соотношения:
108 кГц  Fд  120 кГц, Fд  110 кГц .
69
Рис. 3.15 – Спектральная диаграмма
В этом варианте восстановление непрерывного сигнала по отсчетам
возможно с помощью полосового фильтра.
Выбор частоты дискретизации по второму условию уменьшит
искажение сигнала за счет сокращения ширины линейного спектра. Что
позволит увеличить длину регенерационного участка.
Структурная схема системы передач с ВРК
В системах с ВРК поочередно передаются 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. 3.16 приведена структурная схема трехканальной системы
передачи, реализующая принцип временного разделения каналов.
Фильтр низких частот (ФНЧ) передатчика ограничивает спектр
исходного сигнала частотой Fсмах.
Дискретизация по времени осуществляется с помощью электронных
ключей (ЭК), на выходе которых формируются канальные амплитудноимпульсные сигналы, причем, когда замкнут ключ одного из каналов, ключи
остальных каналов разомкнуты.
70
Рис. 3.16 – Структурная схема трехканальной системы передачи с ВРК
Объединяющее устройство (ОУ) предназначено для объединения
канальных
сигналов,
в
групповой
АИМ-сигнал
(UΣАИМ),
который
представляет собой сумму канальных сигналов:
U Σ АИМ  U1 АИМ  U 2 АИМ  ...  U 3 АИМ .
Из временной диаграммы (рис. 3.17) следует, что передача группового
сигнала осуществляется по циклам, длительность которых равна периоду
дискретизации, т.е. Тц = Тд.
Рис. 3.17 – Временные диаграммы, поясняющие принцип ВРК
71
Цикл (кадр) передачи поделен на неперекрывающиеся канальные
интервалы, в которых передаются отсчеты отдельных каналов. Длительность
канального интервала зависит от числа мультиплексируемых каналов и
равна:
к=
где
ТД
N
,
N – число каналов.
Время срабатывания электронных ключей соседних каналов сдвинуто
относительно друг друга на канальный интервал.
Развязывающее устройство (РУ) обеспечивает параллельную работу
устройств приемной станции.
В
приемнике
разделение
каналов
осуществляется
с
помощью
временных селекторов (ВС), в качестве которых используются электронные
ключи.
Ортогональность
(независимость
каналов)
в
системах
с
ВРК
обеспечивается не перекрывающимися промежутками времени, отводимыми
для каждого канала.
В любой фиксированный момент времени в замкнутом состоянии в
приемной и передающей части системы находятся ключи только одного
одноименного канала, а все остальные разомкнуты, то есть электронные
ключи объединяемых каналов срабатывают с одной и той же скоростью, но в
разные моменты времени.
Управление
электронными
ключами
осуществляет
генераторное
оборудование системы передачи. В состав генераторного оборудования
передающей и приемной станций входят задающий генератор канальных
импульсов (ГКИ), который формирует импульсную последовательность с
частотой дискретизации (Fд), и распределитель канальных импульсов (РКИ),
который подает эти импульсные последовательности на электронные ключи
каналов с временным сдвигом на канальный интервал (к).
72
Очевидно, что для полного восстановления сигналов на приеме
необходимо,
чтобы
одноименные
ключи
передатчика
и
приемника
одноименных каналов срабатывали с одной и той же скорость и
одновременно. Синхронную и синфазную работу ключей обеспечивает
система синхронизации генераторного оборудования. С этой целью на
передаче специальный синхросигнал вводится в групповой АИМ-сигнал с
помощью формирователя и передатчика синхросигнала (ФПСС). На
приемной станции синхросигнал выделяется из группового сигнала
приемником синхросигнала (ПСС).
Восстановление
непрерывного
исходного
сигнала
на
приеме
осуществляется с помощью ФНЧ.
3.5 Системы спектрального уплотнения по длине волны
Спектральное уплотнение по длине волны (Wavelength-Division
Multiplexing (WDM)) – это технология, позволяющая одновременно
передавать несколько информационных сообщений по одному оптическому
волокну (ОВ) на разных несущих частотах. В системах WDM каждому
оптическому каналу выделяется определенный интервал длин волн, не
перекрывающийся с интервалами длин волн других каналов. То есть,
принцип тот же, что при частотном разделении каналов ЧРК.
Передача оптических сигналов по оптическому волокну производится в
окнах прозрачности (Transmission Window, Telecom Window) – диапазон
длин волн, в котором затухание излучения в оптическом волокне меньше, по
сравнению с соседними диапазонами. Стандартное ступенчатое оптическое
волокно (SMF) имеет три окна прозрачности: 850 нм, 1310 нм и 1550 нм (рис.
3.18). Символами OH (кислород, водород) обозначены гидроксильные
(водяные) пики поглощения, где затухание резко возрастает на длинах волн
1290 нм, 1383 нм. К настоящему времени разработаны оптические волокна,
имеющие относительно хорошую прозрачность во всём представленном
73
инфракрасном диапазоне за счет устранения водяных пиков поглощения.
При этом появилась возможность использования четвёртого (1580 нм) и
пятого (1400 нм) окон прозрачности (рис. 3.18) [9, 10].
а,
дБ/км
2,00
1
2
5
1,00
4
ОН
ОН
ОН
0,50
3
0
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6 λ, мкм
Рис. 3.18 – Зависимость затухания ОВ от длины волны
В одномодовом оптическом волокне (рекомендация ITU-T G.652.D)
существенно снижены потери в области гидроксильного пика на длине
волны 1383 нм. Поэтому появилась возможность использовать весь диапазон
1260 ÷ 1675 нм, что отображает рис. 3.19, где гидроксильный пик показан
пунктиром. Весь используемый спектр волокна разбит на шесть диапазонов
(рис. 3.19, табл. 3.3), которые могут использоваться для обмена сообщениями
в оптических цифровых системах передачи (ОЦСП).
а,
дБ/км
1,50
О
E
S
C
L
U
1,00
0,50
0
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
λ, мкм
Рис. 3.19 – Диапазоны спектра оптического волокна ITU-T G.652.D
74
Таблица 3.3
Диапазоны спектра оптического волокна G.652.D
Название
Обозначение
Диапазон, мкм
Основной
O
1260 ÷ 1360
Расширенный
E
1360 ÷ 1460
Коротковолновый
S
1460 ÷ 1530
Стандартный
C
1530 ÷ 1565
Длинноволновый
L
1565 ÷ 1625
Сверхдлинноволновой
U
1625 ÷ 1675
Существуют перспективные типы оптического волокна, у которых
диапазон прозрачности намного шире. Например, в кварцевом оптоволокне
полоса пропускания может охватывать весь видимый диапазон, а также
ближний и средний инфракрасный. Причем, затухание снижается примерно
вдвое при переходе к более длинноволновому диапазону. Однако технология
их производства сравнительно сложна, поэтому такое волокно сравнительно
дорого.
Принцип частотного разделения каналов нашел свое преломление в
современных волоконно-оптических системах связи со спектральным
уплотнением по длине волны. В системах передачи со спектральным
уплотнением формируют набор оптических несущих (λ1, λ2, …, λn,), которые
модулируются информационными цифровыми потоками и передаются по
оптическому волокну.
Структурная
схема
многоканальной
системы
передачи
спектральным уплотнением по длине волны приведена на рис. 3.20.
λ1
λ1
λ2
.
.
.
λ1, λ2, ... λn
М
ОУ
λ2
ОУ
λn
ДМ
.
.
.
λn
Рис. 3.20 – Система спектрального уплотнения по длине волны
75
со
Оптический мультиплексор (М) и демультиплексор (ДМ) – это
оптические полосовые фильтры, включенные на параллельную работу.
Каждый фильтр пропускает свою длину волны. Суммарный сигнал
передается по оптическому волокну. Для увеличения дальности связи в
линейном тракте передачи широко используются оптические усилители (ОУ)
и оптические регенераторы (ОР).
Системы WDM подразделяются на два вида:
- DWDM (Dense Wavelength-Division Multiplexing);
- CWDM (Coarse Wavelength-Division Multiplexing).
Технология DWDM (Dense Wavelength-Division Multiplexing) – это
плотное частотное разделение каналов. Эта технология является активной,
поскольку в линейном тракте для увеличения дальности связи используются
активные узлы (оптические усилители и регенераторы), требующие наличия
источников электропитания. Согласно рекомендациям МСЭ, технология
DWDM используется в диапазонах S, L и U (третье и четвертое окна
прозрачности, см. рис. 3.19, табл. 3.3).
Например, в настоящее время в наибольшей мере освоен диапазон длин
волн от λmin = 1528,77 нм до λmax = 1560,61 нм. В указанном диапазоне при
канальном интервале Δλ ≈ 0,8 нм (ΔF = 100 ГГц) можно разместить 41 канал
системы плотного спектрального уплотнения по длине волны DWDM.
Точные значения частоты и соответствующей длины волны для некоторых
каналов приведены на так называемом частотном плане системы DWDM
(табл. 3.4), что соответствует рекомендации МСЭ G.694.1.
Таблица 3.4
Частотный план системы DWDM
№
1
2
3
канала
λ, нм 1528,77 1529,55 1530,33
…
F, ТГц
…
196,1
196,0
195,9
76
…
39
40
41
1558,98 1559,79 1560,61
192,3
192,2
192,1
Диапазон длин волн ограничен шириной полосы усиления оптических
усилителей, приблизительно равной 40 нм.
Несущие λ1, λ2,…, λn модулируются передаваемыми информационными
потоками, например, STM-1 … STM-64. Промодулированные сигналы
каждого канала следуют с интервалом Δλ ≈ 0,8 нм (рис. 3.21).
1
2
3
41
1528,77
λ,нм
1560,61
Рис. 3.21 – Спектральное уплотнение по длине волны DWDM
Суммарный поток передается по общему волокну. При передаче потока
данных со скоростью порядка 10 Гбит/с ширина полосы передаваемого
сигнала будет примерно 0,3 нм, относительная нестабильность несущей
волны составляет примерно 0,1 нм, ширина полосы расфильтровки также
составляет примерно 0,1 нм. Таким образом, для передачи одного потока
STM-64 необходима ширина полосы около 0,5 нм, что отвечает требованию
размещения каналов через 0,8 нм.
В настоящее время разработаны системы передачи, в которых каналы
располагаются через каждые 50 ГГц (через 0,4 нм) и даже через 25 ГГц (рис.
3.21).
Соответственно
количество
передаваемых
цифровых
потоков
увеличивается в 2 или в 4 раза.
Технология DWDM является сложной и дорогостоящей, поэтому она
используется для организации систем передачи на большие расстояния.
Технология CWDM (Coarse Wavelength-Division Multiplexing) –
грубого частотного разделения каналов стала широко использоваться в
последнее время вследствие своей простоты и низкой стоимости по
сравнению с DWDM. Использование спектрального уплотнения СWDMна
коротких расстояниях (городская телефонная сеть, локальные сети и др.)
стало возможным с разработкой оптического волокна ITU-T G.652.D,
77
которое позволяет использовать шесть диапазонов (рис. 3.19, табл. 3.3)
шириной 360 нм. С целью удешевления технологии СWDM разработчики
отказались от дорогостоящего оборудования – оптических усилителей
(технология
СWDM
стала
пассивной),
оптических
передатчиков
с
устройством термостабилизации и узкополосных оптических фильтров.
Вместо
них
используются
дешёвые
оптические
передатчики
без
термостабилизации и полосовые оптические фильтры. При этом один
спектральный канал занимает полосу шириной 20 нм.
Таким образом, согласно рекомендации МСЭ G.694.2, в диапазоне от
1270 нм до 1610 нм можно разместить 18 каналов с интервалом 20 нм (табл.
3.5). Связь реализуется по двум оптическим волокнам, дальность до 80 км.
Таблица 3.5
Длина волны центра канала системы CWDM, нм
1270
1290
1310
1330
1350
1370
1390
1410
1430
1450
1470
1490
1510
1530
1550
1570
1590
1610
Следующий шаг в эволюции инфокоммуникационных систем и сетей –
это новая технология оптических транспортных сетей (Optical Transport
Network – OTN), которая обеспечивает совместимость технологии DWDM с
технологией SDH до скорости STM-256 (39,813 Гбит/с) и технологией
Ethernet со скоростью до 40 Гбит/с. Новые сетевые технологии рассчитаны на
скорости передачи информации до 100 – 160 Гбит/с.
OTN – это технология нового поколения, использующая эффективный
и
общепринятый
способ
мультиплексирования
со
спектральным
уплотнением по длине волны. За счет расширенных возможностей
мультиплексирования OTN различные типы трафика – включая Ethernet,
трафик систем хранения данных, цифровое видео и SONET/SDH – можно
передавать в одном оптическом канале (Optical Transport Unit, OTU): OTU-1
78
со скоростью 2,7 Гбит/с, OTU-2 - 10,7 Гбит/с, OTU-3 - 43 Гбит/с или OTU-4 112 Гбит/с.
OTN – это универсальное решение, обеспечивающее эффективную
передачу данных на высоких и низких скоростях. Преимущества OTN:
- повышение эффективности сетей путем обеспечения эффективного
использования пропускной способности с сокращением затрат на реализацию
частных линий и локальных вычислительных сетей (ЛВС);
- обеспечение дальнейшего развития сетей с выходом за пределы 100G,
тогда как стандарт SDH не предусматривает поддержку скоростей свыше
40G. OTN обеспечивает ресурсы и соответствие требованиям завтрашнего
дня, имеет расширенные возможности эксплуатации, администрирования и
обслуживания, поддерживает эффективный транспорт и коммутацию услуг
передачи данных (например, услуги Ethernet, услуги хранения данных и
видеоуслуги);
-
оптимизация
операций
для
автоматизации
оборудования
и
мониторинга ресурсов, обнаружения и топологии, а также предоставления
услуг посредством Control Plane. Автоматизация рабочих функций — таких
как сервисное обслуживание, обновление списка оборудования и топологии
сети — позволяет снизить трудозатраты персонала и одновременно ускорить
реагирование на запрос новых сервисов и изменение режима услуг;
- расширение интеллекта сети и обеспечение дальнейшей
оптимизации
по
информационную
мере
роста
насыщенность
и
развития
сети,
услуг.
обеспечивает
OTN
ее
повышает
упреждающее
и
реактивное обслуживание в зависимости от различных текущих условий
(например, множественные параллельные сбои, маршруты с высоким
уровнем задержек и любые другие факторы, оказывающие влияние на
качество обслуживания).
79
3.6 Системы с кодовым разделением каналов
Технология кодового разделения каналов (КРК) с множественным
доступом (Code Division Multiple Access (CDMA)) основана на том, что
двоичная единица информации кодируется так называемой расширяющей
последовательностью, а двоичный ноль – инверсным значением этой
последовательности.
Например,
если
двоичная
единица
кодируется
последовательностью 10011001, то двоичный ноль – 01100110. В другом
канале будет использоваться другая последовательность, например, 10101010
(двоичный ноль – 01010101).
Таким образом, каждый канал характеризуется своей уникальной
расширяющей последовательностью. Количество каналов системы передачи
определяет
Причем,
число
любые
ортогональны.
используемых
пары
Это
этих
расширяющих
последовательностей.
последовательностей
означает,
что
если
должны
попарно
быть
перемножить
соответствующие элементы двух различных строк матрицы, а затем сложить
результаты,
то
получится
позволяют:
формировать
ноль.
Ортогональные
групповой
сигнал
последовательности
множества
каналов
на
передающей стороне; передавать его по общей линии связи без взаимного
влияния каналов; принимать сигналы только своего канала.
Количество символов расширяющей последовательности определяет
коэффициент расширения, который в системах связи может находиться в
пределах от 8 до 100. В современных системах передачи КРК широко
используется последовательность из 64 бит.
Поскольку один бит информации передается несколькими битами
расширяющей последовательности, то скорость передачи увеличивается,
спектр сигнала расширяется. Широкополосной называется система, в
которой передаваемый по линии связи сигнал, занимает полосу частот,
значительно превосходящую ширину спектра, информационного сигнала.
Это
реализуется
путем двойной модуляции
80
несущей
передаваемым
информационным сигналом и широкополосным кодирующим сигналом. В
широкополосной системе исходный модулирующий сигнал (например,
сигнал телефонного канала) с полосой в несколько килогерц распределяют в
полосе частот, ширина которой может быть несколько МГц. Информация
вводится
в
широкополосный
широкополосную
сигнал
модулирующую
(ШПС)
кодовую
наложением
её
последовательность
на
перед
модуляцией несущей. Узкополосный информационный сигнал умножается
на псевдослучайную последовательность (ПСП) с периодом Т, состоящую из
N бит длительностью t0 каждый для получения широкополосного
шумоподобного сигнала (ШШС). В этом случае база ШПС численно равна
количеству элементов ПСП.
Такой метод формирования широкополосного сигнала получил
название
прямого
последовательного
расширения
спектра
(Direct
Sequence Spread Spectrum (DSSS)). Он используется во многих системах
беспроводной связи.
Широкополосные сигналы позволяют повысить помехозащищенность
систем, поскольку устойчивы к воздействию как импульсных, так и
сосредоточенных
помех.
Суммарные
характеризуются
высокой
сложностью
результирующие
и
сигналы
характеризуются
малой
спектральной плотностью, что повышает безопасность системы, поскольку
такие сигналы трудно обнаружить и дешифровать. Такие сигналы получили
название шумоподобных.
Для
формирования
ортогональных
последовательностей
ПСП
используются различные алгоритмы. Например, применяются строки матриц
Адамара различного размера. Матрица Адамара размером 2n × 2n
формируется из матрицы размером n × n следующим образом:
H n H n 
H 2n  
.
H n  H n 
81
(3.1)
Начальной матрицей Адамара является матрица размером 1×1: H1 = [1].
Поэтому матрица размера 2×2 будет иметь следующий вид:
1 1
H2  
,
1  1
а матрица размера 8×8 будет:
1
1

1

1
H8  
1

1
1

1

1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
 1

 1

1
.
 1

1
1

 1

(3.2)
Строки этой матрицы называются функциями Уолша, причем, любая
пара строк в матрице Адамара является ортогональной. Это дает
возможность реализовать кодовое разделение каналов, когда каждый канал
использует свою строку матрицы (свою расширяющую последовательность).
Вследствие ортогональности функций Уолша каналы не влияют друг на
друга. Если попарно перемножить элементы строки матрицы и ее инверсного
значения, то при суммировании результатов получится -8, корреляция строки
с самой собой дает результат равный 8.
Сигналы многих каналов могут одновременно передаваться по общей
физической среде, поэтому на передающей стороне системы формируется
суммарный сигнал на основе кодового уплотнения. На приемной стороне
необходимо из суммарного сигнала выделить сигнал только своего канала,
т.е. произвести кодовое разделение каналов.
Ниже, на примере трехканальной системы с кодовым разделением
каналов, рассматривается принцип формирования суммарного сигнала и его
декодирования – на приемной стороне.
82
Структурная схема трехканальной системы с кодовым разделением
каналов приведена на рис. 3.22, а временные диаграммы – на рис. 3.23.
В качестве расширяющей последовательности в первом канале
используется вторая строка матрицы (3.2), во втором канале – третья строка,
в третьем канале – четвертая.
Информационный поток данных первого канала представляет собой
последовательность бит 1011 (рис. 3.23а). Поток поступает в модулятор М1,
где модулирует расширяющую последовательность +1 –1 +1 –1 +1 –1 +1 –1.
Коррелятор 1
1011
М1
ПМ1
Инт1
Ф1
1011
10101010
10101010
0110
М2
Сум
П
Пр
.
ПМ2
Коррелятор 2
Инт2
Ф1
0110
00110011
00110011
1100
М2
ПМ3
Коррелятор 3
Инт3
Ф1
1100
10011001
УУП
Синхронизация
10011001
УУПр
Рис. 3.22 – Структурная схема системы с кодовым разделением каналов
При
передаче
информационной
единицы
расширяющая
последовательность не изменяется, а при передаче нуля – расширяющая
последовательность инвертируется (рис. 3.23 б). Аналогичные операции
производятся и в других каналах (рис. 3.23 в, г, д, е). Во втором канале
расширяющая последовательность будет +1 +1 –1 –1 +1 +1 –1 –1, в третьем
канале +1 –1 –1 +1 +1 –1 –1 +1.
На следующем этапе производится суммирование промодулированных
расширяющих последовательностей. Суммирование может производиться
83
либо с использованием алгебраического сумматора, либо мажоритарного
сумматора. Наибольшее распространение в современных системах получил
мажоритарный сумматор. Мажоритарный сумматор Сум (рис. 3.22)
вычисляет знак суммы канальных сигналов (+1 или –1).
Поток данных 1-го канала
а
1
0
1
1
+1
б
t
-1
Поток данных 2-го канала
в
0
1
1
0
+1
г
t
-1
Поток данных 3-го канала
д
1
1
0
0
+1
е
t
-1
Результат мажоритарного суммирования
ж
+1
t
-1
Выход перемножителя 1-го канала
з
+1
t
-1
Выход интегратора 1-го канала
t
и
Выход перемножителя 2-го канала
t
+1
к
-1
Выход интегратора 2-го канала
t
л
Выход перемножителя 3-го канала
+1
м
-1
t
Выход интегратора 3-го канала
t
н
1-ый бит
2-ой бит
3-ий бит
4-ый бит
Рис. 3.23 – Принцип кодового разделения каналов
84
Сигнал на выходе мажоритарного сумматора представлен на диаграмме
рис. 3.23ж. Мажоритарный сумматор дает результат по большинству
передаваемых
значений.
На
первом
такте
первого
передаваемого
информационного бита два значения +1, одно значение –1, поэтому результат
+1. На втором такте – результат –1 и т.д. Полученный суммарный
широкополосный
сигнал
модулирует
высокочастотную
несущую
передатчика (П) и радиосигнал излучается в пространство.
На приемной стороне производится демодуляция радиосигнала и
суммарный сигнал (рис. 3.23ж) поступает на входы корреляторов трех
рассматриваемых каналов системы (рис. 3.22).
В общем случае коррелятор должен вычислить корреляционную
функцию сигналов s1(t) и s2(t)
R( )   s1 (t ) s2 (t   )dt ,
(3.3)
которая определяет степень подобия этих сигналов s1(t) и s2(t).
В случае кодового разделения каналов коррелятор представляет собой
перемножитель (ПМi) и интегратор (Интi). На один вход каждого
коррелятора поступает суммарный сигнал (рис. 3.23ж), на второй вход
поступает соответствующая расширяющая последовательность (рис. 3.22).
То есть, на второй вход первого коррелятора поступает расширяющая
последовательность +1 –1 +1 –1 +1 –1 +1 –1, на второй вход второго
коррелятора +1 +1 –1 –1 +1 +1 –1 –1, на второй вход третьего коррелятора
поступает +1 –1 –1 +1 +1 –1 –1 +1. Эти последовательности непрерывно
повторяются во времени. При взаимодействии с поступившим на первый
вход суммарным сигналом коррелятор дает положительный результат при
передаче информационной единицы и отрицательный – при передаче нуля.
Устройства управления передающей УУп и приемной стороны УУпр
реализуют синхронизацию и управление модуляторами, перемножителями,
интеграторами.
85
В соответствие с определением (3.3) каждый коррелятор должен
перемножить входной сигнал с расширяющей последовательностью и
проинтегрировать сигнал. Результат перемножения в каждом канале
представлен на рис. 3.23 з, к, м. Если эти сигналы подать на интеграторы, то
на выходе интеграторов (корреляторов) соответствующих каналов будут
выделены сигналы, представленные на рис. 3.23 и, л, н. Результаты
интегрирования
интегрирование
Положительный
приведены
начинается
для
случая
при
синхронной
нулевых
системы,
начальных
когда
условиях.
выходной сигнал интегратора интерпретируется
как
единица (1) передаваемого бита информации, а отрицательный – как ноль (0).
Таким образом, в первом канале будет получена информационная
последовательность бит 1011, во втором канале – 0110, в третьем канале –
1100.
Технология кодового разделения каналов с множественным доступом
(CDMA) широко используется в глобальной системе навигации «Глонасс» и
системах подвижной связи поколения 3G. Каждая абонентская станция
характеризуется своей собственной расширяющей последовательностью.
Принимая суммарный сигнал от базовой станции, абонентская станция с
помощью коррелятора выделяет информационный сигнал своего канала из
агрегированного потока, т.е. реализует кодовое разделение каналов. Для
увеличения числа каналов используются матрицы Адамара размером 64×64.
Кроме того, кодовое разделение каналов комбинируется с частотными и
временными методами уплотнения. Эта технология является основной в
системах поколения 4G.
86
Вопросы по разделу 3
1. Что означает мультиплексирование и демультиплексирование каналов?
2. Как выглядит структурная схема N-канальной системы передачи?
3. Каковы требования к построению МСП?
4. Что входит в состав оборудования МСП?
5. Какие способы мультиплексирования каналов, применяются в МСП?
6. Что такое импульсно кодовая модуляция (ИКМ)?
7. Что собой представляет основной цифровой канал (ОЦК)?
8. Какова иерархия скоростей цифровых систем передачи PDH?
9. Какова иерархия скоростей цифровых систем передачи SDH?
10. В чем сущность частотного разделения каналов при построении
многоканальных систем передачи?
11. Как обосновать выбор амплитудной модуляции при формировании
канальных сигналов в системах с ЧРК?
12. Изобразить структурную схему МСП с ЧРК. Объяснить принцип работы.
13. Изобразить временные и частотные диаграммы систем с ЧРК.
14. В чем состоит групповой принцип построения систем передачи с ЧРК?
15. Каков принцип работы систем временного разделения каналов с
амплитудно-импульсной модуляцией (ВРК АИМ)?
16. Что собой представляет спектр сигнала системы ВРК АИМ?
17. Как производится выбор частоты дискретизации непрерывного сигнала в
системах с ВРК? Теорема Котельникова В.А.18. Структурная схема
системы передачи ВРК, временные диаграммы сигналов в контрольных
точках схемы. Объяснить принцип действия системы с ВРК.
19. Каковы типы оборудования спектрального уплотнения каналов?
20. Какие окна прозрачности инфракрасного излучения используются для
передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи?
21. В чем состоят преимущества и недостатки технологии DWDM?
22. В чем особенности оборудования CWDM?
23.
Преимущества технология оптических транспортных сетей (OTN).
87
24.
На каком принципе основаны системы с кодовым разделением
каналов?
25. Почему любые пары расширяющих последовательностей должны быть
ортогональны?
26. Какие сигналы получили название шумоподобные?
27. Как формируются матрицы Адамара?
Упражнения по разделу 3
1. Рассчитать и изобразить на оси частот спектральную диаграмму сигнала
на выходе амплитудного модулятора системы передачи с ЧРК, если сигнал
тональной частоты преобразуется с использованием несущего колебания с
частотой fн = 120 кГц.
2. Выбрать частоту дискретизации Fд первичного сигнала в системе с ВРК,
спектр которого, ограничен частотами Fcн = 0,3 кГц и Fcв= 3,4 кГц. Для
выбранной частоты дискретизации рассчитать и построить спектральную
диаграмму амплитудно-импульсно-модулированного (АИМ) сигнала.
3. Выбрать
частоту
дискретизации
Fд
первичного
сигнала,
если
дискретизации подвергается сигнал стандартной первичной двенадцатиканальной группы в диапазоне частот от Fcн = 60 кГц до Fcв= 108 кГц.
4. Система передачи с ВРК АИМ организовывает 20 каналов ТЧ. Для
демодуляции сигнала на приеме используется ФНЧ с верхней частотой Fcв =
3,4 кГц, крутизной АЧХ и с подавлением неиспользуемых составляющих
АИМ сигнала Ап = 40 дБ. Определить:
- минимальное значение Fд;
- длительность канального интервала Δτк;
- минимальную полосу частот Δfгр группового АИМ сигнала.
5. Изобразите матрицу Адамара 8х8.
6. Изобразите структурная схема трехканальной системы с кодовым
разделением каналов. Объясните принцип ее работы.
88
4 ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
4.1 Системы ВРК ИКМ
В цифровых системах передачи (ЦСП) преобразование аналогового
сигнала в цифровой код производится периодически (дискретизация по
времени). Период дискретизации определяется спектром преобразуемого
сигнала. В соответствии с теоремой В.А. Котельникова (см. раздел 3) частота
дискретизации Fд ≥ 2Fс
мах,
где Fв – верхняя граничная частота спектра
преобразуемого аналогового сигнала.
В
процессе
дискретизации
непрерывный
аналоговый
сигнал
преобразуется в импульсы, модулированные по амплитуде (АИМ сигналы).
АИМ сигнал Uх (рис. 4.1) в диапазоне от Umin до Umax может принимать
бесконечное число состояний.
Umax N
Ux
Umin
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Nx = 26
δ
t
Рис. 4.1 – Квантование сигналов по уровню
89
Для преобразования АИМ сигнала в цифровой код Nх необходимо
провести его квантование по уровню и кодирование с использованием
определенного кода. Операцию квантования и кодирования проводит
аналого-цифровой преобразователь (АЦП) или, по-другому, кодер. При
квантовании по уровню значение измеряемого сигнала Uх, может быть
отнесено к одному из двух соседних дискретных уровней Uхi или Uхi+1
(рис.4.1), соответствующих двум соседним значениям выходного кода Ni или
Ni+1. Таким образом, измеряемый сигнал может принимать ограниченное
число дискретных значений, количество которых N = 2m определяется числом
разрядов m (разрядностью) кодирующего устройства (кодера, АЦП).
По значению выходного кода кодирующего устройства Nх можно
определить амплитуду сигнала
Uх = Nх δ,
где δ – шаг квантования по уровню.
Шаг квантования по уровню равен разности напряжений δ = Uхi – Uхi+1
двух соседних дискретных уровней. Шаг квантования δ = (Umax – Umin)/2m
определяет погрешность или шум квантования. Значение погрешности
находиться в пределах шага квантования или  δ /2. Из этого следует, что
погрешность квантования
∆кв = (0,5 δ /Uх ) 100%
будет тем больше, чем меньше информационный сигнал Uх и больше шаг
квантования.
Процесс квантования также характеризуется еще двумя параметрами:
- мощностью шума квантования
Wшкв = δ2 /12;
- защищенностью сигнала от шума квантования
Aзкв = 10 lg(Wс/ Wшкв).
Таким образом, квантование представляет процесс сравнения отсчета
АИМ сигнала со шкалой, имеющей конечное число уровней квантования, и
90
отнесения его к ближайшему разрешенному уровню, т.е. процесс округления
амплитуды отсчета до ближайшего разрешенного уровня.
Кодирование квантованного по уровню сигнала производится с
использованием различных кодов. В настоящем разделе рассматривается
симметричный двоичный код. Старший разряд кода является знаковым,
единичное
значение
старшего
разряда
кода
Nацп
соответствует
положительным сигналам, а нулевое значение – отрицательным. Значение
амплитуды
положительных
и
отрицательных
импульсов
кодируется
одинаково. Например, при использовании восьмиразрядного симметричного
двоичного кода сигнал Uх, который находится между 26 и 27 уровнями
квантования (рис. 4.1), будет представлен кодом 10011010. Единичное
значение
старшего
разряда
кода
говорит
о
том,
что
напряжение
преобразуемого сигнала положительное, Nх = 26, Uх = 26×δ.
Функционирование системы ВРК ИКМ рассмотрено на примере
трехканальной системы, структурная схема которой приведена на рис. 4.2, а
временная диаграмма работы – на рис. 4.3.
С1 (t)
,
a
С2(t)
С3(t)
ДМ1
АИМ1
,
АИМ2
,
б
.
АЦП
,
в
ЦАП
Линия
г
ФНЧ
F1 (t) F2(t) F3(t)
С’1 (t)
,
ДМ2
е
ФНЧ ’
С2 (t)
ДМ3 ФНЧ
АИМ3
Генератор
тактовой
частоты
.
,
д
С’3(t)
F1(t) F2(t) F3(t)
Синхронизация
Генератор
тактовой
частоты
Рис. 4.2 – Структурная схема трехканальной системы ВРК ИКМ
В системе используется равномерное квантование и восьмиразрядный
симметричный двоичный код.
91
В системах ВРК ИКМ импульсы Сацп на выходе АЦП (рис. 4.3) имеют
одинаковую амплитуду, вне зависимости от уровня АИМ сигнала. Поэтому
можно
задать
требуемое
соотношение
сигнал/помеха
и
обеспечить
необходимую защищенность Аз. На рис. 4.3 приведены примеры кодов Сацп
для различных значений сигнала СΣ при шаге квантования δ = 0,1В. Тактовая
частота Fт обеспечивает синхронизацию работы системы ВРК ИКМ.
Tд
C1
t
КИ1-1
КИ2-1
КИ3-1
КИ1-2
t
C2
t
C3
4,3 В
6,4 В
CΣ
2,1 В
t
-3,4 В
-9,9 В
CАЦП
t
N X1-1
N X2-1
N X3-1
N X1-2
CЦАП
U X1-2
U X1-1
t
U X3-1
τ ти
U X2-1
t
Fт
Рис. 4.3 – Временная диаграмма работы системы ВРК ИКМ
92
Время преобразования аналогового сигнала в цифровой код tацп должно
быть меньше (или равно) длительности канального интервала.
На приемной стороне цифро-аналоговый преобразователь ЦАП
преобразует принятый код Nх в сигнал Uх = Nх×δ. Полученные импульсные
сигналы с помощью демодуляторов ДМ1 ÷ ДМ3 направляются на
соответствующие ФНЧ, которые формируют сигналы С’1, С’2, С’3 (рис. 4.2,
4.3).
Аналого-цифровое
преобразование
информационных
сигналов
реализуют кодеры (аналого-цифровые преобразователи – АЦП). На
приемной стороне обратное преобразование цифрового кода в отсчет
аналогового
сигнала
реализуют
декодеры
(цифро-аналоговые
преобразователи – ЦАП)
Если
шаг
квантования
во
всем
диапазоне
преобразуемых
информационных сигналов Uх остается постоянным, то такое квантование
называется равномерным. В противном случае квантование будет
неравномерным, а само аналого-цифровое преобразование – нелинейным.
Требования повышения разрядности и быстродействия кодеров и
декодеров (кодеков) являются противоречивыми. Поэтому в настоящее
время
разработаны
преобразователи
различного
типа,
например,
быстродействующие 6- и 8-разрядные АЦП параллельного типа со временем
преобразования tацп ≤ 20 нс, а также многоразрядные АЦП последовательного
приближения со временем преобразования в несколько микросекунд.
Принцип работы АЦП последовательного приближения, называемого
также АЦП поразрядного кодирования или АЦП взвешивающего типа,
заключается в сравнении преобразуемого сигнала Ux с суммой эталонных
напряжений Uцап, вырабатываемых цифро-аналоговым преобразователем
ЦАП, входящим в состав АЦП. Эта сумма изменяется согласно заданного
алгоритма в течении m тактов, пока не станет равной измеряемому сигналу с
погрешностью, не превышающей цены младшего разряда АЦП. Число тактов
93
преобразования m – определяется разрядностью АЦП. Функциональная
схема АЦП и временная диаграмма его работы приведены на рис. 4.4.
Uм
Ux
К1
UЦАП
Nx
1/0
Пуск
УУ
Uх
ЦАП
РПП
Uм/2
Гот
0 1 такт 2 такт 3 такт 4 такт 5 такт 6 такт 7 такт
t
а)
б)
Рис. 4.4 – АЦП последовательного приближения
По сигналу Пуск (рис. 4.4а) начинается преобразование. На первом
такте в регистре последовательного приближения РПП устанавливается код
Nx =1000…00, т.е. в старшем значащем разряде будет единица, в остальных
– нули. В соответствие с данным кодом цифро-аналоговый преобразователь
ЦАП формирует напряжение Uцап = Uм/2, где Uм – максимально возможное
значение преобразуемого сигнала. Компаратор К1 производит сравнение Uх и
Uцап. По результатам сравнения компаратор К1формирует ноль или единицу,
которые подает на устройство управления УУ. Если Uцап > Uх, то УУ
производит сброс единицы в соответствующем разряде Nx формируемого
кода РПП, если Uцап < Uх, то 1 в РПП сохраняется. На втором такте
преобразования устанавливается единица в следующем разряде РПП и
производится сравнение Uх с новым значением Uцап. Например, если на
первом такте Uцап < Uх, то на втором такте Nx = 11000…00, напряжение Uцап =
= Uм/2 + Uм/4; если же на первом такте Uцап>Uх, то на втором такте будет код
Nx = 01000…00, напряжение Uцап = Uм/4. Преобразование длится m тактов, по
окончании – АЦП вырабатывает сигнал готовности Гот (рис. 4.2 а),
свидетельствующий о том, что функционирование АЦП завершено и можно
производить считывание выходного кода Nx.
94
На рис. 4.4б в качестве примера, приведена временная диаграмма
преобразования некоторого напряжения Uх.
1 такт: Nx = 10000…00, Uцап = Uм/2 < Uх, поэтому 1 в старшем разряде РПП
сохраняется;
2 такт: Nx = 11000…00, Uцап = Uм/2 + Uм/4 > Uх, поэтому 1 во втором разряде
РПП сбрасывается;
3 такт: Nx = 10100…00, Uцап = Uм/2 + Uм/8 < Uх, поэтому 1 в третьем разряде
РПП сохраняется;
4 такт: Nx = 10110…00, Uцап = Uм/2 + Uм/8 + Uм/16 > Uх, поэтому 1 в
четвертом разряде РПП сбрасывается, и т.д.
АЦП последовательного приближения характеризуются средними
показателями по всем основным параметрам (разрядность, быстродействие,
сложность, стоимость), поэтому являются наиболее распространенными.
Количество разрядов от 8 до 16, время преобразования – единицы
микросекунд.
4.2 Неравномерное квантование
В АЦП равномерного квантования величина шага квантования  во
всем диапазоне значений входного сигнала от Umin до Umax остается
величиной постоянной. Если же величина шага квантования изменяется с
изменением
значения
сигнала
Uх,
то
такое
квантование
будет
неравномерным, а кодирование – нелинейным.
Недостатком равномерного квантования является малая защищенность
от шумов квантования сигналов низких уровней. Поэтому для обеспечения
защищенности Aзкв не менее 30 дБ во всем динамическом диапазоне речевого
сигнала требуется 212 = 4096 уровней квантования. Таким образом, АЦП и
ЦАП должны быть двенадцатиразрядными.
Большое число разрядов кода (m = 12) при равномерном квантовании
приводит к усложнению аппаратуры и увеличению тактовой частоты.
Применение неравномерного квантования позволяет устранить указанный
95
недостаток. При неравномерном квантовании для малых сигналов шаг
квантования выбирается минимальный. С ростом сигнала увеличивается и
шаг квантования, достигая максимального значения для наибольших
значений сигналов. В результате удается снизить разрядность кода до m = 8,
обеспечив при этом выполнение требований к защищенности от шумов
квантования в широком динамическом диапазоне сигнала. Таким образом
происходит выравнивание защищенности Aзкв в широком диапазоне
изменения уровней сигнала, т.е. выравнивается относительная погрешность
квантования ∆кв = (0,5 δ /Uх) 100% сигналов низкого и высокого уровня.
Неравномерное квантование реализуется при сжатии динамического
диапазона сигнала, которое осуществляется с помощью компрессора,
обладающего
нелинейной
амплитудной
характеристикой.
Для
восстановления исходного динамического диапазона сигнала на приемной
стороне необходимо установить экспандер, амплитудная характеристика
которого должна быть обратной характеристике компрессора. При этом
результирующая
амплитудная
характеристика
пары
преобразователей
компрессор-экспандер (компандер), должна оставаться линейной.
В современных ЦСП широко применяется цифровое компандирование,
при котором динамический диапазон двуполярного сигнала разбивают на 16
сегментов, по 8 сегментов для положительных и отрицательных сигналов. На
рис. 4.5 показаны 8 сегментов положительной части преобразуемого сигнала
Ux и соответствующего цифрового кода Nx.
Nх
7
64δ
6
32δ
5
16δ
4
8δ
3
2
1
0
Uх
Рис. 4.5 – Неравномерное квантование
96
В кодеках ВРК ИКМ используется 8-ми разрядный код (PXYZABCD).
Старший
(седьмой)
бит
Р
задает
знак
преобразуемого
сигнала,
положительные сигналы кодируются символом 1, отрицательные – 0.
Следующие три разряда (шестой X, пятый Y и четвертый Z) задают номер
сегмента (0 – 7), оставшиеся четыре разряда (ABCD – третий, второй,
первый, нулевой) кодируют уровень квантования внутри сегмента (табл. 4.1).
Внутри сегмента применяют линейное кодирование (4 двоичных разряда
ABCD, которые обеспечивают 16 уровней равномерного квантования). Шаг
квантования в первых 2-х сегментах (0 и 1) задан минимальным и равным δ.
В следующем сегменте (2) шаг квантования составляет 2δ, в сегменте 3 – шаг
квантования будет 4δ, а в сегменте 4 – шаг квантования 8δ. Значения шага
квантования для остальных сегментов приведено в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Параметры неравномерного квантования
№
Шаг
Код
сегмента квантован. сегм.
0
δ
000
1
δ
001
2
2δ
010
3
4δ
011
4
8δ
100
5
16 δ
101
6
32 δ
110
7
64 δ
111
Диапазон сигнала
в сегменте
0 <Uх<16δ
16δ <Uх<32δ
32δ <Uх<64δ
64δ <Uх<128δ
128δ <Uх<256δ
256δ <Uх<512δ
512δ <Uх<1024δ
1024δ <Uх<2048δ
Эталонные напряжения в
пределах одного сегмента
8δ, 4δ, 2δ, δ
8δ, 4δ, 2δ, δ
16δ, 8δ, 4δ, 2δ
32δ, 16δ, 8δ, 4δ
64δ, 2δ, 16δ, 8δ
128δ, 64δ, 32δ, 16δ
256δ, 128δ, 64δ, 32δ
512δ, 256δ, 128δ, 64δ
Таким образом, амплитуда преобразуемых сигналов может изменяться
в диапазоне от 0 до 2048δ. Например, при шаге квантования δ = 0,1В в
нулевом сегменте будет происходить квантование сигналов до 1,6 В с
погрешностью квантования равной ± 0,5δ. В первом сегменте – сигналы от
1,6 В до 3,2 В также характеризуются погрешностью ± 0,5δ. В третьем
сегменте квантуются сигналы до 6,4 В с погрешностью квантования ± δ и т.д.
97
Для квантования во всем диапазоне Uх = ± (0 – 2048δ) необходимо 11
эталонных напряжений (δ, 2δ, 4δ, 8δ, 16δ, 32δ, 64δ, 128δ, 256δ, 512δ, 1024δ).
При переходе от одного сегмента к другому шаг квантования
увеличивается в 2 раза, а угол наклона амплитудной характеристики (рис.
4.5) уменьшается в 2 раза, т.е. осуществляется компрессия сегмента.
Коэффициент компрессии равен отношению величины самого большого
шага квантования к самому маленькому.
АЦП нелинейного кодирования
В современных системах передачи широко используются 8-разрядные
АЦП
нелинейного
кодирования,
в
которых
применяется
цифровое
компандирование, при котором динамический диапазон двуполярных
входных сигналов разбивают на 16 сегментов, по 8 сегментов для
положительных и отрицательных сигналов (см. рис. 4.5). Внутри сегмента
используется равномерное квантование. Для кодирования отсчета внутри
сегмента необходимо 4 эталонных напряжения. Всего в кодере используется
11 эталонных напряжений (см. табл. 4.1), что упрощает создание АЦП.
Структурная схема АЦП нелинейного кодирования соответствует
схеме АЦП последовательного приближения (см. рис. 4.4), но алгоритм
преобразования другой. Преобразование сигналов Ux в код Nx производится
за восемь тактов. При поступлении на вход АЦП импульсного сигнала Ux на
первом
такте
преобразования
определяется
полярность
сигнала
и
формируется знаковый разряд Р. Затем в течение трех тактов формируются
три разряда (X, Y, Z) кода номера сегмента, алгоритм показан на рис. 4.6.
На втором такте (сразу после формирования знакового разряда Р)
сигнал Ux сравнивается в компараторе К1 (см. рис. 4.4) с эталонным
напряжением 128δ, формируемым ЦАП (рис. 4.6). Если Ux > 128δ, то в
разряде Х формируется 1, а в следующем такте будет производиться
сравнение с эталонным напряжением 512δ. Если же Ux < 128δ, то в разряде Х
формируется символ 0, а в следующем такте будет производиться сравнение
98
с эталонным напряжением 32δ. Аналогично производится преобразование в
третьем и четвертом тактах (рис. 4.6), при этом формируются три разряда (X,
Y, Z) выходного кода АЦП. На пятом такте из значения сигнала Ux
вычитается начальное значение сегмента, в котором находится сигнал, и
разность преобразуется за четыре последних такта в четырехразрядный код
ABCD, с использованием линейного кодирования.
X=0
128 δ
X=1
512 δ
32 δ
Y=0
Y=1
Y=0
16 δ
64 δ
256 δ
Z=0
000
Z=1
001
Z=0
010
Z=1 Z=0
011
100
Y=1
1024 δ
Z=1 Z=0
101
110
Z=1
111
Рис. 4.6 – Алгоритм нелинейного кодирования
(формирования разрядов X, Y, Z)
Пример 1. На вход АЦП поступает сигнал Ux = 850δ (рис. 4.7а). При
этом в течение первого такта будет сформирован знаковый разряд Р,
значение которого 1, поскольку сигнал положительный. На втором, третьем и
четвертом тактах будет сформирован код сегмента. Поскольку Ux > 128 δ, то
во втором такте в разряде Х формируется 1. Результат следующего сравнения
в третьем такте Ux > 512 δ, поэтому в разряде Y также формируется 1.
Результатом следующего сравнения будет Ux < 1024 δ, поэтому в разряде Z
формируется 0. Таким образом, код сегмента будет равен 110, т.е. сигнал Ux
находится в сегменте № 6 (табл. 4.1).
Для реализации преобразования в пятом, шестом, седьмом и восьмом
тактах из значения сигнала Ux = 850 δ производится вычитание начального
значения сегмента №6, равного 512δ. Результат ∆Ux = 338 δ преобразуется в
99
код 1010, с использованием линейного квантования. Таким образом,
результирующий выходной код АЦП будет 11101010.
Ux
Ux
1024 δ
1024 δ
Ux =
850 δ
512 δ
512 δ
Ux =
375δ
256 δ
256 δ
128 δ
128 δ
64 δ
32 δ
0
64 δ
32 δ
0
t
t
Такт
1
2
3
4
5
6
7
8
Такт
1
2
3
4
5
6
7
8
Разряд
P
X
Y
Z
A
B
C
D
Разряд
P
X
Y
Z
A
B
C
D
Код
1
1
1
0
1
0
1
0
Код
1
1
0
1
0
1
1
1
а)
б)
Рис. 4.7 – Нелинейное кодирование сигнала
На приемной стороне ЦАП согласно принятому коду 11101010
сформирует сигнал Uxпр = 512δ + 256δ + 64δ = 832 δ. Различие Uxпр с
переданным сигналом Ux составила (850 – 832) δ = 18 δ, что находится в
пределах шага квантования 32δ.
100
Пример 2. На вход АЦП поступает сигнал Ux = 375δ (рис. 4.7б).
Сигнал такого уровня попадает в пятый сегмент (X=1, Y=0, Z=1), начальное
значение которого (табл. 4.1) равно 256δ. Разностному сигналу ∆Ux = 119 δ
соответствует код 0111. Таким образом, выходной код АЦП будет 11010111.
4.3 Цикл передачи цифровых систем
Многоканальные системы ВРК ИКМ изначально создавались для
передачи телефонных сигналов, т.е. для передачи сигналов КТЧ. Поэтому
частота дискретизации равна Fд = 8 кГц, а период дискретизации составляет
Тд =1/Fд = 1/8000 Гц = 125 мкс. При использовании 8-разрядного кода поток
информации равный 8 бит × 8 кГц = 64 кбит/сек получил название основной
цифровой канал (ОЦК).
Первичный поток данных Е1 формирует широко известная аппаратура
ИКМ-30, которая объединяет 30 ОЦК. Кроме того, в ИКМ-30 дополнительно
входят 2 служебных канала. Таким образом, первичный поток состоит из 32
каналов, в которых кроме 30 кодовых групп рабочих каналов содержатся две
кодовых группы, где размещаются символы служебной информации.
Служебная
информация
сверхцикловой
необходима
синхронизации,
для
служебной
организации
связи,
цикловой
передачи
и
сигналов
управления и взаимодействия. Указанные 32 кодовых группы образуют кадр
первичного потока (размером 32 × 8бит = 256 бит), который циклически
повторяется с периодом 125 мкс, поэтому кадр называют также циклом.
Таким образом, кадр (цикл) – это совокупность цифровых данных всех
каналов
цифровой
системы
передачи
информации
циклически
повторяющаяся с определенным периодом. Во многих системах период
составляет 125 мкс.
Скорость передачи данных первичного потока Е1составляет V = 256
бит × 8 кГц = 2048 кбит/с. Это значение скорости может быть также
получено путем перемножения скорости ОЦК и числа каналов (V = 32 ×
101
64кбит/с = 2048 кбит/с). Структура кадра (цикла) потока ЦСП ИКМ-30
приведена на рис. 4.8.
КИ31 КИ0 КИ1 КИ2
КИ15 КИ16 КИ17
КИ30 КИ31 КИ0
Tц = Tд = 125 мкс
Рис. 4.8 – Структура кадра первичного потока
Канальные интервалы КИ1-КИ15, КИ17-КИ31 предназначены для
передачи информационных сигналов (кодов рабочих каналов). КИО и КИ16
служат для передачи служебной информации. 32 канальных интервала
образуют цикл, длительность которого равна периоду дискретизации Тц = Тд
= 125 мкс (рис. 4.8).
В свою очередь, 16 циклов (Ц0 ÷ Ц15) образуют сверхцикл СЦ (рис.
4.9), предназначенный для передачи и приема не только информационных
сигналов, но и сигналов управления и взаимодействия между двумя АТС.
СЦ
Ц15
Ц0
Ц1
СЦ
Р2
СЦ
СЦ
Ц2
КИ0 КИ1 КИ2
Р1
СЦ
СЦ
Ц14
Ц15
КИ15 КИ16 КИ17
Р3
Р4
Р5
Р6
Р7
Ц0
КИ30 КИ31
Р8
Рис. 4.9 – Структура циклов и сверхциклов первичного потока
Таким образом, кадр представляет собой совокупность цифровых
данных всех каналов цифровой системы передачи информации циклически
повторяющаяся
с
периодом
дискретизации.
дискретизации составляет 125 мкс.
102
В
телефонии
период
4.4 Принцип объединения потоков
Поскольку за период дискретизации необходимо передать цифровые
значения отсчетов всех каналов, то объединение потоков возможно только за
счет сокращения длительности импульсов цифрового кода. Принцип
объединения цифровых потоков приведен на рис. 4.10, где приведены
временные диаграммы четырех компонентных потоков I, II, III, IV и
суммарного Σ (агрегированного) потока.
Поток I
1
0
Поток II
1
1
Поток III
0
0
Поток 
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11 0 0 0 1 0 0
Рис. 4.10 – Принцип объединения потоков
В данном примере совпадают как скорости всех объединяемых
потоков I, II, III, IV и их скорости в агрегированном потоке Σ, так и начала их
отсчетов, т.е. фаза. Например, в течение длительности первого такта
компонентных потоков формируется четыре такта (1100) агрегированного
потока. Длительность импульсов в агрегированном потоке Σ уменьшается в 4
раза, т.е. скорость передачи повышается в 4 раза, но период следования
импульсов каждого трибутарного потока остается неизменным.
103
На рис. 4.11 приведена структурная схема объединения потоков.
Принцип действия аппаратуры любого способа объединения заключается в
том,
что
биты
информации
объединяемых
компонентных
потоков,
записывается в запоминающие устройства, а затем поочередно считывается в
моменты времени, отводимые им в объединенном потоке (рис. 4.12). При
этом суммарный выходной поток Σвых сдвигается на один такт вправо по
сравнению с временной диаграммой потока Σ (рис. 4.10).
Передающая сторона
Поток I
Приемная сторона
ЗУ1
ИС1
Поток II
.
ИЗ1
.
ЗУ2
Поток вых
.
.
ЗУ3
.
.
ИЗ
.
.
ГО
ВТЧ
ИС4
УИС
ЗУ3
ИЗ3
ИС3
ЗУ4
ЗУ2
ИЗ2
ИС2
Поток III
Поток I
Ф1
ЗУ1
ГО
ЗУ4
ИЗ4
.
.
.
.
Ф2
Ф3
.
Поток III
.
Ф4
.
ИC
УИЗ
Поток II
УУ
Рис. 4.11 – Структурная схема объединения потоков
Тактовые импульсы формируются генераторным оборудованием ГО
передающей и приемной стороны. Каждый такт информационные импульсы
компонентных потоков I, II, III, IV одновременно записываются в
соответствующее запоминающее устройство (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3, ЗУ4) одним
общим импульсом записи ИЗ. Устройство формирования импульсов
считывания УИС генерирует импульсы считывания ИС1, ИС2, ИС3, ИС4,
длительность которых в четыре раза меньше длительности тактовых
интервалов компонентных потоков. Импульсы ИС считывают поочередно
104
информационные сигналы в соответствующие интервалы времени tи1, tи2, tи3,
tи4 из каждого ЗУ в общую линию связи. Для каждого ЗУ достаточна емкость
в 1 бит. Агрегированный поток Σвых поступает на приемную сторону, где
информационные сигналы записываются соответствующими импульсами
записи ИЗ1, ИЗ2, ИЗ3, ИЗ4 (рис. 4.12, 4.13) последовательно в запоминающие
устройства.
I
1
0
II
1
1
III
0
IV
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
0
0
ИЗ
ИС1
ИС2
ИС3
ИС4
вых
1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11 0 0 0 1 0 0
,
tи1
tи3 tи1 tи3 tи1 tи3 tи1 tи3 tи1 tи3
tи2 tи4 tи2 tи4 tи2 tи4 tи2 tи4 tи2 tи4
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
Рис. 4.12 – Временная диаграмма объединения потоков
105
Импульсы записи генерируются устройством формирования импульсов
записи УИЗ, которое работает синхронно с устройством УИС передающей
стороны.
Информация
из
запоминающих
устройств
поступает
на
формирователи Ф1, Ф2, Ф3, Ф4, где получаются информационные импульсы
заданной длительности. Этим процессом управляет устройство УУ.
Таким образом, на выходе формируются исходные потоки данных. Для
реализации синхронной работы генераторного оборудования ГО и устройств
УИС, УИЗ используется выделитель тактовой частоты ВТЧ, работающий на
основе узкополосного фильтра. Скорости последовательностей записи и
считывания равны между собой и соответствуют скорости компонентных
потоков в каждом канале, однако импульсы считывания сдвинуты на
тактовый интервал потока.
4.5 Линейные коды систем передачи информации
При передаче по линии связи сигнал подвержен линейным искажениям
и воздействию помех. Для уменьшения влияния искажений и помех код АЦП
преобразуется в линейный код, т.е. цифровой код, который передается по
линии связи.
В зависимости от направляющей среды (медные или волоконнооптические кабели) используются различные коды, которые в разной степени
устойчивы к воздействию линейных искажений и помех, имеют разные
свойства самосинхронизации и разные спектральные характеристики.
Спектры сигналов при использовании разных кодов различаются. В
многоканальных системах при передаче информации по линии связи с
ограниченной полосой пропускания сигнал должен быть узкополосным.
Важной характеристикой кода является свойство самосинхронизации.
Оборудование на приемной стороне должно работать синхронно с
передающей
аппаратурой,
поэтому
на
приемной
стороне
сигнал
синхронизации выделяют из принятого сигнала (см. раздел 4.7). Для этого
106
сигнал должен достаточно часто изменять свое состояние (переходить из
низкого уровня в высокий и наоборот). Если передается длинная
последовательность нулей или единиц, то синхронизация на приемной
стороне
может
быть
потеряна.
Поэтому
принимаются
меры
по
искусственному изменению состояния передаваемого сигнала.
Из всего разнообразия линейных кодов на рис. 4.13 приведены
наиболее распространенные. Сигналы C1(t), C2(t), C3(t) последовательно
поступают на АЦП, который запоминает их начальное значение Ux1, Ux2, Ux3
на время канального интервала (КИ0, КИ1, КИ2, …) и преобразует в
цифровой код.
В приведенных примерах (рис. 4.13) в качестве цифрового кода
используется симметричный код равномерного квантования. Старший разряд
кода является знаковым: единичное значение старшего разряда кодирует
положительный сигнал C(t), а нулевое значение – отрицательный сигнал C(t).
Наиболее простым и естественным является потенциальный код без
возврата к нулю (Non Return to Zero – NRZ), нулю соответствует низкий
уровень сигнала, единице – высокий (рис. 4.13). Однако при длинных
последовательностях нулей свойства самосинхронизации NRZ плохие,
поскольку нет переходов сигнала из одного состояния в другое. Поэтому
применяют специальные меры для улучшения свойств самосинхронизации:
использование блочных кодов, искусственная вставка (стаффинг) единичных
импульсов при передаче длинных последовательностей нулей.
Модифицированный потенциальный код (Non-Return to Zero Inverted –
NRZI) изменяет свое состояние на противоположное при передаче нуля и не
меняет – при передаче единицы (рис. 4.13). Его свойства самосинхронизации
несколько лучше, чем кода NRZ, поэтому он применяется, например, в
технологии Fast Ethernet спецификации 100 Base-FX.
Наряду с кодом NRZ используется код с возвратом к нулю (Return to
Zero – RZ), обычно со скважностью q = 2. При передаче по линии связи
сигнал кода NRZ (и RZ) подвержен линейным искажениям и воздействию
107
помех. Особенно сильно это проявляется при передаче сигнала по медным
кабелям.
С1(t)
С2(t)
С3(t)
Ux3 = 9,0 В
Ux1 = 2,7 В
Ux2 = - 4,6 В
δ = 0,1 В
КИ1
КИ2
КИ0
1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0
NRZ
RZ
NRZI
ЧПИ
КВП-3
HDB-3
Манчестер
AMI
MLT-3
Рис. 4.13 – Линейные коды систем передачи информации
108
t
Для уменьшения влияния помех и линейных искажений в медных
кабелях
однополярные
сигналы
кода
NRZ
(RZ)
преобразуются
в
двуполярные, среди которых наиболее простым является код с чередованием
полярности импульсов ЧПИ (рис. 4.13). Его недостатки проявляются при
длинных последовательностях нулей передаваемого кода, когда сигнал не
изменяет своего состояния. При этом на приемной стороне может пропасть
синхронизация, сигналы которой формируются из принятой цифровой
последовательности информационных сигналов. Поэтому на практике
используется модифицированный код с чередованием полярности импульсов
МЧПИ, называемый, по-другому, кодом высокой плотности КВП-3 или
HDB-3. Данный код предусматривает вставку (стаффинг) единичного
импульса в передаваемый сигнал, если последовательность нулей больше 3.
На
приемной
стороне
единичные
вставки
удаляются.
Код
КВП-3
используется в транспортных сетях для передачи информации по медным
кабелям.
Хорошими
свойствами
самосинхронизации
и
устойчивостью
к
воздействию помех характеризуются биполярные коды (рис. 4.13): Alternate
Mark Inversion – AMI и Multi Level Transmission – MLT-3. Нулевые биты
кода AMI представлены нулевым уровнем сигнала, а единичные биты –
чередующимися значениями +V, -V. При передаче нулевого бита кода MLT-3
значение сигнала не изменяется, оставаясь таким, каким оно было к этому
моменту. При передаче единичных бит данных значение сигнала изменяется
в следующей последовательности: +V, 0, -V, 0, +V и т.д. Сигналы кода MLT3 характеризуются более узкой полосой частот по сравнению с кодом NRZI,
модификацией которого он является. Коды AMI, MLT-3, как и другие
биполярные коды, применяются при передаче информации по медным
кабелям. Например, код MLT-3 используется в локальных сетях технологии
Fast Ethernet спецификации 100 Base-ТX. Недостатком кодов AMI, MLT-3
является
плохая
самосинхронизация
109
при
передаче
длинной
последовательности нулей, поэтому необходимо использование стаффинга
или блочных кодов.
Наилучшими свойствами самосинхронизации обладает манчестерский
код (Манчестер – рис. 4.13). Однако у него более широкая полоса спектра
частот по сравнению с потенциальным кодом NRZI и, особенно, по
сравнению с биполярными кодами AMI, MLT-3. Манчестерский код
использовался в локальных сетях Ethernet спецификации 10 Base-Т. Однако
полоса частот его спектра примерно в 1,5 раза шире вышеприведенных
кодов. Поэтому в новых технологиях локальных сетей (Fast Ethernet, Gigabit
Ethernet и др.) манчестерский код не применяется.
4.6 Принципы построения аппаратуры ЦСП
Принципы построения аппаратуры ЦСП рассмотрены на примере
цифровой системы передачи с временным разделением каналов и импульсно
кодовой модуляцией (ЦСП ИКМ-30). Структурная схема ИКМ-30, которая
формирует и передает первичный поток Е1, приведена на рис. 4.14.
Рис. 4.14 – Структурная схема цифровой системы передачи ИКМ-30
110
Тракт передачи
Первичный сигнал С(t) поступает на дифференциальную систему (ДС),
предназначенную для разделения трактов передачи и приема. С выхода ДС
первичный сигнал поступает на усилитель (УНЧ) и далее на фильтр нижних
частот (ФНЧ) тракта передачи, который подавляет высокочастотные
импульсные помехи и ограничивает полосу частот первичного сигнала
значением fв = 3,4 кГц. Такое ограничение необходимо для того, чтобы при
заданной частоте дискретизации (fд = 8 кГц) обеспечить возможность
восстановления сигнала с искажениями, не превышающими допустимый
уровень, с помощью ФНЧ тракта приема.
С выхода ФНЧ тракта передачи сигнал поступает на амплитудноимпульсный
модулятор
канала,
(например,
первого
–
АИМ1).
На
управляющий вход АИМ1 от генераторного оборудования передатчика
(ГОпер) с частотой дискретизации fд = 8 кГц поступают канальные импульсы
управления первого канала. Модулятор АИМ осуществляет дискретизацию
непрерывного первичного сигнала С(t). Выходы амплитудно-импульсных
модуляторов всех 30-ти рабочих каналов объединены. Полученный
групповой сигнал поступает на АЦП (кодер ИКМ), который осуществляет
квантование сигнала по уровню и кодирование в заданном коде. Процесс
преобразования
амплитуды
импульсного
сигнала
в
цифровой
код
производится с тактовой частотой, которая подается с ГОпер.
С
выхода
кодера
цифровой
сигнал
поступает
на
устройство
объединения, где происходит формирование цикла передачи, состоящего из
32 канальных интервалов: 30 рабочих и двух служебных (см. рис. 4.8, 4.9).
Служебные канальные интервалы необходимы для передачи синхросигнала,
обеспечивающего синхронную работу канальных амплитудно-импульсных
модуляторов на передаче и демодуляторов на приеме, сигналов управления и
взаимодействия СУВ и других вспомогательных сигналов. В каждом
канальном
интервале
размещаются
111
символы
8-разрядной
кодовой
комбинации. Для обеспечения передачи сигналов СУВ всех каналов циклы
цифровой системы передачи на основе ИКМ-30 объединяются в сверхциклы.
Скорость передачи цифрового потока одного канала Vк = Fд·m = 64
кбит/с соответствует скорости ОЦК.
Тактовая частота, т.е. частота следования импульсов ИКМ-сигнала на
выходе устройства объединения будет равна:
Fт = Fд m Nки = 8 кГц × 8бит × 32 = 2048 кбит/с,
где
m – число разрядов АЦП;
Nки – количество каналов (канальных интервалов в цикле).
При передаче по линии сигнал подвержен искажениям и воздействию
помех, для уменьшения влияния которых, Кодер линейного тракта
преобразует станционный код в линейный. Параметры линейного кода
хорошо согласуются с параметрами линии связи, что позволяет передавать
сигнал
на
большее
расстояние
с
наименьшими
искажениями.
Сформированный линейный код через Устройство согласования с линией
(трансивер) преобразуется в физический линейный сигнал в зависимости от
среды передачи (оптический, электрический или радиоволну) и поступает в
линию связи.
Тракт приема
На приемной стороне (рис. 4.14) сигнал из линии связи поступает через
трансивер, преобразующий его в электрический сигнал, на Станционный
регенератор приемника, где после выделения тактовой частоты Fт
производится восстановление принятых импульсов цифрового сигнала по
амплитуде, форме и временному положению. Одновременно Fт передаётся
для управления работой генераторного оборудования приемника (ГО
приёма). В декодере линейного тракта (ДЛТ) восстановленный сигнал
преобразуется в импульсы станционного двоичного кода. Приемник
синхросигналов ПСС осуществляет выделение цикловой синхронизации для
112
корректного распределения группового цифрового потока на канальные
интервалы.
В устройстве разделения из группового ИКМ-сигнала отделяются
служебные сигналы и СУВ, а телефонные поступают на вход Декодера ИКМ.
Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП (декодер ИКМ) преобразует
групповой ИКМ-сигнал в групповой АИМ-сигнал. Временные канальные
селекторы выделяют из группового АИМ-сигнала импульсы отдельных
каналов. Работой временных селекторов управляет ГО приёма, поочередно
открывая ключевые элементы временных селекторов каждого канала и
обеспечивая выделение отсчетов своего канала из группового АИМ-сигнала.
С выхода демодулятора канальные АИМ-отсчёты поступают на вход
соответствующего фильтра нижних частот (ФНЧ), который из спектра АИМ
сигнала выделяет полосу частот исходного первичного сигнала C(t). Для
доведения мощности первичного сигнала до номинального уровня на выходе
ФНЧ используется усилитель низкой частоты УНЧ.
4.7 Системы синхронизации ЦСП
Для синхронной и синфазной работы всех узлов цифровых систем
передачи, объединения (агрегирования, мультиплексирования, уплотнения)
каналов на передающей стороне и корректного разделения на приемной
стороне в ЦСП используется три системы синхронизации: тактовая, цикловая
и сверхцикловая.
Тактовая синхронизация
Синхронизация по тактовой частоте обеспечивает равенство скоростей
обработки сигналов на передаче и приеме и выполняется выделением
колебаний тактовой частоты fт из спектра принятого цифрового сигнала.
Данная операция реализуется приемником синхросигналов ПСС (рис. 4.15)
или выделителем тактовой частоты (ВТЧ).
113
RZ
t
fт
Fт
Рис. 4.15 – Формирование тактовых импульсов
В системе передачи ИКМ с тактовой частотой следуют импульсы
группового цифрового сигнала на выходе УВУ. Сигналы представляют собой
однополярную случайную последовательность импульсов со скважностью
равной двум, т.е. используется код RZ (рис. 4.15). Энергетический спектр
такой последовательности G() приведен на рис. 4.16.
G
Gд1
УПФ
G0
Gн
Gд3
Gд5

т
т
3т 4т
5т
Рис. 4.16 – Энергетический спектр ИКМ сигнала

При одинаковых вероятностях появления «единиц» и «нулей», а также
при отсутствии флуктуаций длительности и моментов появления импульсов
спектр содержит постоянную составляющую G0, дискретные составляющие
Gд1(), Gд3(), …, и непрерывную Gн () составляющую (рис. 4.16).
Дискретная составляющая является суммой нечетных гармоник тактовой
частоты т, 3т, 5т, …
114
Составляющая с тактовой частотой т(fт) может быть выделена из
группового ИКМ сигнала узкополосным фильтром УПФ, настроенным на эту
частоту. На рис. 4.15, 4.16 изображен групповой сигнал, в котором
используется код RZ, выделенная из него узкополосным фильтром гармоника
частоты fт и сформированная последовательность тактовых импульсов Fт.
В
полосу
пропускания
фильтра
УПФ
попадает
также
часть
непрерывного спектра Gн(), влияние которого приводит к флуктуации
тактовой частоты fт. Флуктуация частоты fт будет тем меньше, чем уже
полоса пропускания узкополосного фильтра УПФ. Поэтому УПФ должен
быть «избирательным».
Цикловая синхронизация
Для организации цикловой синхронизации в групповой цифровой
поток вводят синхросигнал, который обычно представляет собой группу
импульсов определённой кодовой комбинации. Например, цикловый
синхросигнал представлен семиразрядным двоичным кодом 0011011, т.е.
синхросигнал представляет собой многоразрядную сосредоточенную
кодовую комбинацию. Однако такая комбинация может появиться и в
рабочем канале. При равной вероятности появления в цифровом сигнале
символов «1» и «0» вероятность появления кодовой комбинации 0011011в
рабочем канале достаточно велика рл = (0,5)7 = 0,0078125.
Важным свойством синхросигнала является его периодичность, он
появляется через каждые 125 мкс на одних и тех же позициях цикла
передачи, а появление комбинации 0011011 в рабочем канале является
случайным.
Поэтому
для
распознавания
синхросигнала
необходимо
контролировать появление заданной кодовой комбинации с периодичностью
125 мкс. Вероятность ошибки выделения ложного синхросигнала будет тем
меньше, чем больше число циклов используется для контроля в процессе
115
принятия решения. Структурная схема системы цикловой синхронизации
приведена на рис. 4.17.
Входной цифровой поток поступает на регистр сдвига, выход которого
подключен к схеме совпадения. Число разрядов регистра равно числу
разрядов в синхросигнале. На выходе схемы совпадения формируется
импульсный сигнал совпадения, когда принятая кодовая комбинация
соответствует структуре синхросигнала. Сигнал совпадения поступает в
анализатор, который состоит из двух ячеек (Нет, И1). На второй вход ячеек
поступает синхросигнал с генераторного оборудования приёмника (ГОпр).
Регистр
ВТЧ
1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 10 1 0 1
Входной
цифровой
поток
Входной
цифровой
поток
Схема совп .
Сигнал
совпадения
Уст
Нет
Нак. по
выходу
И1
Нак. по
входу
И2
ГО пр
Сброс
Сброс
Контрольный сигнал
Рис. 4.17 – Структурная схема системы цикловой синхронизации
Если система находится в состоянии синхронизма, то на выходе схемы
И1 формируется импульс, если происходит сбой синхронизма, то импульс
формирует схема Нет. В состоянии синхронизма происходит заполнение
ячеек накопителя по входу в режим синхронизации (Нак. по входу) и сброс
всех ячеек накопителя по выходу из режима синхронизации (Нак. по
выходу). В этом случае на выходе схемы И2 сигнал отсутствует и коррекция
работы ГО не происходит.
116
При сбое синхронизма, после заполнения всех ячеек накопителя (Нак
по выходу) импульс на его выходе откроет ячейку И2. При этом произойдёт
сброс второго накопителя (Нак по выходу) и последней ячейки первого
накопителя (Нак по входу), а также сброс генераторного оборудования.
После этого система переходит в режим поиска синхронизма. Приведенная
схема обладает инерционностью, так как при кратковременных сбоях
синхронизма сбой системы синхронизации не происходит, что является ее
достоинством.
Недостатком
этой
схемы
является
большое
время
восстановления синхронизма после его сбоя, так как поиск синхронизма
начинается только после заполнения накопителя.
Принцип работы сверхцикловой синхронизации аналогичен цикловой,
но сигнал сверхцикловой синхронизации передается один раз за 16 циклов в
цикле Ц0 (см. рис. 4.9).
Генераторное оборудование ЦСП
Генераторное оборудование (ГО) предназначено для формирования
импульсных последовательностей, управляющих работой функциональных
узлов системы, а также для синхронизации оборудования передающей и
приёмной
станции.
Основой
генераторного
оборудования
является
задающий генератор (ЗГ). Задающий генератор может работать в режиме
автономной внутренней синхронизации, когда его частота определяется
кварцевым резонатором. В передатчиках систем плезиохронной цифровой
иерархии
(ПЦИ)
используются
ЗГ,
долговременная
относительная
нестабильность частоты которых составляет примерно 10-6.
Схема системы синхронизации приведена на рис. 4.18. Задающий
генератор ЗГ формирует тактовую частоту fт передатчика П. При передаче
информационного сигнала по линии связи в промежуточных устройствах
тракта, например, в регенераторах Р, а затем в приемнике Пр, узкополосный
117
фильтр выделителя тактовой частоты ВТЧ выделяет тактовую частоту fт и
формирует сигнал тактовой синхронизации.
.
П
fт
ЗГ
.
Р
.
Р
Пр
fт
fт
fт
ВТЧ
ВТЧ
ВТЧ
Рис. 4.18 – Схема системы синхронизации
В промежуточных устройствах и на приемной стороне используются
ЗГ, работающие в режиме внешнего запуска или в режиме внешней
синхронизации. В режиме внешнего запуска тактовые импульсы Fт
формируются непосредственно из выделенной частоты fт принятого
цифрового потока.
В режиме внешней синхронизации используется генератор приемника
или промежуточного устройства, частота которого может изменяться
управляющим напряжением. Управляющее напряжение формируется путем
сравнения текущей фазы собственного генератора с фазой внешнего
источника синхронизации. Разность фаз преобразуется фазовым детектором
в управляющее напряжение. В качестве внешнего источника синхронизации
используется выделитель тактовой частоты (узкополосный фильтр), принцип
работы которого поясняют рис. 4.15, 4.16. Такой способ обеспечивает
требуемую синхронизацию ЗГ на приемной стороне с частотой ЗГ
передающей стороны.
Для управления работой цифровой системой передачи требуются
управляющие сигналы разных частот и длительностей. Остальные частоты
получаются путем деления тактовой частоты fт, для чего используются
триггеры, регистры сдвига и другие схемы. При делении тактовой частоты на
8 (8-ми разрядный код) получается частота следования каналов fк = fт /8 =
118
2048/8 = 256 кГц. При делении fк на 32 получается частота дискретизации fд =
fк/32 = 2048/32 = 8 кГц. Поскольку сигнал цикловой синхронизации
передается только в четных циклах, то частота цикловой синхронизации
равна fцс = fд /2 = 4 кГц. Сигнал сверхцикловой синхронизации формируется с
частотой fсцс = fд /16 = 500 Гц.
119
Вопросы по разделу 4
1. Какое устройство производит преобразование отсчетов аналогового
сигнала Uх в цифровой код Nх?
2. Как по значению выходного кода линейного АЦП Nх определить
амплитуду сигнала Uх?
3. Почему в системах ВРК ИКМ можно задать требуемое соотношение
сигнал/помеха и обеспечить необходимую защищенность?
4. В чем различие равномерного и неравномерного квантования сигнала по
уровню?
5. Какие функции выполняют компрессор и экспандер в нелинейных АЦП?
6. Каково
назначение
разрядов
выходного
кода
8-разрядногоАЦП
нелинейного кодирования?
7. Как изменяется длительность импульсов в агрегированном потоке по
сравнению с трибутарными потоками?
8. Как изменяется период следования импульсов каждого трибутарного
потока?
9. Какой скоростью передачи данных характеризуются основной цифровой
канал ОЦК, первичный канал Е1?
10. Какая информация содержится в 32 каналах Е1?
11. Что передается в канальных интервалах КИ0 четных циклов (Ц0, Ц2, …,
Ц14) сверхцикла?
12. Какие коды используются в АЦП и для передачи по медному кабелю
линии связи?
13. Чему равна тактовая частота системы ИКМ-30?
14. Как и какими устройствами реализуется тактовая синхронизация?
15. Как реализуется цикловая и сверхцикловая синхронизация?
16. Какое свойством синхросигнала позволяет отличить его от случайного
сигнала в рабочем канале?
120
Упражнения по разделу 4
1. Изобразите структурную схему трехканальной системы передачи ВРК
ИКМ и временную диаграмму ее сигналов. Объясните принцип действия
системы.
2. Изобразите структурную схему АЦП последовательного приближения.
Объясните
принцип
его
действия
с
использованием
временной
диаграммы.
3. Изобразите временные диаграммы работы АЦП последовательного
приближения и значения выходного кода Nх при использовании
симметричного двоичного кода и шаге квантования δ = 0,1 В для значений
входного сигнала Uх: + 9,3 В; + 5,1 В; – 7,7 В; – 4,6 В.
4. Чему равен выходной сигнал Uх ЦАП при использовании симметричного
двоичного кода и шаге квантования δ = 0,1 В и значениях входных кодов
Nх: 11001001; 10011100; 01010101; 00110011?
5. Изобразите временные диаграммы работы АЦП нелинейного кодирования
для значений входного сигнала: Ux = 670 δ; Ux = 200 δ; Ux = –300 δ; Ux = –
800 δ.
6. Изобразите структуру кадра первичного потока. Объясните назначение
канальных интервалов.
7. Изобразите структуру канальных интервалов КИ0. Объясните назначение
битов.
8. Изобразите структурную схему цифровой системы передачи ИКМ-30,
временные диаграммы ее работы. Объясните принцип действия системы.
9. Изобразите энергетический спектр ИКМ сигнала. Объясните принцип
действия системы тактовой синхронизации.
10. Изобразите структурную схему системы цикловой синхронизации.
Объясните принцип ее действия.
121
5 ОПТИЧЕСКИЙ ЛИНЕЙНЫЙ ТРАКТ
5.1 Общие принципы построения волоконно-оптических линий связи
В
современных
магистральных
транспортных
сетях
передачи
информации направляющей средой, как правило, является оптическое
волокно. Достоинством волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является
возможность передавать большие объемы информации с высокой скоростью
на большие расстояния, т.к. отсутствуют проблемы перекрестных помех
(crosstalk) и электромагнитных помех от внешних источников (по сравнению
с медным кабелем).
Оптические цифровые системы передачи широко внедряются на всех
участках сетей связи благодаря ряду преимуществ: широкая полоса
пропускания; высокая защищенность от электромагнитных помех; малое
затухание и возможность организации ретрансляционных участков большой
протяженности; значительная экономия меди и постоянно снижающаяся
стоимость оптического кабеля (ОК).
Ниже рассмотрен принцип построения ОЦСП, состоящей из
передающей станции (Ст. А), которая преобразует аналоговый телефонный
сигнал в цифровой, формирует стандартные цифровые потоки и преобразует
их в цифровой сигнал, оптимальный для передачи по оптическому
линейному тракту (ОЛТ), использующему оптическое волокно для
передачи
информационных
сигналов.
Приемная
станции
(Ст.
Б)
осуществляет обратное преобразование. Структурная схема ОЦСП показана
на рис. 5.1. Она включает каналообразующее оборудование (КОО);
оборудование сопряжения (ОС) и оборудование линейного тракта, в данном
случае оптического линейного тракта (ОЛТ). Каждое оборудование
выполняет свои, определенные функции.
КОО на передаче предназначено для формирования стандартных
цифровых потоков (см. табл. 3.1). На приемной стороне происходит обратное
преобразование.
122
Передающая
Станция (Ст. А)
1
2
КОО
ОС
Приемная
станция (Ст. Б)
Оптический линейный тракт
(ОЛТ)
ОВ
ОВ
ОПер
ОР
ОПр
ОС
КОО
1
2
N
N
Промежуточная
станция
Рис. 5.1 – Структурная схема ОЦСП
ОС представляет собой преобразователь кода, который на передающей
стороне преобразует цифровой сигнала в станционном коде с выхода КОО –
в линейный код, который передается по ОЛТ. На приемной стороне ОС
содержит электрический регенератор и преобразователь линейного кода в
станционный.
Оптический линейный тракт (рис. 5.1) предназначен для передачи
линейного сигнала на требуемое расстояние. В состав ОЛТ входят
оптический передатчик (ОПер), оптическое волокно (ОВ), оптический
ретранслятор (ОР) и оптический приемник (ОПр).
На передающей станции (Ст. А) первичные сигналы в электрической
форме поступают на вход каналообразующего оборудования, с выхода
которого групповой сигнал подается в оборудование сопряжения. В ОС
электрический сигнал преобразуется в форму, целесообразную для передачи
по волоконно-оптическому линейному тракту. Оптический передатчик
(ОПер) преобразует электрический сигнал в оптический сигнал. При
распространении последнего по оптическому волокну (ОВ) происходят его
ослабление
и
определенное
устанавливаются
искажение.
расстояние,
Для
увеличения
называемое
промежуточные
дальности
участком
обслуживаемые
и
связи
через
ретрансляции,
необслуживаемые
станции (оптические ретрансляторы – ОР), где осуществляются коррекция
искажений и компенсация затухания.
123
На промежуточных станциях производиться обработка (усиление,
коррекция, регенерация и т.д.) сигнала на электрическом и оптическом
уровнях. Восстановление сигнала на электрическом уровне предполагает
преобразование оптического сигнала в электрический сигнал на входе и
обратным преобразованием на выходе. В настоящее время возможно
построение чисто оптических ретрансляторов на основе оптических
квантовых усилителей и регенераторов. На приемной оконечной станции (Ст.
Б)
осуществляется
обратное преобразование
оптического
сигнала в
электрический.
Таким образом, оптический линейный тракт ОЛТ образован
совокупностью усилителей, регенераторов и устройств формирования
каналов в линии связи.
Для модуляции оптической несущей информационным сигналом
можно
использовать
частотную
модуляцию,
фазовую,
амплитудную,
модуляцию по интенсивности (МИ), поляризационную модуляцию (ПМ) и
др. В подавляющем большинстве случаев применяется модуляция по
интенсивности
оптического
излучения
МИ.
При
фиксированных
пространственных координатах мгновенное значение электрического поля
монохроматического оптического излучения можно записать в виде:
E(t) = Eмcos(ω0t + φ0),
где
Eм – амплитуда поля;
ω0 и φ0 – соответственно частота и фаза оптической несущей.
Тогда мгновенное значение интенсивности излучения пропорционально
квадрату амплитуды поля:
Pмг = E2(t) = Eм2cos2(ω0t+φ0),
а усреднение по периоду T0 = 2π/ω0 дает величину P = 0,5Eм2, которая
называется средней интенсивностью или мощностью. При МИ именно
величина Р изменяется в соответствии с модулирующим сигналом C(t).
Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время дискретно.
Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов (фотонов) с
124
энергией hf0, где h – постоянная Планка. Поэтому мощность оптического
излучения Р можно характеризовать интенсивностью (количеством в
единицу времени) потока фотонов J=Р/hf0.
5.2 Принципы построения оптических линейных трактов
В настоящее время оптические линейные тракты строят с разным
количеством кабелей, волокон и полос (спектральных). Так как взаимное
влияние между оптическими волокнами кабеля практически отсутствует, то
передачу и прием оптических сигналов организуют по одному кабелю. В
дальнейшем рассматриваются однокабельные тракты с разным количеством
волокон и полос.
В
простейшем
случае
ОЛТ
может
быть
двухволоконным,
однополосным. При этом передача и прием оптических сигналов ведутся по
двум волокнам и осуществляются на одной длине волны λ. Принцип
построения такой ОЦСП показан на рис. 5.2.

1
2
ОВ
ОС
ОПер
ОПр
ОС
ОС
ОПр
ОПер
ОС
1
2
КОО
КОО
N
ОВ
N

Рис. 5.2 – Двухволоконная однополосная ОЦСП
С учетом того, что доля затрат на кабельное оборудование составляет
значительную часть стоимости ОЦСП, а цены на оптический кабель в
настоящее
время
остаются
достаточно
высокими,
возникает
задача
повышения эффективности использования пропускной способности ОВ за
счет одновременной передачи по нему большего объема информации. Этого
можно
добиться,
например,
передачей
информации
во
встречных
направлениях по одному ОВ (однополосные одноволоконные ОЦСП) при
использовании
на
оконечных
станциях
125
оптических
развязывающих
устройств (ОРУ) (рис. 5.3). Особенностью данной схемы является
использование ОВ для передачи сигналов в двух направлениях на одной
длине волны.
ОС
1
2

ОВ
ОПер
КОО
ОРУ
ОС
N
ОПр
ОС
1
2
ОРУ
ОПр

КОО
ОПер
ОС
N
Рис. 5.3 – Принцип построения одноволоконной, однополосной ОЦСП
Принципиальной особенностью двусторонних (дуплексных) систем
является наличие переходных помех между информационными потоками,
распространяющихся во встречных направлениях. Переходные помехи
возникают за счет обратного рэлеевского рассеяния в ОВ, ответвителях, из-за
отражения света от сварных стыков и разъемных соединений на концах
линии, что ограничивает длину участка ретрансляции.
Принцип построения одноволоконной двухполосной ОЦСП показан
на рис. 5.4. Передача в одном направлении ведется на длине волны
оптического
излучения
1
в
одном
окне
прозрачности,
а
прием
осуществляется в другом окне прозрачности на длине волны 2. Разделение
направлений передачи и приема осуществляется с помощью направляющих
оптических фильтров (ОФ), настроенных на соответствующие длины волн
оптического излучения.
ОС
1
2
ОПер
ОФ1
1
ОВ
ОФ1
ОПр
ОС
КОО
N
1
2
КОО
ОС
ОПр
ОФ2
2
ОФ2
ОПер
ОС
N
Рис. 5.4 – Принцип построения одноволоконной двухполосной ОЦСП
126
Схема двухволоконной многополосной системы приведена на рис.
5.5. На передающей станции электрические сигналы от N систем передачи
поступают на передатчики, излучающие оптические несущие с длинами волн
λ1, λ2, λ3, …, λn. С помощью мультиплексоров (МП) и демультиплексоров
(ДМ) осуществляется их ввод в одно волокно на передаче и разделение на
приеме. МП и ДМ – это узкополосные оптические фильтры. Каждый фильтр
пропускает соответствующую длину волны λ1, λ2, λ3, …, λn.
Рис. 5.5 – Структурная схема двухволоконной многополосной ЦОСП
Таким
образом,
по
одному
ОВ
организуется
N
спектрально
разделенных оптических каналов, что значительно увеличивает коэффициент
использования пропускной способности волокна.
Принцип работы мультиплексора и демультиплексора основан на
известных
явлениях
физической
оптики:
дисперсии,
дифракции
и
интерференции. В основе их структуры может быть оптическая призма,
многослойный диэлектрик, дифракционная решетка и др.
В настоящее время для уплотнения сигналов в ОВ применяют методы
временного, пространственного и спектрального уплотнений:
Временное уплотнение (Times Division Multiplexing, TDM). Данный
метод предполагает выделение каждому потоку определенного интервала
времени и объединение нескольких информационных потоков в один.
Объединение может быть осуществлено на уровне электрических сигналов и
на уровне оптических сигналов. При объединении на уровне электрических
127
сигналов (рис. 5.6) информационные импульсы (может быть N источников),
поступающие, например, с входов А и В, с помощью устройства объединения
(УО) суммируются в определенной последовательности чередования в
групповой электрический сигнал. Последний в оптическом передатчике
преобразуется в оптический сигнал. Оптическое излучение распространяется
по ОВ и в оптическом приемнике вновь преобразуется в электрический
сигнал. Затем этот сигнал разделяется устройством разделения (УР) на серии
информационных импульсов (в данном примере на две), подобные входным,
которые поступают на выходы А' и В'. В настоящее время данный способ
уплотнения ВОЛС является основным.
А
А’

ОВ
УО
ОПр
ОПер
УР
В
В’
Рис. 5.6 – Принцип временного уплотнения на уровне объединения
электрических сигналов
Схема объединения оптических цифровых потоков на уровне
оптических сигналов показана на рис. 5.7. Электрические цифровые потоки
от N источников поступают на N оптических передатчиков, в которых
осуществляется преобразование электрических сигналов в оптические. Перед
объединением оптических сигналов происходит их задержка на Δt; 2Δt; 3Δt;
…; (N-1) Δt. После такой задержки на выходе оптического смесителя (ОС)
имеем
последовательность
оптических
импульсов.
На
приеме
осуществляется обратное преобразование.
При временном уплотнении на уровне оптических сигналов требуется
передача коротких (10-9 с и менее) световых импульсов. Передача
субнаносекундных импульсов предъявляет высокие требования к быстродействию оптоэлектронных компонент приемопередающего оборудования
128
ОЦСП, близкие к их предельным возможностям. Кроме того, скорость
передачи (широкополосность) ограничена дисперсионными свойствами
оптического волокна.
1
ОПер1
2
ОПер2
N
ОПерN
ОВ
ОС
t
( N  1)t
Рис. 5.7 – Принцип временного уплотнения на уровне объединения
оптических сигналов
К основным достоинствам временного уплотнения относятся:
увеличение коэффициента использования пропускной способности
оптического волокна (уже экспериментально достигнуты скорости передачи
более 40 Гбит/с); возможность создания полностью оптической сети связи.
Пространственное уплотнение. Этот метод использует преимущества
ОВ: малые размеры и гибкость. Это позволяет создавать оптический кабель,
содержащий несколько десятков ОВ. При таком методе число источников
информации равно числу ОВ в оптическом кабеле, а, следовательно,
пропускная способность определяется числом ОВ в кабеле. Недостатком
пространственного уплотнения являются большой расход оптических
волокон, значительные затраты на каблирование и соответственно высокая
относительно стоимость линейного тракта. Для магистральных ОЦСП, где
стоимость 1 канал/км определяется в основном стоимостью кабеля, метод
пространственного
уплотнения
не обеспечивает
улучшения
технико-
экономической эффективности. Свое применение он находит при построении
локальных сетей.
Спектральное уплотнение. Одним из наиболее перспективных
методов увеличения коэффициента использования пропускной способности
ОВ – является спектральное уплотнение или мультиплексирование по длине
129
волны (Wavelength Division Multiplexing, WDM). В настоящее время WDM
играет
в
оптических
мультиплексирование
синхронных
с
системах
частотным
ту
разделением
же
роль,
(Frequency
что
и
Division
Multiplexing, FDM) в аналоговых системах передачи данных.
5.3 Передающие и приемные оптические модули
Оптические передатчики ВОСП реализуются в форме единого
передающего
оптического
модуля
(ПОМ)
–
электронно-оптического
преобразователя, осуществляющего преобразование электрических сигналов
в оптические сигналы. Обобщенная структурная схема передающего
оптоэлектронного модуля (ПОМ) приведена на рис. 5.8, где приняты
следующие обозначения:
СВД
Сигнал
отказа
СУ и ОС
ОР
ФМС
ЛОС
ОВ
МОИ
ИОИ
СРРИОИ
Рис. 5.8 – Обобщенная структурная схема оптического передатчика
ФМС – формирователь модулирующего сигнала, осуществляющий
преобразование сигнала, поступающего с выхода оборудования сопряжения
(например Е1, STM-64), к виду, удобному для передачи по ОЛТ; МОИ –
модулятор оптического излучения, здесь осуществляется модуляция одного
из параметров оптического излучения (интенсивности, частоты, фазы,
поляризации и др.); ИОИ – источник оптического излучения; ОР –
оптический разветвитель, обеспечивающий отвод оптического сигнала на
СРРИОИ – стабилизатор режима работы источника оптического излучения;
130
ЛОС – линейный оптический сигнал (модулированное оптическое излучение,
передаваемое по
оптическому волокну);
СВД
–
схема встроенной
диагностики, предназначенная для контроля работоспособности ПОМ; СУ и
ОС – согласующее устройство и оптический соединитель, обеспечивающие
ввод оптического сигнала в оптический кабель; ОВ – оптическое волокно.
Основным блоком, определяющим качество функционирования ПОМ,
является источник оптического излучения (ИОИ).
К источникам оптического излучения предъявляются следующие
требования: длина волны оптического излучения должна совпадать с одним
из окон прозрачности оптического волокна: достаточно большая мощность
выходного излучения и эффективность его ввода в оптическое волокно;
возможность модуляции оптического излучения различными способами;
достаточно большой срок службы; минимальное потребление электрической
энергии или высокая эффективность; минимальные габариты и вес; простота
технологии производства, обеспечивающая невысокую стоимость и высокую
воспроизводимость параметров и характеристик.
Интенсивное развитие полупроводниковых источников света связано, в
первую
очередь,
с
уникальным
сочетанием
важных
для
ОЦСП
положительных свойств, таких как непосредственное преобразование
энергии
электрического
тока
в
оптическое
излучение
с
высокой
эффективностью, возможность прямой модуляции параметров излучения
током накачки с высокой скоростью, малые масса и габаритные размеры.
В качестве источников оптического излучения в оптических модулях
используются светодиоды и лазерные диоды.
Светодиоды (Light Emitting Diode – LED) генерируют инфракрасный
свет с длиной волны 850нм или 1310 нм. Диаграмма направленности
светодиода существенно шире диаграммы направленности лазерного диода.
Для ввода луча света в волокно применяется фокусировка с помощью
объективов.
Из-за
сложности
фокусировки
излучения
светодиоды
используются с многомодовым волокном, диаметр сердцевины которого
131
(62,5 или 50 мкм) значительно больше диаметра сердцевины одномодового
волокна (8 – 10 мкм). Светодиоды несколько дешевле лазерных, однако
передают импульсы света на меньшее расстояние. Например, многомодовое
волокно в технологии локальных сетей GigabitEthernet способно передавать
данные на расстояние до 2000 м.
Лазерные диоды (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation –
LASER) генерируют инфракрасный луч света с длиной волны 1310 нм или
1550 нм. Лазеры используются с многомодовым, так и с одномодовым
волокном для передачи сигналов на большие расстояния в различных
технологиях локальных сетей, сетей доступа и транспортных сетей
(локальных и глобальных сетей). Так в технологии локальных сетей
GigabitEthernet передача сигналов осуществляется на расстояние до 5 км, в
технологии 10 GigabitEthernet – до 40 км, а в технологиях транспортных
сетей – до 100 км без промежуточных усилителей и регенераторов.
Основной характеристикой лазерных диодов и светодиодов является
спектральная (рис. 5.9). Ширина спектра излучения светодиодов по уровню
половины максимальной мощности (0,5 Pm) составляет 20 ÷ 50 нм (рис. 5.9а),
что совершенно недопустимо, например, при построении систем плотного
спектрального уплотнения по длине волны DWDM, когда формируется 41
несущая волна с шагом Δλ = 0,8 нм (см. раздел 3.5). При этом полоса
несущей волны не должна превышать 0,1 нм, чему соответствуют
спектральные характеристики лазерных диодов (рис. 5.9б). Такими же
должны быть значения относительной нестабильности несущей волны и
ширина полосы расфильтровки. При передаче потока цифровой информации
со скоростью порядка 10 Гбит/с, ширина полосы передаваемого сигнала
будет примерно 0,3 нм, а необходимая суммарная полоса составит около 0,5
нм. С увеличением полосы передаваемого сигнала возрастает хроматическая
дисперсия, возникающая из-за того, что волны света разной длины проходят
через оптическое волокно с различными скоростями.
132
Pm P
Pm P
Δλ = 0,1 – 5 нм
Δλ = 20 – 50 нм
0,5Pm
0,5Pm
λ
λ
λ0
λ0
а)
б)
Рис. 5.9 – Спектральные характеристики свето- (а) и лазерных (б) диодов
С
увеличением
полосы
передаваемого
сигнала
возрастает
хроматическая дисперсия, возникающая из-за того, что волны света разной
длины проходят через оптическое волокно с различными скоростями.
Обобщенная структурная схема оптического приемника, реализуемого
в виде единого приемного оптоэлектронного модуля (ПРОМ), представлена
на рис. 5.10, где приняты следующие обозначения: ОК –оптический кабель;
ОС – оптический соединитель; ФД – фотодиод или фотодетектор; ПМШУ –
предварительный малошумящий усилитель; МУ с АРУ – мощный усилитель
с автоматической регулировкой усиления; ФК – фильтр-корректор.
ОК
ОС
ФД
МУ с
АРУ
ПМШУ
ФК
Выход
Рис. 5.10 – Обобщенная структурная схема оптического приемника
Оптический сигнал с выхода оптического кабеля (ОК) через
оптический соединитель (ОС) поступает на фотодетектор (ФД), где
происходит его преобразование в электрический сигнал. На выходе ФД
электрический сигнал весьма мал и сопровождается различного вида
шумами. Для его усиления без существенной потери в шумозащищенности
используется
предварительный
малошумящий
усилитель
(ПМШУ).
Усиленный электрический сигнал далее усиливается мощным усилителем с
133
автоматической регулировкой усиления (МУ с АРУ) и затем с помощью
фильтра-корректора (ФК) осуществляется отфильтровывание помех и
коррекция формы электрического сигнала, который и подается на
оборудование сопряжения тракта приема ВОСП.
Базовым
элементом
оптического
приемника
ВОСП
является
фотодетектор – оптоэлектронный прибор, преобразующий оптический
сигнал в электрический сигнал соответствующей формы.
Фотодетектор реализуется на основе полупроводниковых фотодиодов
(ФД) с р-n обратно смещенными переходами, работающих на принципах
внутреннего фотоэффекта. В технике ВОСП широкое применение находят
два типа фотодиодов: р-i-n и лавинный ФД.
5.4 Оптический ретранслятор
При прохождении цифрового сигнала по линии связи он ослабляется,
помехи, линейные и нелинейные искажения изменяют форму и длительность
импульсов, их начальную фазу. Поэтому через определенное расстояние
сигналы необходимо усиливать, а после несколько усилительных пунктов –
регенерировать, т.е. восстанавливать амплитуду, форму и фазу цифровых
сигналов.
Ретрансляторы строятся как чисто оптические, так и с преобразованием
оптических сигналов в электрические, с последующей регенерацией
электрических сигналов и обратным преобразованием.
Оптические ретрансляторы корректируют и усиливают световые
сигналы непосредственно, не преобразуя их в электрические. Они содержат
лазерный усилитель (оптический квантовый усилитель) и компенсатор
хроматической дисперсии для частичной регенерации световых импульсов.
Усилитель компенсирует потери передачи сигнала в ОВ и компенсаторе
хроматической
дисперсии,
т.е.
возвращает
световым
импульсам
их
первоначальную интенсивность. Компенсатор хроматической дисперсии
134
сужает импульсы и тем самым частично компенсирует расширение
импульсов и их перекрытие, которое происходит в ОВ из-за дисперсии
материала и разброса времени пробега.
Наибольшее применение в технике оптической связи получили
ретрансляторы с преобразованием оптического сигнала в электрический и
последующей обработкой и регенерацией сигнала электронными схемами
(рис. 5.11).
Вх
б
в
ПрОМ
г
УО
ж
e
ПУ
РУ
Вых
ФВИ
ПОМ
д
ВТЧ
Рис. 5.11 – Структурная схема ретранслятора
Преобразование принятого оптического сигнала в электрический,
проходит за несколько этапов обработки: усиление, ограничение по
амплитуде,
подавление
влияния
помех
и
линейных
искажений,
формирование импульсов требуемой формы и фазы. Преобразование
принятого сигнала рассмотрено на примере структурной схема регенератора
(рис. 5.11), временные диаграммы работы приведены на рис. 5.12.
С
выхода
передатчика
оконечной
станции
или
предыдущего
регенератора передается сигнал Uп (рис. 5.12а). На вход приемного
оптического модуля ПрОМ поступает оптический сигнал, который в линии
подвергался воздействию помех, линейных и нелинейных искажений.
ПрОМ преобразует оптический сигнал в электрический Uпр (рис.5.12б),
усиливает его, фильтрует и подает на усилитель ограничитель УО, с выхода
которого сигнал (рис. 5.12в) подается на вход порогового устройства ПУ,
которое
формирует
импульсы
длительности,
определяемой
уровнем
порогового напряжения Uпор (рис. 5.12 в,г). Уровень порогового напряжения
135
определяет помехоустойчивость ретранслятора, поэтому подстраивается с
помощью схем автоматического регулирования усиления (АРУ).
Uп
1
1
0
1
0
0
1
а
t
Uпр
б
t
Uпор
в
t
г
t
д
t
е
t
ж
t
Рис. 5.12 – Временные диаграммы работы ретранслятора
Пороговое устройство формирует импульсы (рис. 5.12г), которые
поступают на вход решающего устройства РУ. На второй вход решающего
устройства подаются импульсы с выделителя тактовой частоты ВТЧ (рис.
5.12д). Импульсы с выхода РУ (рис. 5.12е) подаются на устройство
формирования выходных импульсов ФВИ, которое вырабатывает импульсы
(рис. 5.12ж) заданной длительности, амплитуды, фазы и формы. Передающий
оптический модуль ПОМ преобразует электрический сигнал в оптический.
Таким образом, ретранслятор полностью восстанавливает все параметры
оптических сигналов, передаваемых по линии связи.
136
Длина усилительного участка линий современных транспортных
цифровых систем передачи обычно составляет величину порядка 100 км,
длина регенерационного участка – более 500 км. Расстояния определяются,
главным образом, затуханием в оптическом волокне. Влияние дисперсии
снижают за счет применения компенсаторов, дисперсия которых по знаку
противоположна дисперсии оптического волокна.
Оптические
регенераторы.
В
настоящее
время
разработаны
полностью оптические регенераторы. Достоинством таких регенераторов
является то, что возможно создать сети прозрачные для оптического сигнала.
Использование таких регенераторов позволяет снизить потребление энергии,
уменьшить вес, габариты и повысить надежность оборудования. Например,
размеры модуля могут быть 19 х 39 мм. Пространственное разделение
индивидуальных
каналов
для
последующей
обработки
сигналов
и
последующее их объединение в один оптический поток производится
соответственно
оптическими
демультиплексором
и
мультиплексором.
Полностью оптический регенератор (3R – resharping, reforming, retiming)
описан во многих работах.
На рис. 5.13а – представлена схема последовательности операций при
регенерации оптического цифрового сигнала, на рис. 5.13б – осциллограммы
сигналов в процессе регенерации. Таким образом, использование в главном
оптическом тракте полностью оптических ОУ, компенсаторов дисперсии и
оптических регенераторов свидетельствует о том, что для протяженных
ВОСП задача полной фотонизации на участке ОЛТ может считаться решенной.
Одной из ключевых проблем при создании полностью оптических 3Rрегенераторов
цифровых
оптических
сигналов
является
выделение
синхрочастоты (тактовой частоты) цифровых сигналов.
Однако в оконечных пунктах этих ВОСП, а также для гибкого и
эффективного управления и конфигурирования оптических сетей, особенно
оптических сетей доступа, проблема далека от решения. Как уже отмечалось,
137
для ее разрешения необходимы полностью оптические процессоры,
основанные также на полностью оптических элементах, о которых
говорилось выше.
Вход искаженных сигналов
Оптическая мощность
Усилитель для
восстановления
амплитуды
Время
Выделение
тактовой
частоты
Восстановление
формы и временных
соотношений
Выход регенератора
а)
б)
Рис. 5.13 – Схема последовательности операций при регенерации
оптического цифрового сигнала (а) и осциллограммы сигналов в процессе
регенерации (б)
5.5 Усиление оптических сигналов
При прохождении цифрового сигнала по линии связи он ослабляется,
помехи, линейные и нелинейные искажения изменяют форму и длительность
импульсов, их начальную фазу. Поэтому через определенное расстояние
линии
связи
сигналы
необходимо
усиливать,
а
после
несколько
усилительных пунктов – регенерировать, т.е. восстанавливать амплитуду,
форму и фазу цифровых сигналов.
Оптические усилители позволяют повысить мощность сигнала без
промежуточного преобразования оптического сигнала в электрический.
138
Применение оптических усилителей позволяет существенно увеличить
регенерационный участок.
Усиление света в оптических системах осуществляется за счет энергии
внешнего источника. Основой усилителя является активная физическая
среда, в которой благодаря энергетической подкачке увеличивается
мощность
излучения.
В
качестве
активной
среды
применяются
полупроводники и оптические волокна с различными примесями, например,
редкоземельными эрбием (Er), неодимом (Nd), празеодимом (Pr), тулием
(Tm). Накачка этих сред осуществляется непрерывно или импульсно.
В настоящее время широкое распространение получили волоконнооптические усилители (ВОУ) на оптическом волокне, легированном эрбием
(Erbium Doped Fiber Amplifier – EDFA), а также на волокне, легированном
другими
редкоземельными
рамановские
усилители
элементами.
(Raman
Перспективными
Amplifier
–
RA),
являются
использующие
нелинейные эффекты в оптическом волокне. Далее рассматриваются ВОУ на
волокне, легированном редкоземельными элементами, которые получили в
настоящее время наиболее широкое распространение.
Усилитель EDFA состоит из отрезка волокна, легированного эрбием. В
таком волокне сигналы определенных длин волн могут усиливаться за счет
энергии внешнего излучения накачки. В простейших конструкциях EDFA
усиление происходит в достаточно узком диапазоне длин волн.
Редкоземельный элемент эрбий добавляют в малых количествах в
отрезок волокна (обычно длиной несколько метров) центральной кремниевой
жилы. При прохождении по нему слабого информационного сигнала,
например длиной волны 1550 нм, в отрезок волокна дополнительно лазером
накачки вводится световой пучок с несколько меньшей длиной волны, что
препятствует их интерференции. Обычно для накачки используют лазерный
диод, излучающий на длине 1480 нм. В результате взаимодействия с
квантами светового пучка накачки электроны в ионах эрбия переходят на
более
высокий
квазистационарный
139
энергетический
уровень.
При
прохождении по такому отрезку сигнала с длиной волны, соответствующей
окну прозрачности волокна (1550 нм), возникает индуцированное излучение
с равной или очень близкой длиной волны. Обычно усиление достигается в
диапазоне длин волн 1530 ÷ 1640 нм.
Активной
средой
усилителя
является
одномодовое
волокно,
сердцевина которого легируется примесями редкоземельных элементов с
целью создания трехуровневой атомной системы, рис. 5.14. Лазер накачки
возбуждает электронную подсистему примесных атомов. В результате чего
электроны из основного состояния (уровень А) переходят в возбужденное
состояние (уровень В). Далее происходит релаксация электронов с уровня В
на промежуточный уровень С. Когда заселенность уровня С становится
достаточно высокой, так что образуется инверсная заселенность уровней А и
С, то такая система способна индуцировано усиливать входной оптический
сигнал в определенном диапазоне длин волн. Если же входной сигнал
нулевой, то происходит спонтанное излучение возбужденных атомов
примесей, приводящее к шуму.
Уровень В
Уровень С
Энергия
hvca
Уровень А
Рис. 5.14 – Энергетическая диаграмма уровней атомной
системы усилителя на примесном волокне
Усилители
EDFA
широко
используются
в
системах
DWDM.
Применение усилителей EDFA позволяет создавать полностью оптические
140
сети, в которых обработка сигнала электронными компонентами происходит
только в начальной (где информация впервые попадает в сеть) и конечной
(где информация достигает конечного получателя) точках сети.
Разработка различных схем мощной накачки позволила создать
усилители EDFA с расширенным рабочим диапазоном от 1570 нм до 1605 нм
(L-диапазон).
Такие
усилители
также
называют
длинноволновыми
усилителями LWEDFA (Long Wavelength EDFA).
Лазеры накачки. Важнейший компонент усилителя EDFA – лазер
накачки. Он является источником энергии, за счет которой усиливается
оптический сигнал. Энергия лазера накачки распределяется в усилителе
EDFA между всеми оптическими каналами. Чем больше число каналов, тем
большая требуется мощность накачки. В усилителях EDFA, рассчитанных на
большое количество каналов, часто используется несколько лазеров накачки.
Для накачки усилителей EDFA подходят лазеры с длинами волн
излучения 980 нм и 1480 нм. Излучение обеих длин волн соответствует
уровням энергии возбужденных ионов и хорошо поглощается волокном,
легированным эрбием. Однако при выборе того или иного типа лазеров
накачки приходится идти на компромисс. С одной стороны, усилители EDFA
с лазерами 980 нм обладают более низким коэффициентом шума, чем
усилители с лазерами 1480 нм, что лучше для многоканальных систем и
предусилителей систем DWDM. С другой стороны, использование лазеров
1480 нм позволяет создать более мощные усилители за меньшую цену.
Выбор осложняется тем, что тип лазеров накачки необходимо определить в
самом начале проектирования сети, когда еще не известно окончательное
число каналов и достаточно сложно определить, что важнее - высокая
мощность усилителя или низкий уровень его шума. В некоторых усилителях
EDFA используется накачка на двух длинах волн, что позволяет совместить
преимущества обоих способов.
В зависимости от места включения ВОУ в линию связи усилители
делятся на несколько типов:
141
- усилители мощности (УМ) или бустеры, которые включаются на
выходе передатчика (П);
- промежуточные или линейные усилители (ЛУ) устанавливаются
вдоль линейного тракта (обычно каждые 100 км);
- предварительные усилители (ПУ) включаются на входе приемника
(Пр).
В отличие от диаграммы уровней тракта (см. рис. 2.15) на диаграмме
рис. 5.15 показано, что восходящие участки, соответствующие усилению
сигнала, имеют достаточно большую протяженность. Это объясняется тем,
что ВОУ распределен в пространстве, поскольку основным элементом
усилителя является свернутое в кольцевую бухту волокно, легированное
редкоземельными элементами.
П
УМ
ЛУ
ЛУ
ПУ
Пр
р, дБ
l, км
Рис. 5.15 – Оптические усилители в линии связи
Усиление сигнала реализуется за счет лазера, который накачивает
энергию в легированное волокно усилителя. Схемы усилителей приведены
на рис. 5.16.
142
а)
АОВ
Вход ОИ
ОФ
НО
λс = 1550 нм
λ = 1480 нм
б)
Выход
ОИ
λс = 1550 нм
Лазер
накачки
АОВ
Вход ОИ
λс = 1550 нм
Лазер
накачки
ОФ
НО
Выход
λс = 1550 нм
λ = 980 нм
в)
ОИ
АОВ
Вход ОИ
НО
НО
Выход
λс = 1550 нм
λс = 1550 нм
Лазер
накачки
ОИ
λ = 1480 нм
λ = 980 нм
Лазер
накачки
Рис. 5.16 – Схемы волоконно-оптических усилителей
Накачка энергии в волокно обычно происходит со стороны,
противоположной поступающему на усилитель информационному сигналу
(рис. 5.16а), но может производиться и с другой стороны (рис. 5.16б), а также
с двух сторон одновременно (рис. 5.16в). Во всех случаях длина волны лазера
накачки (λ = 1480 нм или λ = 980 нм) короче, чем длина волны, на которой
идет передача информационного сигнала (λ = 1550 нм).
143
Энергия лазера накачки возбуждает атомы примеси оптического
волокна и при поступлении информационного сигнала атомы переходят из
возбужденного состояния в основное, при этом излучают свет с той же
длиной волны и фазой, что и сигнал, вызвавший этот переход.
Накачка
излучения
лазера
производится
через
направленный
ответвитель (НО). Входной сигнал поступает в волокно усилителя через
оптический изолятор (ОИ) и оптический фильтр (ОФ). Оптический изолятор
ОИ пропускает свет в прямом направлении и не пропускает в обратном.
Оптический фильтр ОФ прозрачен для информационного сигнала и не
прозрачен для излучения с длиной волны накачки.
Схема усилителя с обратной (противонаправленной) накачкой (рис.
5.16а) используется, главным образом, в усилителях мощности (бустерах),
поскольку обеспечивает большой коэффициент усиления при сравнительно
высоком уровне шума. Прямое (сонаправленное) направление накачки (рис.
5.16б) характеризует низкий уровень шумов, поэтому используется в
предварительных усилителях приемных модулей. Схема двунаправленной
накачки (рис.5.16в) обладает как достоинствами, так и недостатками
усилителей (рис. 5.16а,б), она используется в линейных усилителях.
Для
управления
и
контроля
работы
усилителя
разработаны
микропроцессорные устройства в виде сверхбольших интегральных схем,
которые вместе с бухтой легированного оптического волокна монтируются
на плате, образуя ВОУ.
Усиление ВОУ зависит от мощности накачки и уровня входного
сигнала. С ростом мощности накачки коэффициент усиления растет,
достигая насыщения при некотором значении мощности накачки, которое
оговаривают в параметрах усилителя. Амплитудная характеристика ВОУ
задается в виде зависимости усиления от уровня входного сигнала. При
превышении входным сигналом уровня шума и до некоторого предельного
значения коэффициент усиления остается постоянным (линейный участок
амплитудной характеристики). Это определяет динамический диапазон
144
входных сигналов. Область снижения коэффициента усиления более 3 дБ
характеризуется мощностью насыщения, которая также задается среди
параметров усилителя.
Поскольку
технология
DWDM
предусматривает
использование
стандартного диапазона С, где длина волны 1530 ÷ 1560 нм, то в этом
диапазоне
амплитудно-частотная
характеристика
(АЧХ)
волоконно-
оптических усилителей должна иметь примерно постоянное значение
затухания (чувствительности). При этом для всего диапазона используется
один ВОУ.
При анализе амплитудно-частотных характеристик (АХЧ) волоконнооптических усилителей обычно сравнивают между собой эрбиевые (EDFA) и
рамановские (RA) усилители. Принцип действия рамановских усилителей
основан на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в
обычном
(не
легированном)
оптическом
волокне.
Накачка
энергии
происходит со стороны приемного модуля, поэтому наиболее эффективное
усиление передаваемых сигналов происходит на удалении от передатчика,
ближе к приемнику.
АЧХ рамановского усилителя RA смещена в сторону больших длин
волн по сравнению с усилителями EDFA. Поэтому данные усилители (EDFA
и
рамановские)
комбинируют,
чтобы
реализовать
широкополосные
устройства, т.е. получают гибридные оптические усилители на базе EDFA и
рамановского эффекта (рис. 5.17).
Рис. 5.17 – Гибридный оптический усилитель
145
Они помогают добиться необходимого отношения сигнал/шум в
системах DWDM и достичь больших расстояний между усилителями. При
этом легированный участок накачивается удаленно через передающее
оптоволокно, в котором происходит рамановское усиление. ВОУ могут иметь
большую неравномерность амплитудно-частотной характеристики, что
неприемлемо для многоволновых систем передачи с WDM. Известен ряд
решений по сглаживанию АЧХ эрбиевых усилителей и расширению их
полосы частот, например, применением автоматически перестраиваемых
аттенюаторов
по
каждой
волне
передачи.
На
практике
возможно
использование каскадного включения эрбиевого и рамановского усилителей
с
дополнительным
фильтром-выравнивателем
(корректором),
которое
позволяет увеличить полосу усиления до 100 нм (рис. 5.18). Такое включение
уменьшает величину шума усиленной спонтанной эмиссии ASE.
Рис. 5.18 – АЧХ комбинированного оптического усилителя
Влияние шумов ВОУ накапливается от усилителя к усилителю, в
частности, накапливаются фазовые искажения сигнала. Поэтому в линейном
тракте не может быть более 4 ÷ 5 усилителей подряд. После этого
необходима регенерация сигналов.
Большие возможности по реализации широкополосных ВОУ дает
применение новых легирующих материалов, в частности туллия.
146
Вопросы по разделу 5
1. Что такое оптический усилитель?
2. Почему возможно усиление света?
3. Как классифицируются оптические усилители?
4. Каким требованиям должны удовлетворять оптические усилители систем
передачи?
5. Какие виды полупроводниковых оптических усилителей могут быть
использованы в ВОСП?
6. Что представляют собой редкоземельные элементы?
7. Какие устройства входят в состав оптического усилителя?
8. Сколько энергетических уровней задействовано в атомах эрбия для
усиления?
9. На каких длинах волн у атомов эрбия наблюдается поглощение энергии?
10. Что порождает шум оптических усилителей?
11. Чем определяется величина усиления ВОУ?
12. Каким образом корректируется АЧХ усилителя?
13. Чем принципиально отличаются усилители на основе эффекта рассеяния
от волоконных усилителей с редкоземельными материалами?
14. Какой оптический спектр используется для передачи коммуникационных
сигналов?
15. Какие существуют способы построения линейных трактов ВОСП?
Достоинства, недостатки, область применения каждого способа.
16. Какие
способы
уплотнения
ВОЛС
Вам
известны?
Достоинства,
недостатки область применения каждого способа.
17. В чем заключатся принцип спектрального уплотнения?
18. Сколько окон прозрачности рекомендованы МСЭ для освоения?
19. Какие факторы ограничивают длину участка ретрансляции?
20. Какие типы источников оптического излучения применяются в системах
со спектральным уплотнением?
21. Как выглядит схема оптического передатчика?
147
22. Как выглядит схема оптического приемника?
23. Объясните необходимость использования линейных кодов в ОЛТ?
24. Поясните необходимость использования ретрансляторов в ОЛТ? Какие
ретрансляторы Вам известны?
Упражнения по разделу 5
1.
Нарисуйте
структурную
схему
ОЦСПС,
поясните
назначение
элементов.
2.
Нарисуйте структурную схему оптического передатчика. Поясните
назначение элементов.
3.
Нарисуйте структурная схема оптического усилителя. Расскажите, как
он функционирует.
4.
Нарисуйте структурную схему ретранслятора и временные диаграммы
его работы. Прокомментируйте его функционирование
.
148
6 СИСТЕМЫ И СЕТИ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ
6.1 Общие сведения о системах беспроводной связи
Для обеспечения передачи информации в труднодоступной местности
(горы, болота), а также в условиях малоэтажной застройки отдельных
городских кварталов, где экономически не выгодно прокладывать медные
или оптические кабели, широко используются системы и сети беспроводной
связи (радиосвязи). В этом случае электромагнитные сигналы передаются по
радиоканалам систем сотовой и спутниковой связи, по радиорелейным
линиям и беспроводным сетям широкополосного доступа.
Беспроводная
(излучения)
связь
–
электромагнитных
процесс
волн
свободного
в
открытом
распространения
пространстве.
Электромагнитная волна характеризуется тремя основными параметрами,
связанными между собой, соотношением:
 vf ,
где
λ – длина волны (м);
f – частота (Гц);
v – скорость распространения в среде (м/сек).
Для радиосвязи справедливо соотношение:   с / f , где c = 3 108 м/с –
скорость света. Таким образом, длина волны (λ) и частота гармонического
колебания (f) связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью
  3 108 / f и f  3  108 /  , которая говорит о том, что с резким увеличением
частоты длина волны существенно уменьшается.
Беспроводная
среда
образуется
совокупностью
радиоканалов,
которые размещаются в нескольких стандартных частотных диапазонах. Весь
спектр электромагнитных излучений (0,03 Гц  3000 ГГц), в соответствии с
рекомендациями Международного союза электросвязи (МСЭ), условно
149
разбит на 17 диапазонов частот. Каждый диапазон занимает полосу частот
(0,3  3) 10N Гц, где N – порядковый номер диапазона от -1 до 15.
В радиосвязи используются 9 диапазонов с N = 4  12, для которых в
таблице 6.1 приведены частотные и метрические наименования. Эволюция
систем беспроводной связи предусматривает использование все более
коротковолновых (высокочастотных) радиодиапазонов.
Таблица 6.1
Диапазоны радиоволн и радиочастот
№
Радиоволны
N
п/п
Радиочастоты
Наименование
Диапазон
Наименование
Диапазон
Очень низкие (ОНЧ)
3  30 кГц
1
4
Сверхдлинные
(Мириаметровые)
10  100 км
2
5
Длинные
(Километровые)
1  10 км
3
6
Гектометровые
100  1000 м
Средние (СЧ)
300  3000 кГц
4
7
Декаметровые
10  100 м
Высокие (ВЧ)
3  30 МГц
5
8
Метровые
1  10 м
Очень высокие (ОВЧ)
30  300 МГц
6
9
Дециметровые
10  100 см
Ультравысокие (УВЧ)
300  3000 МГц
7
10
Сантиметровые
1  10 см
Сверхвысокие (СВЧ)
3  30 ГГц
8
11
Миллиметровые
1  10 мм
Крайне высокие (КВЧ)
30  300 ГГц
9
12
Децимиллиметровые
0,1  1 мм
Гипервысокие (ГВЧ)
300  3000 ГГц
Низкие (НЧ)
30  300 кГц
Для организации определенного вида радиосвязи требуется система
радиосвязи –
комплекс
радиотехнического
оборудования
и
других
технических средств, предназначенный для организации связи в заданном
диапазоне
частот
с
использованием
определенного
механизма
распространения радиоволн [11]. На рис. 6.1 приведена обобщенная
структурная схема систем радиосвязи.
150
Антенна
передающая
Антенна
приемная
Фидер
передающей
антенны
Радиопередатчик
C(t)
Фидер
приемной
антенны
S(t)
Радиоприемник
S(t)
C(t)
Рис. 6.1 – Структурная схема системы радиосвязи
Основными техническими элементами любой системы радиосвязи
являются: радиопередатчик, радиоприемник, антенна и фидер.
Радиопередатчик
предназначен
для
преобразования
исходного
(первичного) сигнала электросвязи С(t), отображающего передаваемое
сообщение, в радиочастотный сигнал S(t), который через фидер передающей
антенны, подводится к самой антенне.
Радиоприемник выполняет обратную функцию – из радиочастотного
сигнала S(t), принимаемого антенной он восстанавливает исходный сигнал
электросвязи С(t).
Антенна
–
это
техническое
устройство,
предназначенное
для
излучения и приема радиоволн, поэтому различают передающие и приемные
антенны.
Фидер – это электрическая цепь и ее вспомогательные устройства (не
представленные на рисунке), с помощью которых энергия радиочастотного
сигнала подводится от радиопередатчика к антенне или от антенны к
радиоприемнику [12]. В фидерах радиочастотные сигналы распространяются
в виде направляемых электромагнитных волн, которые связаны с зарядами и
токами, а в открытом пространстве электромагнитные волны становятся
свободными, т.е. радиоволнами.
Таким
образом,
на
передающей
стороне
системы
радиосвязи
передающая антенна преобразует связанные электромагнитные сигналы в
радиоволны, а на приемной стороне происходит обратный процесс.
151
Приемная антенна преобразует радиоволны в связанные электромагнитные
сигналы, которые по фидеру подаются на вход радиоприемника.
Совокупность передатчика, приемника, антенны с фидером образуют
радиостанцию. Совокупность радиостанций, имеющих общую среду
распространения,
сооружения,
направлении,
и
общую
систему
обеспечивающих
образуют
обслуживания,
радиосвязь
радиолинию,
а
в
общие
одном
совокупность
линейные
азимутальном
радиолиний,
работающих на одной, общей для всех абонентов, частоте или группе частот
– радиосеть.
В качестве линии связи в системе радиосвязи выступает открытое
пространство – естественная среда распространения радиоволн, которая,
безусловно, влияет на качество и характер связи. Причем, сигнал между
радиопередатчиком и радиоприемником может распространяться по одной из
комбинаций существующих сред распространения: поверхность Земли
(суша, вода), атмосфера Земли (тропосфера, стратосфера, ионосфера) и
космическое пространство. В этом случае, большая часть энергия радиоволн,
излучаемых передающей антенной, поглощается их средой распространения,
а также различными препятствиями. Приемной антенне удается уловить из
окружающей среды только ее малую часть. Тем не менее, при грамотной
организации процесса радиосвязи энергии, принятой антенной, вполне
достаточно для качественной работы радиоприемника.
В настоящее время выделяют два основных вида радиосвязи –
наземную и космическую.
Наземная радиосвязь – радиосвязь, в которой применяют системы
передачи, находящиеся на поверхности Земли и в основной части земной
атмосферы, исключая космическую радиосвязь и радиоастрономию.
Космическая радиосвязь – радиосвязь, организация работы которой
выходит за пределы основной части атмосферы Земли. Как правило, для
организации космической радиосвязи используют искусственные спутники
Земли (ИСЗ) или другие космические объекты.
152
Спутниковая
осуществляющая
радиосвязь
–
информационный
это
космическая
контакт
радиосвязь,
Земля-космос
путем
ретрансляции радиосигналов через один или несколько ИСЗ.
Придерживаясь такой классификации по видам радиосвязи, различают
наземные и спутниковые системы и сети передачи, для которых установлена
принадлежность к той или иной службе радиосвязи (радиослужбе) [14].
Служба радиосвязи включает передачу, излучение и/или прием радиоволн
для определенных целей электросвязи.
Всего существует несколько десятков радиослужб (рис. 6.2), для
которых определены полосы частот и которые отличаются одна от другой,
средой распространения радиоволн и видом назначения сообщения,
содержащегося в излучаемом радиосигнале.
Спутниковые
системы
радиосвязи
Службы
радиосвязи
Наземные
системы
радиосвязи
Сухопутная
Фиксированная
спутниковая
Фиксированная
наземная
Воздушная
фиксированная
Морская
Подвижная
спутниковая
Подвижная
наземная
Сухопутная
Воздушная
Вещательная
спутниковая
Вещательная
наземная
Морская
Любительская
спутниковая
Любительская
наземная
Воздушная
Метеослужба
спутниковая
Метеослужба
наземная
Спутниковая
частоты
и времени
Наземная
частоты
и времени
Спутниковая
радиоопределения
Наземная
радиоопределения
Исследования
Земли
Наземная
безопасности
Космических
исследований
Наземная
радиоастрономии
Космической
экспуатации
Специальная
наземная
Наземная
радиолокации
Наземная
радионавигации
Рис. 6.2 – Классификация служб радиосвязи
153
В зависимости от назначения и особенностей систем и сетей
радиосвязи МСЭ рекомендованы различные частотные диапазоны. Три
диапазона: 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц выделены для использования в
промышленности, науке и медицине (Industrial, Scientific, Medical – ISM).
Системы радиосвязи, работающие в указанных диапазонах, не требуют
лицензирования,
поэтому
они
и
используются
для
строительства
большинства беспроводных локальных и глобальных сетей связи. Более
низкие диапазоны радиочастот (от 3 кГц до 3 МГц) увеличивают расстояние
передачи и улучшают распространение радиоволн внутри зданий, но при
этом уменьшается число каналов и, следовательно, снижается число
пользователей радиосвязью.
Одним из неоспоримых достоинств высокочастотных диапазонов (от
30 МГц до 30 ГГц) является большой частотный ресурс, что позволяет
создавать радиосистемы передачи информации с высокой скоростью
передачи и радиосети с большим количеством пользователей. Однако,
переход в диапазоны СВЧ (от 300 МГц до 300 ГГц) снижает дальность
радиосвязи, так как в указанных диапазонах расстояние «радиовидимости»
незначительно
дальность
превышает
беспроводной
расстояние
связи
прямой
позволяет
видимости.
принцип
Увеличить
переприема
(ретрансляции) радиосигнала.
В зависимости от способа ретрансляции сигнала различают виды и,
соответственно, системы радиосвязи:
- радиорелейную связь;
- спутниковую связь;
- сотовую связь.
Радиорелейная связь – вид наземной радиосвязи, для которой
определены диапазон СВЧ (от 2 до 30 ГГц) и часть диапазона КВЧ до 58 ГГц.
В каждом диапазоне рекомендациями МСЭ-Р предусмотрено распределение
радиочастот приема и передачи информации.
154
Для организации радиорелейной связи на большие расстояния строят
радиорелейные линии в виде цепочки промежуточных радиорелейных
станций
(ПРС),
выполняющих
функцию
ретрансляции
сигнала,
и
увеличивают высоту установки антенн с помощью антенных опор (мачт).
Установка передающей и приемной антенн на высоту 100 м позволяет
увеличить дальность связи на пролете до 80 км (рис. 6.3).
ПРС 2
ПРС 3
ПРС 4
ПРС 1
R = 40 - 80 км
Рис. 6.3 – Радиорелейная линия связи
В настоящее время в магистральных радиорелейных линиях цифровые
потоки данных, преимущественно, передаются со скоростью 155 Мбит/с
(поток STM-1 системы SDH). Для передачи потоков Ethernet со скоростью до
2,5
Гбит/с
используется
технология
пакетного
радиокадра
без
промежуточной инкапсуляции кадров Ethernet в кадры TDM.
Спутниковая связь – вид космической радиосвязи в диапазонах
частот от 40 МГц до 40 ГГц, где в качестве ретранслятора сигнала
используют ИСЗ. Спутниковые линии связи осуществляют радиосвязь
между земными станциями (ЗС) (как стационарными, так и подвижными) и
космическими станциями (КС), в роли которых выступает ИСЗ.
Последний, обычно, выносят на очень большую высоту (от 500 до 40000 км)
от поверхности Земли, что обеспечивает дальность радиосвязи между ЗС в
пределах 10000  17000 км (рис. 6.4). Вращение спутника-ретранслятора
вокруг Земли происходит по заданным орбитам.
155
КС (ИСЗ)
ЗС2
ЗС 1
R = 1000 км
Рис. 6.4 – Спутниковая линия связи
Всего для построения систем спутниковой связи используют три
разновидности ИСЗ – на высокой эллиптической, геостационарной и
низковысотной орбитах. Из указанных разновидностей, особый интерес
представляет геостационарный спутник или ИСЗ на геостационарной орбите.
Геостационарная орбита – это экваториальная круговая орбита,
находящаяся над Землей на высоте около 35800 км. Период обращения
геостационарного спутника равен земным суткам, поэтому он кажется
неподвижным (стационарным) относительно поверхности Земли и как бы
висит над определенной точкой экватора. Геостационарные спутники
используются
в
системах
связи,
цифровом
телевидении
и
других
радиосистемах. Трех таких спутников, расположенных в экваториальной
плоскости через 1200 по дуге, оказывается достаточным для организации
глобальной системы связи.
Спутники на эллиптической орбите (с определенным углом наклона к
экваториальной орбите) постоянно изменяют свое положение над земной
поверхностью – вращаются вокруг Земли. Поэтому для обеспечения
непрерывной связи необходимо запускать несколько спутников с наклонной
орбитой.
Обычно
из
каждой
точки
Земли
видно
несколько
ИСЗ
одновременно, аппаратура ЗС взаимодействует с тем спутником, уровень
сигнала которого наибольший.
156
В настоящее время среди систем космической радиосвязи широкое
распространение
получили
системы
радионавигации.
Например,
отечественная глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС)
предназначена
для
оперативного
навигационного
обеспечения
пользователей, находящихся на земле, на море, в воздушном или
космическом пространстве с точностью позиционирования до одного метра.
Основу этой системы составляют 24 спутника, которые движутся над
поверхностью Земли в трёх орбитальных плоскостях с наклоном 64,8° на
высоте 19100 км. Число спутников может быть увеличено до 30.
Аппаратура системы «ГЛОНАСС» функционирует в диапазоне УВЧ
(1,1  1,6 ГГц) и использует различные методы разделения каналов, в том
числе, множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA). При
передаче сигналов используются двоичная фазовая манипуляция (BPSK),
квадратурная амплитудная модуляция (QAM), принцип действия которых
рассмотрен в разделе 2.1.
Принцип действия системы ГЛОНАСС аналогичен американской
системе навигации NAVSTAR GPS. Разработанные наземные навигаторы,
как правило, взаимодействуют с обеими системами «ГЛОНАСС / GPS», что
обеспечивает повышенную надежность и точность их работы.
Сотовая связь – один из видов мобильной (подвижной) радиосвязи, в
основе которого лежит сотовая сеть. Особенность систем сотовой связи
заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты),
определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты
частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без
застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг,
поэтому составленная из них сеть, имеет вид сот с шестиугольными
ячейками (рис. 6.5).
Сеть составляют разнесенные в пространстве приемопередатчики БС,
работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее
оборудование,
позволяющее
определять
157
текущее
местоположение
подвижных
абонентов
и
обеспечивать
непрерывность
связи
при
перемещении абонента из зоны действия одной БС в зону действия другой. В
России большинство операторов сетей сотовой связи работают в диапазонах
ОВЧ и СВЧ, а именно, 2,6 ГГц, 1,8 ГГц и 800 МГц.
БС
БС
БС
БС
БС
БС
БС
Рис. 6.5 – Сеть сотовой связи
Таким образом, практически все современные системы и сети
беспроводной
связи
функционируют
в
радиодиапазоне
СВЧ,
что
обеспечивает требуемый объем, скорость и качество передачи информации
определенного вида радиосвязи.
Для организации связи диапазона СВЧ во всех существующих
радиосистемах (см. рис. 6.1) используется ряд общих моментов, связанный со
спецификой передачи исходного (первичного) сигнала С(t) по радиолинии.
Дело в том, что первичные сигналы, как правило, являются низкочастотными
(НЧ) и предназначены лишь для передачи по проводным линиям связи. Для
передачи сообщений в беспроводной среде используются специальные
высокочастотные
колебания
(сигнал
переносчики),
которые
хорошо
распространяются в открытом пространстве. Сами переносчики не содержат
информацию о передаваемом сигнале. Для того чтобы заложить в них эту
информацию выполняется операция модуляции, которая заключается в
изменении одного или нескольких параметров переносчика по закону
158
передаваемого сигнала. Устройство, выполняющее эту операцию называют
модулятором.
Модуляция в современных системах радиосвязи, чаще всего,
происходит не на рабочей частоте радиолинии (fнес) диапазона СВЧ, а на
промежуточной частоте (ПЧ). Так проще получить высокие качественные
параметры модулированных сигналов, а оборудование линейного тракта
становится более стандартным и не зависит от диапазона частот радиолинии.
Последнее обстоятельство позволяет производителям аппаратуры выпускать
наборы унифицированного оборудования, отличающегося только рабочей
несущей частотой.
Формирование радиочастотного сигнала S(t) происходит в одном из
ключевых
элементов
передатчика
СВЧ
–
смесителе
передатчика,
выполняющем процесс преобразования сигнала ПЧ в сигнал СВЧ.
Сформированный сигнал СВЧ излучается антенной в пространство, и
становится доступным для приема в радиусе действия антенны. При
получении сигнал S(t) обрабатывается приемником СВЧ; преобразуется в
сигнал ПЧ смесителем приемника; демодулируется по ПЧ в демодуляторе и
из него выделяется полезная часть С(t) (информация, которую передали).
С учетом сказанного, в самом элементарном виде структурную схему
современной системы радиосвязи, можно представить в виде модулятора
(Мд),
передатчика
СВЧ
(Пд)
с
антенной,
радиолинии
(открытого
пространства), приемника СВЧ (Пм) с антенной и демодулятора (Дм), как это
показано на рисунке 6.6.
fнес
СВЧ
С(t)
НЧ
Мд
fпч
ПЧ
Пд
S(t)
S(t)
СВЧ
СВЧ
Пм
fпч
Дм
ПЧ
Рис. 6.6 – Упрощенная структурная схема радиоканала
159
С(t)
НЧ
В системах связи совокупность модулятора и демодулятора называют
модемом, который совместно с приемопередатчиками СВЧ и средой
распространения радиоволн, формируют радиоканал, обеспечивающий
передачу сигналов от источника к приемнику информации.
Как правило, современные системы радиосвязи помимо прямого канала
содержат
обратный
канал,
двухсторонний
обмен
передаваемой
информации
что
позволяет
информацией,
за
но
счет
и
обеспечивать
не
только
повышать
достоверность
формирования
специальных
информационных и управляющих команд [13].
Большинство современных систем радиосвязи являются системами
множественного доступа, т.е. позволяют передавать по одной линии
одновременно множество сообщений от независимых источников Сi(t). В
этом случае формируется единый групповой сигнал Sгр являющийся
функцией этих сигналов. Системы множественного доступа, в свою очередь,
разделяют на многоканальные и многостанционные.
Многоканальность
достигается
использованием
аппаратуры
уплотнения (каналообразующих устройств). С ее помощью образуют сотни и
тысячи каналов ТЧ, каналы радиовещания, телевизионного вещания и
звукового сопровождения телевизионных передач. В свою очередь, каналы
ТЧ при необходимости могут быть уплотнены каналами телеграфной связи, а
несколько объединенных телефонных каналов заменены каналом передачи
факсимильных изображений и т.д.
Известно несколько способов, позволяющих организовывать такую
совместную
работу.
Это
частотное
разделение
каналов,
временное
разделение каналов, кодовое разделение каналов (см. разделы 3, 4, 5). В этой
связи различают аналоговые и цифровые системы передачи.
В многоканальных системах радиосвязи в режиме передачи групповой
сигнал Sгр(t) уже сформированным поступает на вход модулятора, в котором
осуществляется процесс модуляции ПЧ передатчика. На приеме после
предварительной обработки (фильтрации, усиления, и т.д.) происходит
160
демодуляция принятого сигнала и выделение группового сигнала Sгр(t) в
демодуляторе.
Многостанционные
системы
используют
для
обеспечения
одновременной связью большого числа стационарных и мобильных
абонентов, имеющих произвольное расположение на поверхности Земли. В
радиосвязи (спутниковой и наземной) такие системы называют системами
многостанционного доступа. В системах радиосвязи многостанционный
доступ осуществляется на общий частотный канал, при этом корреспонденты
(потребители) передают и принимают информацию независимо друг от
друга, когда в этом возникает необходимость.
Принципиальным отличием многостанционных систем радиосвязи от
многоканальных, в которых групповой сигнал Sгр(t) при передаче образуется
перед модуляцией несущей, служит то, что в них групповой сигнал
формируется непосредственно в канале распространения, т.е. на входе
приемника СВЧ. Кроме того, они не имеют временной синхронизации
источников
информации,
а
уровни
принимаемых
сигналов
могут
существенно различаться, например, в зависимости от удаленности
(различной протяженности трасс распространения).
Для
разделения
канальных
сигналов
системы
радиосвязи
с
многостанционным доступом используют те же методы разделения что и
многоканальные,
многостанционного
которые
доступа
соответственно
с
частотным,
называются
временным
методами
и
кодовым
разделением. Возможны и комбинированные методы доступа, полученные на
основе трех вышеперечисленных.
Еще одной характерной особенностью систем радиосвязи является то,
что некоторые из них могут быть многоствольными.
В широком смысле понимания любая система радиосвязи вместе со
средой распространения образует линейный тракт или радиоствол, который
предназначен
для
передачи
модулированных
радиосигналов
S(t)
на
расстояния. Для работы ствола выделяется собственная несущая частота
161
(fнес), согласно частотному расписанию системы. Для дуплексных систем
радиосвязи выделяются частоты для прямого и обратного направления.
Оборудование ствола размещают на оконечных и ретрансляционных
станциях. Если в состав радиоствола входят лишь две оконечные станции и
один тракт распространения, то такой ствол называют простым. Если кроме
этих двух станций ствол содержит одну или несколько ретрансляционных
станций, то его называют составным.
По радиостволу передаются многоканальные сигналы. При передаче
большого
объема
информации
в
системах
радиосвязи
используют
многоствольность – способность системы работать на нескольких несущих
частотах.
Магистральные
системы
радиосвязи,
проложенные
между
крупными городами, обеспечивают телефонную связь по нескольким
тысячам каналов. Организовать такую связь на одной несущей с одной
стороны технически сложно, с другой экономически не выгодно, поэтому для
работы радиосистем могут быть выделены несколько рабочих (несущих)
частот. На одной несущей частоте с помощью аппаратуры уплотнения может
быть организовано до 1920 телефонных каналов.
В многоствольных системах радиосвязи различают рабочие и
резервные стволы. Все стволы универсальны и предназначены для передачи
информационных сообщений. В зависимости от вида передаваемого сигнала
рабочие стволы могут быть телефонными, телевизионными и т.д. Сигнал,
передаваемый по телефонному стволу, называют групповым, а по
телевизионному
–
видеосигналом.
Иногда
между
станциями
для
осуществления служебных переговоров выделяют отдельный узкополосный
сигнал служебной связи. Резервные стволы включаются автоматически в
случае выхода из строя любого рабочего ствола, таким образом,
многоствольность
радиосистем
повышает
ее
надежность
и
работоспособность.
Многоствольный
принцип
построения
оборудования
широко
используют в ретрансляторах радиорелейных и спутниковых систем связи,
162
где каждому стволу отводят свой частотный диапазон. Например, для
бортовых ретрансляторов спутниковых систем связи в зависимости от
объема передаваемой информации отводятся полосы частот 20, 40, 120 МГц,
а число стволов в некоторых из них может достигать двух и более десятков.
6.2 Радиорелейные системы связи
Радиорелейные системы связи – используют принцип релейной
связи, позволяющий организовать передачу сообщений на значительные
расстояния путем ее переприема в промежуточных пунктах. Релейные линии
связи состоят из цепочки последовательно соединенных однопролетных
соединительных линий, в которых на промежуточных пунктах может
происходить выделение передаваемых по линии сообщений, их ретрансляция
или введение новых сообщений. Для осуществления радиорелейной связи
используют, как правило, стационарные объекты – радиорелейные станции в
виде цепочки ретрансляторов, которые могут быть как активными, так и
пассивными.
Пассивный ретранслятор – это наземное устройство, предназначенное
для ретрансляции радиосигнала путем его отражения или преломления. Он
представляет собой простой отражатель радиосигнала без какого-нибудь
приемопередающего оборудования и, в отличие от активных ретрансляторов,
не может усиливать полезный сигнал или переносить его на другую частоту.
Пассивные радиорелейные ретрансляторы применяются в случае отсутствия
прямой видимости между радиорелейными станциями; активные – для
увеличения дальности связи. В качестве пассивных ретрансляторов могут
выступать как плоские отражатели, так и антенны радиорелейных станций,
соединенные коаксиальными или волноводными вставками.
Различают два вида радиорелейной связи – тропосферную и прямой
видимости, которые образуют соответствующие линии связи.
163
Тропосферная связь – это радиосвязь, использующая эффект отражения
дециметровых и сантиметровых радиоволн от турбулентных и слоистых
неоднородностей тропосферы (рис. 6.7). Использование эффекта дальнего
тропосферного распространения УКВ позволяет организовать связь на
расстояние до 300 км при отсутствии прямой видимости между соседними
радиорелейными станциями. Дальность связи может быть увеличена до 700
км при расположении радиорелейных станций на возвышенностях. Для
тропосферной радиорелейной связи характерно сильное ослабление сигнала,
возникающее как при распространении сигнала через атмосферу, так и
вследствие рассеяния части сигнала при отражении от тропосферы. Поэтому
для устойчивой радиосвязи, преимущественно, используют передатчики
мощностью до 10 кВт, зеркальные антенны с большой площадью раскрыва
зеркал и высокочувствительные приемники с малошумящими элементами.
Область
тропосферы
R = 150 - 700 км
Рис. 6.7 – Тропосферная радиорелейная линия связи
Радиорелейная связь прямой видимости (ПВ) – это радиосвязь в
установленных пределах между передающей и приемной антеннами.
Требование наличия прямой видимости обусловлено возникновением
рефракционных замираний при полном или частичном закрытии трассы
распространения радиоволн. Потери при рефракционных замираниях могут
вызывать сильное ослабление сигнала, и радиосвязь между соседними
радиорелейными станциями станет невозможна. Поэтому для качественной
(устойчивой) радиосвязи антенны соседних радиорелейных станций, как
164
правило, располагают на естественных возвышенностях, или специальных
телекоммуникационных башнях (рис. 6.8) таким образом, чтобы трасса
распространения радиоволн не имела препятствий. С учетом ограничения на
необходимость наличия прямой видимости между соседними станциями
длина пролета, в среднем составляет, 30  60 км. С увеличением частоты
длина пролета уменьшается.
ПВ
R = 60 - 80 км
Рис. 6.8 – Однопролетная радиорелейная линия связи прямой видимости
В настоящее время для передачи радиорелейной связи прямой
видимости освоен весьма широкий диапазон СВЧ от 2 ГГц до 58 ГГц.
Рекомендациями МСЭ-Р, документами Государственной комиссии по
радиочастотам и Государственными стандартами определены полосы
радиочастот, в которых могут работать данные системы передачи. Эти
полосы (диапазоны) частот расположены вблизи 2, 4, 6, 8, 11, 13, 15, 18, 23,
27, 38, 55, 58 ГГц и выше. В каждом диапазоне рекомендациями МСЭ-Р
жестко регламентирован план распределения частот, но есть конкретные
частоты, на которых могут работать системы. Более занятыми являются
«нижние» диапазоны – 2, 4, 6 и 8 ГГц и в меньшей степени диапазоны 11, 13,
15 ГГц и выше.
Организация многопролетных радиорелейных линий основана на
принципе многократной ретрансляции сигнала, от станции к станции,
расположенных по одной линии. Для организации такой линии на дальние
расстояния могут быть использованы радиорелейные станции трех видов:
оконечные (ОРС), промежуточные (ПРС) и узловые (УРС) (рис. 6.9).
165
ПРС
СВ
С ВЧ
Ч
ОРС 2
ОРС 1
ТфОП
НЧ
НЧ
ТЦ
ТфОП
ТЦ
Рис. 6.9 – Двухпролетная линия радиорелейной связи прямой видимости
ОРС устанавливаются в крайних пунктах радиорелейной линии и
соединены с узлами коммутации сети связи (например, ТфОП), с
источниками и потребителями программ теле- и звукового вещания
(например, телецентрами (ТЦ)) и т.п.
Из основного оборудования ОРС (рис. 6.10) содержат модуляторы и
передатчики СВЧ (Пд) в направлении передачи сигналов и приемники СВЧ
(Пм) с демодуляторами в направлении приема. Для приема и передачи
сигналов СВЧ применяется одна антенна, соединенная с трактами приема и
передачи при помощи антенного разветвителя (дуплексера). Модуляция и
демодуляция информационных сигналов проводится в модемах на одной из
стандартных значений ПЧ (fпч = 70  1000 МГц). При этом модемы могут
работать
с
приемопередатчиками
СВЧ,
использующими
различные
частотные диапазоны. Передатчики СВЧ предназначены для преобразования
сигналов ПЧ в рабочий диапазон радиосигнала, а приемники – для обратного
преобразования и усиления сигналов ПЧ.
ПРС1
УРС1
Пд
Пм Пд
Пм
Пм
Пд Пм
Пд
АВ
ОРС2
Пд
Пм
Пм
Пд
Модем
ТфОП
ТЦ
Модем
ОРС1
ТфОП
ТЦ
Радиоствол
Линейный тракт
Рис. 6.10 – Состав основного оборудования радиорелейных станций
166
ПРС
располагаются
на
расстоянии
прямой
видимости
и
предназначаются для приема сигналов СВЧ, их усиления и дальнейшей
передачи по линии связи. На ПРС сигнал СВЧ ретранслируется без
демодуляции: от приемной антенны он поступает в приемное устройство
(Пм), усиливается и попадает на вход передатчика (Пд), где снова
усиливается и излучается передающей антенной в направлении следующей
станции. Прием и передача сигналов на ПРС должна производиться на
разных частотах для предотвращения самовозбуждения приемопередатчика
(устранения паразитных связей в приемопередатчиках за счет влияния
наводимых помех). В состав ПРС (ретранслятора) входят согласующие
устройства, приемопередающая аппаратура СВЧ и антенно-фидерный тракт.
УРС выполняют как функции ПРС, так и функции ввода и вывода
информации, с помощью аппаратуры выделения (АВ) каналов. Поэтому они
устанавливаются в крупных населенных пунктах или в точках пересечения
(ответвления)
радиорелейной
линии.
На
УРС
принятый
сигнал
демодулируется, часть ТФ каналов ответвляется, на освободившие полосы
звуковых частот вводятся новые каналы, полученный спектр в модуляторе
передатчика
накладывается
на
сигнал
высокой
(несущей)
частоты,
усиливается и излучается в сторону следующей станции.
ОРС, УРС и часть ПРС, на которых присутствует обслуживающий
персонал, называют обслуживаемыми. ППС, в основном, работают в
автономном
режиме
контролируется
с
и
являются
необслуживаемыми.
обслуживаемых
станций
с
Их
работа
помощью
систем
дистанционного управления и контроля (телеуправления и сигнализации).
Плановый осмотр, регламентные работы и ремонт необслуживаемых станций
осуществляются особыми линейными подразделениями, которые оснащены
специальной аппаратурой и транспортными средствами.
Совокупность приемопередающего оборудования, устанавливаемого на
всех
типах
станциях,
образует
радиорелейный
167
ствол.
Различают
однонаправленные стволы для симплексной связи (например, при обмене ТВ
программами) и двунаправленные, для дуплексной связи.
В своем большинстве радиорелейные линии многоствольны и их
можно рассматривать как несколько одноствольных линий, работающих
параллельно, где на ОРС и УРС устанавливается модемы (оконечная
аппаратура), приемопередатчики СВЧ и антенно-фидерные устройства, а на
ПРС – только комплекты приемопередатчиков СВЧ. При организации работы
многоствольной радиорелейной линии следует учитывать, что прием и
передача радиосигналов производится на одну антенну. Для уменьшения
взаимных помех, создаваемых не полностью подавляемыми гармониками, в
многоствольных системах используют прием и передачу сигналов СВЧ
поляризованных
во
взаимно
перпендикулярных
плоскостях
(обычно,
горизонтальной и вертикальной). Для передачи и одновременного приема
радиосигналов на одну антенну на выходе передатчика и входе приемника
устанавливают разделительные фильтры, настроенные на рабочие частоты
соответственно передатчика и приемника.
Работа радиорелейных линий строго регламентирована и производится
в соответствии с установленными планами распределения частот.
6.3 Спутниковые системы связи
Спутниковая связь является развитием традиционной радиорелейной
связи путем выноса ретранслятора (ИСЗ) на большую высоту (от сотен до
десятков тысяч километров). В этом случае, зона видимости ИСЗ составляет
почти половину Земного шара и необходимость в цепочке ретрансляторов
отпадает – в ряде случаев достаточно одного спутника. Поэтому, в самом
простом случае, спутниковая линия представляет собой линию связи СВЧ
между земными станциями (ЗС) – станциями спутниковой связи,
расположенными на поверхности Земли, на которые поступают сигналы НЧ
с узлов коммутации сети связи и одной космической станцией (КС),
168
расположенной на ИСЗ. Такая линия имеет два направления – «линию вверх»
на участке ЗС – ИСЗ и «линию вниз» на участке ИСЗ – ЗС (рис. 6.11).
КС (ИСЗ)
СВ
С ВЧ
Ч
ЗС2
ЗС 1
НЧ
НЧ
ТфОП
ТЦ
ТфОП
ТЦ
Рис. 6.11 – Линия спутниковой связи
В настоящее время функционирует большое число спутниковых систем
связи, различных по назначению, зоне обслуживания, составу, емкости, типу
ЗС. Так в зависимости от типа ЗС и назначения систем выделяют три
основные службы спутниковой радиосвязи:
- фиксированную спутниковую службу – службу радиосвязи между
ЗС, расположенными в определенных фиксированных пунктах, при
использовании одного или нескольких ИСЗ;
- подвижную спутниковую службу – службу радиосвязи между
подвижными ЗС с участием одного или нескольких спутников. В
зависимости от места установки подвижной ЗС различают сухопутную,
морскую, воздушную подвижные спутниковые службы;
- радиовещательную спутниковую службу – службу радиосвязи, в
которой
сигналы
непосредственного
спутниковых
приема
ретрансляторов
населением.
При
предназначены
этом
для
непосредственным
считается как индивидуальный, так и коллективный прием на сравнительно
простые и недорогие установки с абонентским качеством.
169
В
зависимости
от
вида
передаваемой
информации
различают
универсальные многофункциональны системы, ЗС которых обмениваются
различными
видами
информации (таковы
Intelsat, Eutelsat, системы
спутниковой связи Канады и др.) и специализированные – для передачи
одного вида или нескольких однородных видов информации (например,
системы спутникового вещания «Экран», НТВ-Плюс для циркулярного
распределения программ телевизионного и звукового вещания).
По охватываемой территории, размещению и принадлежности ЗС, а
также структуре управления спутниковые системы связи подразделяются на:
- глобальные (со всемирным охватом), как «Интерспутник», Intelsat;
- региональные, как Eutelsat, Аrabsat;
- зоновые, в которых все ЗС находятся в пределах одной зоны (региона)
страны;
- ведомственные (деловые, корпоративные), ЗС которых принадлежат
одному ведомству и передают только деловую информацию и данные в
интересах ведомства.
Несмотря на функциональные различия все спутниковые системы связи
и вещания имеют общий принцип работы и универсальный набор элементов
земного и космического сегментов. Общий принцип работы спутниковых
систем поясняет рис. 6.12.
Земной сегмент спутниковых линий формируют ЗС, имеющие в своем
составе приемопередающие, контрольные станции и станции управления
ИСЗ, а также центр управления системой связи.
Приемопередающие ЗС соединяются с узлами коммутации сети связи
(например, ТфОП), с источниками и потребителями программ теле-,
звукового и радиовещания (например, центрами формирования теле- и
радиопрограмм (ЦФП), ТЦ и т.д.). Как правило, в зоне обслуживания
связным ИСЗ располагается сеть приемных ЗС (ЗС2, ЗС3 и т.д.).
170
ИСЗ (КС)
ТФ
ТВ
РВ
ЗС1
ЗС3
ЗС2
ЦФП
ТЦ
МТС
МТС
ТЦ
Рис. 6.12 – Спутниковая линия связи
Контрольные
ЗС
–
станции,
контролирующие
режим
работы
ретранслятора КС и соблюдение ЗС важных для работы линии спутниковой
связи показателей (излучаемой мощности, частоты передачи, поляризации,
качества модулирующего сигнала и т.п.). Часто функции контрольной
станции возлагаются на одну из передающих или приемопередающих
станций сети – центральную станцию.
Центральные и контрольные станции обычно имеют возможность
обмена информацией со станциями сети по специально создаваемой
подсистеме служебной связи. Зачастую эта подсистема использует тот же
ИСЗ, через который работает основная сеть, но в некоторых случаях
приходиться использовать наземные каналы служебной связи.
ЗС командно-измерительной системы – станции, осуществляющие
управление функционированием всеми подсистемами ИСЗ, контроль за их
состоянием, выводом ИСЗ на орбиту при первоначальных испытаниях и
вводе в эксплуатацию КС.
Космический
сегмент
образуют
КС,
представляющие
собой
ретрансляционное устройство, размещенное на ИСЗ, с антеннами для приема
и передачи радиосигналов и системами обеспечения этих процессов,
источниками энергосбережения, системами ориентации антенн (на Землю) и
171
солнечных батарей (на Солнце), системами коррекции положения ИСЗ на
орбите, терморегулирования и т.д.
Все современные ИСЗ связи являются активными и комплектуются
электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции
передаваемых сигналов телефонии, телеграфии, теле- и радиовещания,
радиосвязи между подвижными объектами.
Спутниковые ретрансляторы, размещенные на ИСЗ, могут быть
нерегенеративными и регенеративными. Нерегенеративный ретранслятор,
приняв сигнал от одной ЗС, переносит его на другую частоту, усиливает и
передает другой ЗС. Такие спутники могут использовать несколько
независимых телефонных и (или) телевизионных каналов, осуществляющих
эти операции, каждый из которых работает на определенной частоте (каналы
обработки называются стволами ИСЗ или транспондерами, которые
характеризуют пропускную способность спутника). Максимальное число
стволов, одновременно действующих на ИСЗ, может составлять от 6 ÷ 12, до
22 ÷ 48.
Регенеративный ретранслятор производит демодуляцию принятого
сигнала и заново модулирует его. В итоге исправление ошибок происходит
дважды: на ИСЗ и на принимающей ЗС. Недостаток такого метода
заключается в сложности, а значит, в увеличении цены на спутник. Кроме
того, увеличивается задержка передачи сигнала.
Работа ИСЗ происходит на орбитах, преимущественно, двух типов:
геостационарной и эллиптических. Из-за значительного расстояния до ИСЗ
на геостационарной орбите (≈ 35000 км) сигнал приходит на ЗС очень
слабым. Спутники на эллиптических орбитах требуют установки в пунктах
приема и передачи сигнала на ЗС вращающихся антенн, следящих за
спутником, что усложняет и удорожает их аппаратуру.
Упрощенные структурные схемы основного оборудования земных и
космических станций спутниковых систем представлены на рис. 6.13.
172
ИСЗ (КС)
Пм
Пд
Пм
Пд
f1 f3
РФ
f2 f4
ЗС1
С1(t)
ТфОП
ТЦ
С2(t)
Мд
Дм
ЗС2
Пд
f1
S1(t)
f3
f2
Пм
S2(t)
f4
Пм
Дм
Пд
Мд
S1(t)
S2(t)
С2(t)
ТфОП
ТЦ
С1(t)
Рис. 6.13 – Основное оборудование станций спутниковой системы связи
На передающих в одном направлении ЗС первичный (низкочастотный)
сигнал
С1(t)
подводится
к
модулятору
(Мд),
в
результате
чего
осуществляется модуляция на промежуточной частоте fпч. Затем эти
колебания поступают в смеситель передатчика (Пд) для формирования
сигнала СВЧ S1(t) с несущей частотой f1. От передатчика сигнал СВЧ
подводится к антенне и излучаются в сторону ИСЗ, где принимается
бортовой антенной ретранслятора. На ИСЗ колебания с частотой f1,
поступают на разделительный фильтр (РФ), усиливаются приемником (Пм),
преобразуются в частоту f2 и поступают к передатчику (Пд) бортового
ретранслятора. С выхода Пд колебания с частотой f2 через РФ подводятся к
бортовой антенне и излучаются в сторону Земли. На приемной стороне,
колебания СВЧ, принятые антенной ЗС, подводятся к смесителю приемника
(Пм) и демодулятору (Дм), на выходе которого выделяется сигнал С1(t).
Передача в обратном направлении от ЗС сигнала С2(t) происходит на
частоте f3 аналогичным образом, причем на бортовом ретрансляторе
осуществляется преобразование колебаний с несущей частотой f3 в колебания
с частотой f4.
Если говорить в целом о функционировании спутниковой системы
связи, то трасса Земля – космос существенно влияет на качество и
надежность связи, определяя частотную зависимость технических средств. С
учетом
реальных
условий
распространения
173
радиоволн
наиболее
рациональным для спутниковых систем связи является участок СВЧ от 1 до
10 ГГц. Однако следует учитывать, что современные спутниковые системы
используют широкий спектр частот, а дальнейшее их стремление к
увеличению
пропускной
способности,
внедрению
широкополосных
радиолиний, преимущественному использованию ИСЗ на геостационарной
орбите и необходимость решения вопросов электромагнитной совместимости
требуют освоения более высоких диапазонов СВЧ. Для спутниковой связи
уже освоен диапазон от 11 до 14 ГГц, который преимущественно используют
геостационарные спутники. Успешно проводятся испытания по освоению
СВЧ от 20 до 30 ГГц.
Традиционным частотным закреплением СВЧ для спутниковых систем
связи является латинское буквенное обозначение, принятое в зарубежных
источниках: Р – 225  400 МГц; L – 1  2 ГГц; S – 1  4 ГГц; C – 4  8 ГГц; X
– 8  12,5 ГГц; Ku – 12,5  18 ГГц; K – 18  26,5 ГГц; Ka – 26,5  40 ГГц.
6.4 Системы сотовой связи
Системы подвижной радиосвязи предназначены для связи между
движущимся абонентом и абонентом фиксированной связи или между двумя
движущимися абонентами. Таким образом, системы и сети беспроводной
связи позволяют абонентам быть мобильными (подвижными). Поэтому в
настоящее время широко используется термин сети подвижной связи
(СПС). Среди СПС можно выделить беспроводные локальные сети (Wireless
Local Area Network – WLAN); системы спутниковой связи; системы сотовой
связи. В данном разделе приведено описание наиболее широко известной
технологии подвижной связи – сотовой системы радиосвязи.
Сотовые системы радиосвязи получили свое название благодаря
принципу построения сети подвижной связи, в основе которого лежит
сотовая сеть. Их развитие происходило и происходит стремительно и для
характеристики этапов их эволюции стали применять понятие «поколений».
174
На данный момент в мире существует четыре поколения мобильной связи.
Появление пятого поколения подвижной радиосвязи ожидают к 2020 году.
Системы первого поколения (1G) были аналоговыми (основные
стандарты AMPS и NMT). Они создавались, в основном, для обслуживания
абонентов в рамках национальных границ и реализовывались на достаточно
надежных сетях, но с ограниченной возможностью предложения услуг
абонентам. Кроме того, они не позволяли осуществлять роуминг между
сетями, т.е. абонент с одной и той же SIM-картой не мог получать услуги в
сетях разных операторов.
Системы
второго
поколения
(2G)
–
цифровые
(наиболее
распространенный стандарт Global System for Mobile Communications –
GSM) проектировались для создания крупномасштабных сетей с учетом
обеспечения международного роуминга. Они привнесли существенные
преимущества с точки зрения предложения абонентам усовершенствованных
услуг, повышения емкости и качества. Однако, возросшая потребность в
беспроводном доступе в Интернет привела к их дальнейшему развитию. Так
появилась системы 2.5G на основе стандартизованной технологии пакетной
передачи данных (GPRS), позволяющие использовать оконечное устройство
мобильной связи для доступа в Интернет. Позже была внедрена технология
EDGE, что позволило повысить скорость передачи данных до сотен килобит
в секунду. Другим появившимися в данном стандарте сервисом услуги стала
служба коротких сообщений (SMS).
Стандарты 2G долгое время служили основой для построения систем
сотовой радиосвязи, но со временем набор их сервисных услуг стал
недостаточным. Кроме того, применяющиеся в стандарте 2G технологии
передачи данных перестали удовлетворять пользователей сети по скорости.
Эти факторы привели к появлению систем третьего поколения (3G), которые
позволили осуществлять связь, обмен информацией и предоставлять
различные развлекательные услуги, ориентированные на беспроводное
оконечное устройство (терминал). Развитие подобных услуг начиналось еще
175
в системах 2G, но для их поддержки системы должны были располагать
большой емкостью и пропускной способностью радиоканалов, а также
совместимостью между системами, чтобы предоставлять прозрачный доступ
по
всему
миру.
Примером
системы
3G
служит
стандарт
UMTC
(Универсальная система мобильной связи), который позволяет представлять
абонентам скорость передачи данных до 3 Мбит/сек. Технология HSDPA
(3.5G) увеличивает скорость уже до 42 Мбит/сек. Таким образом,
пользователи сети могут получать широкий перечень мультимедийных услуг
(высококачественное видео, игры, загрузка файлов больших объемов).
Однако, даже такие высокие скорости передачи данных, перестают
удовлетворять потребности пользователей сети. В этой связи внедряются
стандарты четвертого поколения (4G), перед которыми стоит задача снять
верхний скоростной предел на длительный временной период.
К технологиям, претендующим на роль 4G относят LTE (TD-LTE), MB,
Mobile WiMAX, HSPA+. Из них, в мировом масштабе, наиболее активно
запускаются сети LTE (буквальный перевод с английского Long-Term
Evolution – долговременное развитие). Первая из них была развернута в
Стокгольме и Осло (ее запустил альянс Telia Sonera/Ericsson).
На данный момент сети LTE работают в частотных диапазонах ниже
3,5 ГГц. Радиус действия их БС зависит от мощности излучения (он
теоретически не ограничен), а максимальная скорость передачи данных
определяется
частотой
и
удаленностью
от
базовой
станции
(БС).
Теоретический предел для скорости в 1 Мбит/сек составляет от 3,2 км (2,6
ГГц) до 19,7 км (450 МГц). Наиболее используемый диапазон частот для
зарубежных сетей LTE – 1,8 ГГц, он сочетает в себе высокую емкость и
относительно большой радиус действия (6,8 км). В России большинство
операторов работают в диапазонах 2,6 ГГц, 1,8 ГГц и 800 МГц.
Планы внедрения UMB не известны, так как ни один оператор (в
мировом масштабе) не заключил контракт на его тестирование. Также
следует отметить, что стандарт WiMAX не все относят к 4G, так как он не
176
интегрирован с сетями предыдущих поколений 2G и 3G. Кроме того, в сети
WiMAX сами операторы не предоставляют традиционные услуги связи,
такие как голосовые звонки и SMS, хотя пользование ими возможно при
использовании различных сервисов голосовых сервисов поверх IP (VoIP).
IMT разрешил сетям HSPA+ называться 4G, т.к. они обеспечивают
соответствующие скорости.
Основными факторами для развития сетей пятого поколения сотовой
связи (5G) стали постоянный рост числа подключенных устройств к
Интернету
и
возрастающий
трафик.
Также
растут
и
требования
пользователей к сети.
Точно охарактеризовать сеть 5G пока затруднительно. Можно лишь
спрогнозировать, какой она станет, согласно перспективным задачам
развития подвижной связи МСЭ, опубликованным в дорожной карте «IMT2020». Очевидно, что в будущем к сетям 5G будут подключаться гораздо
больше устройств, большинство из которых смогут работать по принципу
«всегда он-лайн». При этом важными сетевыми параметрами станут низкое
энергопотребление и высокая эффективность инфраструктуры.
Основными критериями, предъявляемыми к сетям 5G являются:
пропускная способность свыше 10 Гбит/сек; поддержка одновременного
подключения до 100 млн. устройств/км2; задержка передачи данных на
радиоинтерфейсе не более 1 мсек.
К планируемым услугам 5G относят: сверхширокополосную
мобильную связь (реализация ультраширокополосной связи с целью
передачи «тяжелого» контента); массовую межмашинную связь (поддержка
Интернета
вещей
(ультраузкополосная
связь));
сверхнадежную
межмашинную связь (обеспечение особого класса услуг с очень низкими
задержками).
В России сеть 5G планируют протестировать к 2018 году, перед
проведением Чемпионата мира по футболу. Поэтому наша страна может
стать одной из первых стран, где появится новый вид сотовой связи. В целом
177
строительство сетей 5G в России будет зависеть от вводимых инноваций и
темпов роста трафика в отечественной сети.
В основе организации всех сетей сотовой связи лежит общий принцип
их построения. Все сотовые системы подвижной радиосвязи содержат:
базовые станции (БС); пользовательские терминалы; ретрансляторы и
контроллер,
который
управляет
работой
БС,
обрабатывает
каналы
ретрансляторов (коммутирует их) и обеспечивает выход на городскую
телефонную сеть.
То
есть
в
системах
сотовой
связи
подвижные
абоненты
взаимодействуют между собой не напрямую, а через БС (Base Transceiver
Station – BTS). При этом вся сеть делится на отдельные ячейки (зоны) – соты
(рис. 6.14 а), где для «охвата» большой территории, вместо использования
одного мощного передатчика, применяется много маломощных передатчиков
для обслуживания зон, небольшого радиуса действия. Соты, частично
перекрываясь, создают сотовую сеть.
БС
БС-b
БС
БС-a
БС-a
БС
БС-c
БС
БС
БС-b
БС
БС-b
БС-a
БС
а)
б)
Рис. 6.14 – Соты сети подвижной связи
Каждая БС – это приемопередатчик, работающий в определенной
полосе частот и обеспечивающий связь с абонентами, которые находятся в
зоне ее радиосвязи. При переходе абонента в другую зону, где уровень
сигнала новой БС выше, чем старой, происходит переключение на новую
178
полосу частот. БС, которые разнесены в пространстве на значительное
расстояние, где практически нет взаимного влияния каналов, могут
использовать одинаковые частотные диапазоны. Например, БС-а используют
один частотный диапазон, станции БС-b – второй диапазон, БС-с – третий
(рис. 6.14 б). Группа сот в зоне обслуживания с различными наборами частот
называется кластером.
Другим, наиболее эффективным методом снижения взаимного влияния
БС стал способ использования направленных секторных антенн с узкими
диаграммами направленности. В каждом секторе такая антенна излучает
сигнал
направленно
в
одну
сторону,
поэтому
уровень
сигнала
в
противоположном направлении сокращается до минимума. Деление сот на
секторы позволяет чаще использовать повторное чередование частот, что и
было использовано при организации сот в сетях новых поколений. На рис.
6.15 показан один из способов повторного чередования частот при
применении трех секторных антенн для каждой БС и трех соседних БС с
формированием ими девяти групп частот. В этом случае используются
антенны с шириной диаграммы направленности 1200.
Рис. 6.15 – Повторное чередование частот в трех секторных сотах
Число каналов БС обычно кратно 8, например, 16; 32 и т.д., причем
один из каналов является управляющим. На этом канале происходит
непосредственное
установление
соединения
при
вызове
подвижного
абонента сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден
свободный в данный момент канал и произойдет переключение на него.
179
Для управления работой группы БС используется контроллер БС
(КБС) (Base Station Controller – BSC) (рис. 6.16). Все контроллеры соединены
с центром коммутации (ЦК) подвижной связи (Mobile Switching Center –
MSC), который управляет работой сети. Таким образом, БС служат
своеобразным
интерфейсом
между
подвижным
объектом
(сотовым
телефоном) и ЦК.
БС
БС
КБС
ЦК
КБС
БС
БС
Рис. 6.16 – Структура сети подвижной связи
Связь между БС и контроллером, а также между контроллером и
центром коммутации обычно реализуется на оптоволоконных кабелях,
которые обеспечивают более широкую полосу пропускания (высокую
скорость передачи) по сравнению с беспроводными радиоканалами.
ЦК – это автоматическая телефонная станция системы сотовой связи,
которая обеспечивает все функции управления сетью (рис. 6.16). Например,
он осуществляет контроль за подвижными станциями, организует их
эстафетную передачу, в процессе которой достигается непрерывность связи
при перемещении абонентов из одной соты в другую и переключение
рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностей;
производит
соединение
подвижного
абонента
с
абонентами
сетей
фиксированной связи (ТфОП); обеспечивает связь с абонентами сетей
пакетной коммутации (IP-сети), и т.д. Соединения с сетью ТфОП и сетью
пакетной коммутации реализуются через шлюзы ЦК (Gateway MSC).
ЦК
обеспечивает
также
обмен
короткими
документальными
сообщениями (Short Message Service – SMS). Управление пересылкой и
180
хранением SMS-сообщений реализует Центр SMS (рис.6.17). В телефонной
сети ТфОП скорость передачи данных составляет 64 кбит/с, такая же
скорость используется и в ЦК, а в БС и их контроллере скорость передачи
обычно составляет 13 кбит/с. Поэтому на входе в центр коммутации ЦК (рис.
6.17) производится перекодирование данных, которое реализует блок
перекодировки и согласования скорости передачи (Transcoding and Rate
Adaptation Unit – TRAU).
Центр SMS
БС
...
База данных
HLR
КБС1
Блок
TRAU
...
VLR
ЦК
AuC
КБСn
EIR
ТфОП
Шлюз
Шлюз
IP сеть
Рис. 6.17 – Структурная схема центра коммутации
В центре коммутации MSC функционирует целый набор программноаппаратных средств, обеспечивающих работу сети. База данных центра
включает несколько регистров. Домашний регистр (Home Location Register –
HLR) хранит информацию о всех абонентах, зарегистрированных в данной
сети: о наборе услуг, оплаченных абонентом, его местонахождении и др.
Каждый абонент зарегистрирован в одном из домашних регистров
распределенной
сети.
Распознавание
абонентов
реализует
центр
аутентификации (Authentication Center – AuC).
Когда абонент находится вне зоны действия его домашней сети, а
переходит в зону действия другой сотовой сети, то он может получить услугу
связи, если есть специальное соглашение – роуминг. Перемещение абонента
181
из одной сети в другую отслеживает гостевой регистр местонахождения
(Visitor Location Register – VLR).
В состав базы данных входит также регистр идентификации
оборудования (Equipment Identity Register – EIR), который определяет,
зарегистрирован ли в сети телефонный аппарат, точнее SIM-карта телефона.
В этом регистре могут помечаться и блокироваться украденные аппараты, а
также не сертифицированные телефоны.
Развитие систем GSM происходило и происходит путем повышения
скорости передачи и расширения функциональных возможностей за счет
конвергенции с IP-сетями пакетной коммутации. Связь с IP-сетями
реализуется через шлюз (рис. 6.17).
Внутри каждой соты множество абонентов могут получать доступ к БС
с использованием различных методов разделения каналов. При этом может
использоваться множественный доступ с частотным разделением каналов
(Frequency Division Multiple Access – FDMA), с временным разделением
(Time Division Multiplex Access – TDMA), с кодовым разделением каналов
(Code Division Multiple Access – CDMA), а также мультиплексирование с
ортогональным частотным разделением каналов (Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing – OFDM), что использует множество узкополосных
ортогональных несущих (поднесущих).
Принципы построения систем с частотным и временным разделением
каналов, а также CDMA, OFDM рассматриваются в специализированных
курсах беспроводных сетей и систем связи.
182
Вопросы по разделу 6
1. Каковы основные признаки радиосвязи?
2. Какие стандартные частотные диапазоны используются для радиосвязи?
3. Перечислите основные элементы системы радиосвязи.
4. Что служит средой распространения радиоволн.
5. Назовите основные виды и службы радиосвязи.
6. Дайте классификацию систем радиосвязи.
7. Как
классифицируются
системы
радиосвязи
в
зависимости
от
ретрансляции сигнала?
8. Перечислите основные виды современных систем радиосвязи.
9.
Укажите общие принципы построения систем радиосвязи.
10.
Поясните суть основных преобразований сигнала, происходящих на
участке тракта от входа до выхода передатчика.
11.
Модуляция и демодуляция в системах радиосвязи.
12.
Промежуточная частота для систем радиосвязи.
13.
Что такое радиоканал?
14.
Что такое радиоствол?
15.
Что такое наземная радиосвязь?
16.
Перечислите основные виды наземной радиосвязи.
17.
Дайте определение радиорелейной связи.
18.
Укажите основные виды радиорелейной связи.
19.
Поясните физическое толкование понятия «прямая видимость».
20.
Чем ограничена прямая видимость на линиях наземной радиосвязи.
21.
Изобразите радиорелейную линию прямой видимости.
22.
Какие станции задействованы в организации радиорелейных линий?
23.
Поясните понятие многопролетной радиорелейной линии.
24.
Что такое пролет в структуре радиорелейной линии.
25.
Укажите допустимую дальность связи на пролете радиорелейной линии
прямой видимости.
26.
Что такое спутниковая радиосвязь?
183
27.
Перечислите основные элементы системы спутниковой связи.
28.
Укажите роль земных станций в организации спутниковой связи.
29.
Укажите роль ИСЗ в организации спутниковой связи.
30.
Укажите разрешенные диапазоны частот для систем спутниковой
связи.
31.
Что из себя представляет спутниковая линия связи?
32.
Что такое системы сотовой связи?
33.
Расшифруйте понятие «поколений» для сотовых систем связи.
34.
Перечислите основные элементы сотовых систем связи.
35.
Поясните назначение базовой станции в составе сотовой сети.
36.
Поясните назначение центра коммутации в составе сотовой сети.
37.
Для какой цели используются каналы управления в сотовых системах
связи?
38.
Опишите процесс установления связи в сотовых системах связи.
39.
Какие методы разделения каналов используются внутри каждой соты
для обслуживания множества абонентов?
Упражнения по разделу 6
1.
Изобразите общую схему системы радиосвязи.
2. Укажите диапазоны длин радиоволн и радиочастот от высоких до
гипервысоких частот. Объясните взаимосвязь длины волны и частоты
гармонического колебания.
3. Объясните принцип действия радиорелейной системы связи.
4. Объясните принцип действия систем космической связи со спутниками
экваториальной, наклонной и полярной орбит.
5. Объясните, почему базовые станции систем сотовой связи могут
использовать ограниченное число частотных диапазонов.
6. Изобразите структурную схему сети подвижной связи и центра
коммутации. Объясните назначение блоков этих схем.
184
7 ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ
7.1 Общие сведения, термины, определения, классификация
В разделе 1 отмечалось, что инфокоммуникационные сети (ИКС)
представляют собой
обеспечивающих
комплекс
обмен
аппаратных
и программных
информационными
сообщениями
средств,
между
абонентами.
С 21 октября 2014 года вступила в действие новая редакция
Федерального закона «О связи» № 126-ФЗ. В соответствии с этим законом
основой российских телекоммуникаций является Единая сеть электросвязи
(ЕСЭ), в которую входят все сети электросвязи страны. Разнообразные
классификационные признаки, характеристики, параметры обусловили
большое количество видов (типов) сетей:
- сети магистральные и местные;
- сети транспортные и сети доступа;
- сети фиксированной связи (телефонные сети общего пользования
ТфОП);
- сети подвижной связи (сотовые, спутниковые);
- сети передачи данных (компьютерные, телеграфные);
- сети локальные и глобальные;
- сети с коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов.
В настоящем учебнике рассматриваются, в той или иной степени, все
виды
инфокоммуникационных
сетей
с
вышеприведенными
классификационными признаками. За основу принята классификация сетей
с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.
Сети с коммутацией каналов
При коммутации каналов коммутационная сеть образует между
конечными
узлами
непрерывный
составной
185
физический
канал
из
последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных
участков.
Условием
того,
что
несколько
физических
каналов
при
последовательном соединении образуют единый физический канал, является
равенство скоростей передачи данных в каждом из составляющих
физических каналов. Равенство скоростей означает, что коммутаторы такой
сети не должны буферизовать передаваемые данные. В сети с коммутацией
каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру
установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. И
только после этого можно начинать передавать данные.
Достоинства сетей с коммутацией каналов:
1.
Постоянная
и
известная
скорость
передачи
данных
по
установленному между конечными узлами каналу. Это дает пользователю
сети возможность на основе заранее произведенной оценки необходимой для
качественной передачи данных пропускной способности установить в сети
канал нужной скорости.
2.
Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через
сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к
задержкам (называемые также трафиком реального времени) голос, видео,
различную технологическую информацию.
Недостатки сетей с коммутацией каналов:
1.
Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения.
Такая ситуация может сложиться из-за того, что на некотором участке сети
соединение нужно установить вдоль канала, через который уже проходит
максимально возможное количество информационных потоков. Отказ может
случиться и на конечном участке составного канала – например, если
абонент способен поддерживать только одно соединение, что характерно для
многих телефонных сетей. При поступлении второго вызова к уже
разговаривающему абоненту сеть передает вызывающему абоненту короткие
гудки – сигнал «занято».
186
2.
Нерациональное
использование
пропускной
способности
физических каналов. Часть пропускной способности, которая отводится
составному каналу после установления соединения, предоставляется ему на
все время, т.е. до тех пор, пока соединение не будет разорвано. Однако
абонентам не всегда нужна пропускная способность канала во время
соединения, например в телефонном разговоре могут быть паузы, еще более
неравномерным
во
времени
является
взаимодействие
компьютеров.
Невозможность динамического перераспределения пропускной способности
представляет собой принципиальное ограничение сети с коммутацией
каналов, так как единицей коммутации здесь является информационный
поток в целом.
3.
Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы
установления соединения.
На современном этапе развития инфокоммуникационных сетей
магистральные
сети
внутри
больших
городов,
областей,
стран
и
международные сети строятся на технологии Синхронной цифровой
иерархии (Synchronous Digital Hierarchy – SDH) и оптических транспортных
сетей (Optical Transport Network – OTN), которые представляют сети на
основе коммутации каналов (см. раздел 3). Это позволяет обеспечить
наилучшее качество предоставляемых сервисов и инфокоммуникационных
услуг при использовании каналов с гарантированной полосой пропускания и
минимальными задержками.
Сети с коммутацией пакетов
Эта
техника
коммутации
была
специально
разработана
для
эффективной передачи компьютерного трафика. Первые шаги на пути
создания компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов
показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей
пропускной способности сети. Типичные сетевые приложения генерируют
187
трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости
передачи данных. Например, при обращении к удаленному файловому
серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого
сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он
открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может
создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл
содержит объемные графические включения. После отображения нескольких
страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что
вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает
модифицированные копии страниц на сервер, что снова порождает
интенсивную передачу данных по сети.
Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети,
равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально
возможной, может достигать 1:50 или даже 1:100. Если для описанной сессии
организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и
сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время
коммутационные возможности сети будут закреплены за данной парой
абонентов и будут недоступны другим пользователям сети.
При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения
разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые
пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная
порция данных – запрос на передачу файла, ответ на этот запрос,
содержащий весь файл и т.д. Сообщения могут иметь произвольную длину,
от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже
могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500
байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная
информация, необходимая для доставки пакета на узел назначения, а также
номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки
сообщения.
Пакеты
транспортируются
по
сети
как
независимые
информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных
188
узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в
конечном итоге – узлу назначения.
Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия
конкретной пары абонентов, но повышает пропускную способность сети в
целом.
Задержки в источнике передачи:
- время на передачу заголовков;
задержки, вызванные интервалами
-
между передачей
каждого
следующего пакета.
Задержки в каждом коммутаторе:
- время буферизации пакета;
- время коммутации, которое складывается из времени ожидания пакета
в очереди (переменная величина) и времени перемещения пакета в выходной
порт.
Достоинства коммутации пакетов:
1.
Высокая общая пропускная способность сети при передаче
пульсирующего трафика.
2.
Возможность
динамически
перераспределять
пропускную
способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с
реальными потребностями их трафика.
Недостатки коммутации пакетов:
1.
Неопределенность скорости передачи данных между абонентами
сети, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммутаторов
сети зависят от общей загрузки сети.
2.
Переменная величина задержки пакетов данных, которая может
быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети.
3.
Возможные потери данных из-за переполнения буферов.
В настоящее время активно разрабатываются и внедряются методы,
позволяющие преодолеть указанные недостатки, которые особенно остро
189
проявляются для чувствительного к задержкам трафика, требующего при
этом постоянной скорости передачи. Такие методы называются методами
обеспечения качества обслуживания (Quality of Service – QoS).
Сети с коммутацией пакетов, в которых реализованы методы
обеспечения качества обслуживания, позволяют одновременно передавать
различные виды трафика, в том числе такие важные как телефонный и
компьютерный. Поэтому методы коммутации пакетов сегодня считаются
наиболее перспективными для построения конвергентной сети, которая
обеспечит комплексные качественные услуги для абонентов любого типа.
Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов и методы коммутации каналов.
Сегодня они не только с успехом работают в традиционных телефонных
сетях, но и широко применяются для образования высокоскоростных
постоянных соединений в так называемых первичных (опорных) сетях
технологий
SDH
и
DWDM,
которые
используются
для
создания
магистральных физических каналов между коммутаторами телефонных или
компьютерных сетей. В будущем вполне возможно появление новых
технологий коммутации, в том или ином виде комбинирующих принципы
коммутации пакетов и каналов.
7.2 Классификация инфокоммуникационных сетей
Все многообразие инфокоммуникационных сетей можно условно
классифицировать по группе признаков:
1.
По территориальной распространенности сети могут быть:
- персональные (Personal Area Network (PAN)) – расположены в
пределах одного помещения и, как правило, охватывают различные
периферийные устройства одного компьютера;
- локальные (Local Area Network (LAN)) – расположены в пределах
одного здания или кампуса;
190
- городские (Metropolitan Area Network (MAN)) – расположены на
территории города или городского округа;
- региональные (Regional Area Network (RAN)) – расположены на
территории области;
- глобальные (Wide Area Network (WAN)) – расположены на
территории государства или группы государств, например, всемирная сеть
Internet.
Термин «корпоративная сеть» предприятия (корпорации) также
используется в литературе для обозначения объединения нескольких
локальных сетей, каждая из которых может быть построена на различных
технических, программных и информационных принципах.
Локальные и персональные сети являются сетями закрытого типа,
доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для
которых
работа
в
такой
сети
непосредственно
связана
с
их
профессиональной деятельностью. Глобальные, региональные и городские
сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых
пользователей.
2.
По
ведомственной
принадлежности
различают
сети:
ведомственные, государственные и частные. Ведомственные принадлежат
одной организации и располагаются на ее территории. Государственные сети
используются в государственных структурах. Частные или домашние сети
создаются в одной квартире при соединении различных сетевых устройств.
3. По типу среды передачи сети разделяются на:
- проводные медные – на витой паре, коаксиальные;
- оптические – на оптоволоконном кабеле;
- беспроводные – с передачей информации по радиоканалам или в
инфракрасном диапазоне.
- смешанные – при наличии соответствующих интерфейсов.
4. По способу объединения сетевых устройств (топологии сети). В
различных типах сетей используются различные топологии. Однако
191
некоторые топологии используются практически во всех типах сетей. Далее
рассмотрены широко распространенные топологии локальных сетей.
В инфокоммуникационных сетях различают физическую и логическую
топологии сети. Физическая топология представляет собой наиболее
общую структуру сети и отображает схему соединения сетевых элементов и
узлов кабелями связи. Логическая топология показывает, как по сети
передаются определенные единицы информации, и определяет метод доступа
к сетевой среде передачи данных. В данном разделе рассматривается,
главным образом, физическая топология локальных сетей.
В
инфокоммуникационных
сетях
наибольшее
распространение
получили следующие физические топологии (см. рис. 7.1): шина, кольцо,
звезда, расширенная звезда, древовидная (иерархическая) топология, а также
полносвязная
топология,
где
все
узлы
связаны
между
собой
индивидуальными линиями связи.
Разделяемая (shared) линия или среда передачи данных, когда
пользователи делят ресурсы линии связи между собой, снижает стоимость
сети. Но в каждый момент времени линией может пользоваться только одна
пара абонентов, из-за чего могут возникнуть очереди, а также коллизии.
Топология шина (рис. 7.1а) характеризуется тем, что передачу данных
в данный момент времени может вести только один узел.
Ожидание своей очереди на передачу данных является недостатком
топологии. Если два узла одновременно начали передачу данных, то в сети
возникает коллизия. 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 шина характерна для технологий ранних версий
локальных
сетей
Ethernet,
когда
для
коаксиальный кабель.
192
создания
сети
использовали
Узлы
...
Кольцо
Шина
а)
б)
Расширенная
звезда
Звезда
в)
г)
Древовидная
(иерархическая)
топология
Полносвязная
топология
д)
е)
Рис. 7.1 – Физические топологии сетей
При использовании топологии кольцо (рис. 7.1б) сигналы передаются
в одном направлении от узла к узлу. При выходе из стоя любого узла,
прекращается функционирование всей сети, если не предусмотрен обход
вышедшего из строя узла. Подобная физическая топология использовалась,
например, в технологиях локальных сетей Token Ring, где для исключения
коллизий реализован детерминированный доступ к общей разделяемой среде
(кольцу). Передавать данные может только тот узел, который захватывает и
удерживает специальный маркер, который циркулирует по кольцу. В
настоящее время кольцевая топология широко используется в магистральных
транспортных сетях.
Топология звезда (рис. 7.1в) требует применения центрального
устройства, к которому подключены все узлы. Выход из стоя одного узла не
193
влияет на работоспособность остальной сети. Сеть легко модифицируется
путем подключения новых узлов, в ней легко организовать управление и
обеспечить безопасность. Из недостатков можно отметить уязвимость центра
и увеличенный расход кабеля по сравнению с топологией шина.
Топология
расширенная
звезда
(рис.
7.1г)
используется
в
современных крупных локальных сетях и сетях доступа, где широко
применяются технологии FastEthernet, GigabitEthernet, 10 GigabitEthernet. В
качестве центрального устройства обычно устанавливается коммутатор
(раньше использовали концентратор – hub). Разновидностью топологии
расширенная звезда является древовидная или иерархическая (рис. 8.1д)
топология, где функциональные возможности коммутаторов определяются
уровнем иерархии.
Для повышения надежности и отказоустойчивости сетей их строят по
полносвязной топологии (рис. 7.1е), где все узлы соединены между собой.
Подобная
топология
характеризуется
избыточностью,
повышенным
расходом кабеля, но все узлы постоянно связаны между собой, имеются
запасные (резервные) пути передачи данных.
5. Одноранговые и иерархические сети. С точки зрения организации
взаимодействия сетевых устройств, сети делят на одноранговые и с
выделенным сервером. Все конечные узлы (компьютеры) одноранговой сети
(peer-to-peer (Р2Р)) равноправны. Каждое конечное устройство (peer) может
функционировать либо как сервер, либо как клиент. Компьютер может
выполнять роль сервера для одного соединения, и роль клиента для другого.
Например,
компьютер
с
подключенным
к
нему
принтером
может
предоставлять услуги печати всем узлам сети. В то же время, он может
обращаться к другому компьютеру с большим объемом памяти за услугой
хранения своих файлов. Ресурсы сети и управление ей являются
децентрализованными. Поэтому трудно обеспечить безопасность. Любой
пользователь сети может получить доступ к данным, хранящимся на любом
компьютере.
194
Достоинства одноранговых сетей:
- наиболее просты в установке и эксплуатации;
-
распространённые
операционные
системы
обладают
всеми
необходимыми функциями, позволяющими строить одноранговую сеть.
Недостатки – в условиях одноранговых сетей затруднено решение
вопросов защиты информации. Поэтому такой способ организации сети
используется для сетей с небольшим количеством компьютеров и там, где
вопрос защиты данных не является принципиальным.
В иерархической сети выделяются один или несколько компьютеров,
управляющих обменом данных по сети и распределением ресурсов. Такой
компьютер называют сервером.
Любой компьютер, имеющий доступ к услугам сервера называют
клиентом сети или рабочей станцией.
Сервер
в
иерархических
сетях
–
это
постоянное
хранилище
разделяемых ресурсов. Сам сервер может быть клиентом только сервера
более высокого уровня иерархии. Поэтому иерархические сети иногда
называются сетями с выделенным сервером. Серверы обычно представляют
собой высокопроизводительные компьютеры, возможно, с несколькими
параллельно работающими процессорами.
Иерархическая модель сети является наиболее распространенной, так
как позволяет создать наиболее устойчивую структуру сети и более
рационально распределить ресурсы. Также достоинством иерархической сети
является более высокий уровень защиты данных. Сеть, построенная по
иерархическому принципу, легко масштабируется.
К недостаткам иерархической сети, по сравнению с одноранговыми
сетями, относят:
- необходимость дополнительной ОС для сервера;
- более высокую сложность установки сети;
- необходимость выделения отдельного компьютера – сервера, что
удорожает сеть.
195
Различают две технологии использования сервера: технологию файлсервера и архитектуру клиент-сервер.
В первой модели используется файловый сервер, на котором хранится
большинство программ и данных. По требованию пользователя ему
пересылаются необходимая программа и данные. Обработка информации
выполняется на рабочей станции.
В
системах
с
архитектурой
клиент-сервер
обмен
данными
осуществляется между приложением-клиентом и приложением-сервером.
Хранение данных и их обработка производится на мощном сервере, который
выполняет также контроль за доступом к ресурсам и данным. Рабочая
станция получает только результаты запроса. Разработчики приложений по
обработке информации обычно используют эту технологию.
6. Сети нового (следующего) поколения NGN. В настоящее время в
соответствии с концепцией Единой сети электросвязи Российской Федерации
создаются сети нового (следующего) поколения (Next Generation Network
(NGN)), в которых все виды трафика передаются по единой сети связи в
цифровой форме. Подобные сети являются мультисервисными (Internet
Multi Service (IMS)).
В
сетях
NGN
обеспечивается
слияние
(конвергенция)
всех
существующих сетей в единую инфокоммуникационную сеть для передачи
мультимедийной информации. Пользователи такой сети должны иметь
широкий выбор услуг с гарантированным качеством, что обеспечивается
соответствующим уровнем управления, транспортным уровнем и уровнем
доступа пользователей к мультисервисной сети (см. рис. 7.2).
Транспортный уровень сети NGN создается на базе IP сетей с
распределенной коммутацией пакетов. Доступ к транспортной сети
обеспечивается через соответствующие устройства и шлюзы.
Сети следующего поколения NGN обеспечивают широкий набор услуг
с гибкими возможностями по их управлению. Инфокоммуникационные сети
нового поколения используются для передачи различных видов информации:
196
дискретных данных, аудио- и видеоинформации. Ко всем сетям, и особенно к
мультисервисным,
предъявляется
ряд
требований:
надежность,
масштабируемость, качество обслуживания, безопасность.
Уровень услуг
Уровень управления
Транспортный уровень
Уровень доступа
Аналоговые
телефоны
Цифровые
телефоны
Сотовые
телефоны
Компьютеры
Серверы
Рис. 7.2 – Уровни мультисервисной сети NGN
7. Всемирная сеть Интернет образована совокупностью сетей
операторов и провайдеров (Internet Service Provider (ISP)) фиксированной и
мобильной связи (см. рис. 7.3). Провайдеры ISP предоставляют доступ в
Интернет (и связанные с этим сетевые услуги) отдельным пользователям
(абонентам), пользователям, объединенным в локальные сети, а также сетям
предприятий (корпоративным сетям).
Функционирование Интернета базируется на технологиях сетей с
коммутацией пакетов, основу которых составляет разработанный набор
(стек) протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol –
Протокол управления передачей/Межсетевой протокол). Каждый протокол
стека TCP/IP представляет собой совокупность правил, позволяющих
абонентам совместно использовать сетевые ресурсы.
Как правило, сетевые ресурсы и услуги сосредоточены на выделенных
серверах, которые представляют собой компьютеры с соответствующим
197
серверным программным обеспечением, например, веб-серверы. На
компьютерах пользователей сетевых услуг устанавливается клиентское
программное обеспечение, например, веб-браузеры. Для получения
требуемых услуг клиенты обращаются к серверам.
Оператор
фиксированной
связи
Провайдер
Оператор
мобильной
связи
Провайдер
Сеть доступа
Локальная сеть
Локальная сеть
Пользователи
Пользователи
Рис. 7.3 – Схематичное изображение сети Интернет
Провайдеры ISP предоставляют доступ в Интернет (и связанные с этим
услуги) отдельным пользователям (абонентам), а также пользователям,
объединенным в локальные сети, примером которых являются домашние
сети, а также сети малых предприятий, компьютерные классы. Интернет
является глобальной сетью передачи информации на Земле, создавшей
единое информационное пространство.
7.3 Организации стандартизации обмена сообщениями по сети
Для успешного обмена сообщениями между источником и получателем
информации
необходимы
правила,
требования по передаче сообщений:
198
которые
определяют
конкретные
- тип сообщения (компьютерные данные, аудио- или видео сообщение);
- размер сообщения, его формат;
- методы доставки сообщения и другие параметры.
Совокупность
составляет
правил
протокол,
по
реализации
конкретного
а набор
протоколов
для
требования
реализации
обмена
сообщениями по сети называется стек протоколов (stack). Сложность
сетевых структур и разнообразие инфокоммуникационных устройств,
выпускаемых
различными
фирмами,
привели
к
необходимости
стандартизации как устройств, так и процедур обмена данными между
пользователями.
Протоколы, используемые для обмена сообщениями по сети могут
быть открытыми и «проприетарными», т.е. частными, для использования
которых необходимо разрешение разработчика. Некоторые проприетарные
протоколы со временем становятся открытыми.
Особенно остро проблема создания сетевых протоколов стоит в сети
Интернет, доступ к которой открыт любым пользователям (корпоративным и
индивидуальным). Однако, если программно-аппаратные средства отвечают
заданным стандартным правилам (протоколам) и у них используются
стандартные устройства сопряжения (интерфейсы), то они способны
взаимодействовать
между
собой,
даже
если
созданы
разными
производителями и даже если на устройствах установлены различные
операционные системы.
В связи с множеством задач по передаче сообщений по сети
разработано
большое
количество
сетевых
протоколов.
Целый
ряд
организаций разрабатывают и внедряют открытые стандарты. Среди
организаций по стандартизации сетевых протоколов наиболее известными
являются:
- ISOC – Общество Интернет (Internet Society), которое осуществляет
общее руководство по развитию и обеспечению доступности сети Интернета.
является организационной основой для ряда организаций (IAB, IETF, IRTF)
199
- IAB – Совет по архитектуре (Internet Architecture Board) руководит
разработкой и редактированием стандартов и протоколов Интернет;
- IETF – Инженерная группа по развитию Интернета (Internet
Engineering Task Force) решает текущие задачи по разработке и поддержке
технологий TCP/IP, в том числе создание документов RFC (Request for
Comments), которые являются рабочими предложениями стандартов и могут
обсуждаться. Создает стандарты пространства от межсетевого уровня до
уровня приложений;
-
IRTF
–
Инженерная
группа
перспективных
долгосрочных
исследований (Internet Research Task Force);
- IEEE – Институт инженеров по электротехнике и электронике
(Institute of Electrical and Electronics Engineers) разработал целый ряд
важнейших стандартов в области технологий проводных и беспроводных
локальных сетей. Например, IEEE 802.1, IEEE 802.3, IEEE 802.11, IEEE
802.16 и др. Широко известный стандарт IEEE 802.3 определяет правила
доступа к проводной среде передачи для локальных сетей стандартов,
совместимых с Ethernet (FastEthernet, GigabitEthernet, 10 GigabitEthernet).
Стандарт IEEE 802.11 определяет правила взаимодействия устройств
беспроводных локальных сетей (Wi-Fi). Для разработки стандартов IEEE
предлагает интерактивные ресурсы;
- ISO – Международная организация по стандартизации (International
Organization for Standardization) широко известна в связи с созданием
семиуровневой базовой эталонной модели открытых систем (Open Systems
Interconnection Basic Reference Model – OSI). ISO взаимодействует с
Международной электротехнической комиссией
– МЭК (International
Electrotechnical Commission – IEC).
В таблице 7.1 приведен еще ряд организаций, занимающихся
разработкой стандартов сетевых протоколов.
В учебнике приводятся ссылки на перечисленные организации и
разработанные ими модели, протоколы и стандарты.
200
Таблица 7.1
Организации по разработке сетевых протоколов
ICANN Интернет корпорация по присвоению имен и номеров. Создает
политику выделения доменных имен и IP-адресов, которые
используются системой доменных имен DNS. Задает
идентификаторы протоколов уровня приложений. Согласовывает
международные имена сайтов и IP-адресов.
Администрация адресного пространства Интернет является
IANA
отделом ICANN, который распределяет IP-адреса и выделяет
доменные имена. Является хранилищем для реестра имен и
номеров протоколов. Управляет корневой зоной системы DNS.
ITU -T Международный союз электросвязи, сектор стандартизации
электросвязи определяет стандарты передачи телевидения (IPTV),
сжатия видеоинформации. ITU также занимается глобальными
вопросами голода, изменений климата.
Ассоциация электронной промышленности создает стандарты по
EIA
телекоммуникационным стойкам, разъемам и кабелям.
Ассоциация телекоммуникационной промышленности создает
TIA
стандарты станций сотовой связи, устройств голосовой связи по
IP. Международные стандарты по кабельным разъемам, а также
стандарты по облачным технологиям. Вопросы экстренного
реагирования для обеспечения национальной безопасности.
7.4 Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем
Международная организация по стандартизации (International Standards
Organization (ISO)) создала базовую эталонную модель взаимодействия
открытых систем (Open System Interconnection reference model (OSI)),
которая определяет концепцию и методологию создания сетей передачи
данных.
Модель
описывает
стандартные
правила
функционирования
устройств и программных средств при обмене данными между узлами 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. 7.4 показана модель
взаимодействия двух устройств: узла источника (source) и узла назначения
201
(destination). Совокупность правил, 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
между уровнями определяется стандартными интерфейсами.
Уровни узла источника
Уровни узла назначения
Примеры протоколов
7. Прикладной
7. Прикладной
HTTP, FTP, SMTP,DNS
6. Представления
6. Представления
ASCII, MPEG, JPEG
5. Сеансовый
5. Сеансовый
4. Транспортный
4. Транспортный
TCP, UDP
3. Сетевой
3. Сетевой
IPv4, IPv6
2. Канальный
2. Канальный
Ethernet, GigabitEthernet
1. Физический
1. Физический
ISO/IEC 11801
Рис. 7.4 – Семиуровневая модель ISO/OSI
Взаимодействие соответствующих уровней сетевых устройств является
виртуальным, за исключением физического уровня, на котором происходит
обмен данными по физической среде, соединяющей компьютеры. На рис. 7.4
приведены также примеры протоколов, управляющих взаимодействием узлов
на различных уровнях модели OSI.
Виртуальный обмен между соответствующими уровнями узлов A и B
(рис. 7.5) происходит определенными единицами информации. На трех
верхних уровнях – это сообщения или данные. На транспортном уровне –
сегменты (Segment), на сетевом уровне – пакеты (Packet), на канальном
уровне – кадры (Frame) и на физическом – последовательность битов.
Базовая эталонная модель OSI (рис. 7.4, 7.5) регламентируется ГОСТом
РИСО/МЭК 7498–1–99, где канальный уровень 2 представлен, как уровень
звена данных. Однако в большей части литературы этот уровень именуется
202
канальным. В некоторых литературных источниках, например, [16] верхний
уровень 7 называется уровнем приложений.
Узел А
7. Прикладной
6. Представления
5. Сеансовый
4. Транспортный
3. Сетевой
2. Канальный
1. Физический
Узел В
Данные
Данные
Данные
Сегменты
Пакеты
Кадры
Биты
7. Прикладной
6. Представления
5. Сеансовый
4. Транспортный
Маршрутизатор
(Router)
3. Сетевой
2. Канальный
1. Физический
Sw
Коммутатор
(Switch)
Hub
Концентратор
(Hub)
Рис. 7.5 – 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. 7.5. Данные обозначения введены фирмой Cisco и стали
общепринятыми. Среди технических средств физического уровня следует
отметить кабели, разъемы, повторители сигналов (repeater), многопортовые
повторители или концентраторы (hub), преобразователи среды (transceiver),
например, преобразователи электрических сигналов в оптические, и
наоборот. На канальном уровне это мосты (bridge) и коммутаторы (switch).
На сетевом уровне – маршрутизаторы (router). Сетевые карты или
адаптеры (Network Interface Card (NIC)) функционируют как на канальном,
так и на физическом уровне, что обусловлено сетевой технологией и средой
передачи данных.
При передаче данных от источника к узлу назначения, подготовленные
передаваемые данные, последовательно проходят от самого верхнего 7-го
Прикладного уровня узла источника информации до самого нижнего –
203
Физического уровня 1, затем передаются по физической среде узлу
назначения, где последовательно проходят от нижнего уровня 1 до уровня 7.
Самый верхний уровень 7 Прикладной (Application Layer) оперирует
наиболее общей единицей данных – сообщением. На этом уровне
реализуется управление общим доступом к сети, потоком данных, сетевыми
службами (протоколами), такими как FTP, TFTP, HTTP, SMTP, SNMP и др.
Уровень 6 Представления (Presentation Layer) 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 сжатие данных
(протоколы MPEG, JPEG).
Сеансовый (Session Layer) уровень 5 устанавливает сеанс связи двух
конечных узлов (компьютеров), определяет, какой узел является ведущим, а
какой ведомым, задает для передающей стороны время передачи. Этот
уровень определяет сеанс связи с сетью Интернет.
Транспортный уровень 4 (Transport Layer) делит большое сообщение
узла источника информации на части, при этом добавляет заголовок и
формирует сегменты определенного объема, а короткие сообщения может
объединять в один сегмент. В узле назначения происходит обратный
процесс. В заголовке сегмента задаются номера портов источника и
назначения, которые адресуют службы верхнего уровня (приложения) для
обработки
данного
сегмента.
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 и
быстрый протокол дейтаграмм пользователя (User Datagram Protocol
(UDP)). Протокол UDP используется пре передаче потоковых данных (аудиои видеоинформации).
204
Таким образом, протоколы транспортного уровня (TCP, UDP)
управляют процессом передачи сообщений. Они определяют, какое
приложение верхнего уровня требуется для обработки данного сообщения.
Если сообщение большого размера, то делят его на более мелкие части –
сегменты. Кроме того, протокол TCP обеспечивает надежность передачи –
при потере или искажении части сообщения производится его повторная
передача.
Сетевой уровень (Network Layer) 3 адресует сообщение, задавая
единице передаваемых данных (пакету) логические сетевые адреса узла
назначения и узла источника (IP-адреса), определяет маршрут, по которому
будет отправлен пакет данных, транслирует логические сетевые адреса в
физические, а на приемной стороне – физические адреса в логические.
Протоколы сетевого уровня (IPv4, IPv6) обеспечивают доставку
сообщения по наилучшему (оптимальному) маршруту адресату назначения.
Единицы информации, передаваемые на этом уровне, получили название
пакеты. Поддержку протокола IP осуществляет протокол межсетевых
управляющих сообщений (Internet Control Message Protocol (ICMP)), а также
протоколы маршрутизации.
Канальный уровень 2 (Data Link) формирует из пакетов кадры
данных (frames). На этом уровне задаются физические адреса устройстваотправителя и устройства-получателя данных, например, МАС-адреса при
использовании технологии Ethernet. На этом же уровне к передаваемым
данным добавляется контрольная сумма, определяемая с помощью алгоритма
циклического кода. На приемной стороне по контрольной сумме определяют
наличие ошибок.
Протоколы канального уровня (например, Ethernet и совместимые с
ним) адаптируют передаваемые пакеты к физической среде передачи
сообщений. Существуют различные методы доступа к среде. Среда может
быть разной (медная, волоконно-оптическая, беспроводная), поэтому и
205
передаваемые электромагнитные сигналы будут разными. На этом уровне
функционируют драйверы интерфейсов.
Физический уровень 1 (Physical) 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.
Важным процессом при передаче данных является инкапсуляция
(encapsulation) данных, когда на каждом уровне происходит обрамление
данных заголовками со служебной информацией. Названия информационных
единиц на каждом уровне, их размер и другие параметры инкапсуляции
задаются согласно протоколу единиц данных (Protocol Data Unit (PDU)).
Итак, на трех верхних уровнях – это сообщение (Data), на Транспортном
Уровне 4 – сегмент (Segment), на Сетевом Уровне 3 – пакет (Packet), на
Канальном Уровне 2 – кадр (Frame), на Физическом Уровне 1 –
последовательность битов.
Передаваемое сообщение, сформированное приложением, проходит
три верхних уровня и поступает на транспортный уровень, где делится на
части, и каждая часть инкапсулируется (помещается) в сегмент данных (рис.
7.6).
В
заголовке
сегмента
содержится
номер
порта
источника,
подготовившего сообщение, и номер порта назначения, который будет
обрабатывать данный сегмент. Например, серверы электронной почты с
номерами портов 25 и 110 позволяют посылать e-mail сообщения и
принимать их, № порта 80 адресует веб-сервер.
На сетевом уровне сегмент инкапсулируется в пакет данных, заголовок
(header) которого содержит, кроме прочего, сетевые (логические) адреса
отправителя информации (источника) – Source Address (SA) и получателя
(назначения) – Destination Address (DA), IP-адреса.
На канальном уровне пакет инкапсулируется в кадр (frame) данных,
заголовок которого содержит физические адреса узла передатчика и
206
приемника, а также другую информацию. Кроме того, на этом уровне
добавляется
концевик
(трейлер)
кадра,
содержащий
информацию,
необходимую для проверки правильности принятой информации.
Прикладной
Представления
Данные
Сеансовый
Транспортный
Сетевой
Канальный
Физический
Заголовок
сегмента
Данные
Сегмент
Заголовок Заголовок
пакета
сегмента
Данные
Пакет
Заголовок Заголовок Заголовок
кадра
пакета
сегмента
Данные
Концевик
Кадр
Биты передаваемых данных
Рис. 7.6 – Инкапсуляция данных
Помимо семиуровневой OSI модели на практике применяется
четырехуровневая модель TCP/IP (рис. 7.7).
207
Модель TCP/IP
Модель OSI
Прикладной
Представления
Прикладной
Сеансовый
Транспортный
Транспортный
Сетевой
Межсетевой
Канальный
Сетевого доступа
Физический
Рис. 7.7 – Модели OSI и TCP/IP
Прикладной уровень модели TCP/IP по названию совпадает с
названием модели OSI, но по функциям гораздо шире, поскольку охватывает
три
верхних
уровня
(Прикладной,
Представления
и
Сеансовый).
Транспортный уровень обеих моделей и по названию, и по функциям
одинаков.
Сетевой
(Network)
уровень
модели
OSI
соответствует
межсетевому (Internet) уровню модели TCP/IP, а два нижних уровня
(канальный и физический) представлены объединенным уровнем сетевого
доступа (Network Access).
7.5 Основные устройства сетей с коммутацией пакетов
Любые сети (локальные, глобальные) включают три составляющих:
устройства, среда передачи, услуги (сервисы). Сетевые устройства делятся
на конечные узлы и промежуточные сетевые устройства. Конечные узлы на
схеме сети с коммутацией пакетов (рис. 7.8) представлены компьютерами
(УА1, … УАn, УВ1, …, УВm), промежуточные сетевые устройства –
208
коммутаторами (Switch – SwA, SwB) и маршрутизаторами (Router – RA, RB,
RC, RD).
В качестве среды в сетях передачи могут использоваться медные и
волоконно-оптические кабели, а также радиоканалы беспроводной среды.
При выборе среды передачи данных необходимо учитывать скорость и
расстояние, на которое требуется передавать сигналы, а также условия
эксплуатации
(город,
сельская
местность,
горы,
болота
и
т.д.).
Определяющую роль часто играет стоимость оборудования, прокладки
кабелей, стоимость эксплуатации.
Конечные узлы сетей с коммутацией пакетов создают и принимают
передаваемые по сети сообщения (компьютеры, видеокамеры, сетевые
принтеры, аппараты IP-телефонии и т.д.). Конечные узлы всех видов условно
представлены на рис. 7.8 в виде компьютеров. Передача сообщений должна
быть адресной, т.е. всем передаваемым по сети пакетам необходимо задать
адрес назначения и адрес источника.
Глобальная сеть С
Локальная сеть А
Локальная сеть В
RB
SwB
RA
SwA
RD
УB1
УА1
УАn
УBm
RC
Рис. 7.8 – Локальные и глобальные сети с коммутацией пакетов
Промежуточные сетевые устройства (маршрутизаторы, коммутаторы)
сами не создают и не изменяют передаваемые сообщения, но выбирают
наилучший путь от источника до адресата назначения и управляют
передаваемыми потоками, обеспечивая требуемый уровень качества и
безопасности передаваемой информации, фильтруя потоки данных. При
209
выходе из строя основного пути промежуточные устройства перенаправляют
сообщения по альтернативным маршрутам.
Локальные сети LAN, функционируя на ограниченном географическом
пространстве при ограниченном количестве пользователей, обеспечивают
более высокую скорость передачи сообщений по сравнению с глобальными
сетями WAN. Управление локальными сетями обычно производится одной
организацией (администратором), что повышает качество и безопасность
передаваемой информации.
Администрирование глобальных сетей, разнесенных на большие
расстояния, реализуют разные провайдеры ISP. Причем, для разных
информационных
потоков,
передаваемых
по
глобальным
сетям,
предъявляются разные требования по скорости, задержке, информационной
безопасности и надежности.
Во всемирной сети Интернет широко используются технологии сетей
передачи данных с коммутацией пакетов. На рис. 7.9 приведены основные
технологии локальных и глобальных сетей передачи данных. В локальных
сетях используются Ethernet-совместимые технологии, различающиеся
скоростью передачи данных от 10 Мбит/с до 100 Гбит/с.
В глобальных сетях основной является технология Интернет протокола
(Internet Protocol – IP), которая использует дейтаграммный метод передачи
сообщений. При построении глобальных сетей совместимыми с IPтехнологиями являются технологии на основе протокола коммутации по
меткам (Multi Protocol Label Switching (MPLS)). В настоящее время MPLS
является основной транспортной технологии для сетей с пакетной
коммутацией. Технологии IP-протокола и MPLS практически вытеснили
технологии Frame Relay (FR) и Asynchronous Transfer Mode (ATM), которые
ранее широко использовались в сетях передачи данных.
210
Технологии сетей
передачи данных
Локальные
Fast
Ethernet
Gigabit
Ethernet
10 Gigabit
Ethernet
Глобальные
100 Gigabit
Ethernet
С коммутацией
пакетов
IP
MPLS
FR
ATM
С коммутацией
каналов
Выделенные
линии
PDH , SDH,
WDM, OTN
Рис. 7.9 – Классификация технологий сетей передачи данных
Глобальные сети с коммутацией каналов предоставляют транспортные
услуги для сетей с коммутацией пакетов. При транспортировке больших
потоков данных глобальные сети с коммутацией каналов (рис. 7.9)
используют разнообразные технологии: плезиохронной цифровой иерархии
(Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH)), синхронной цифровой иерархии
(Synchronous Digital Hierarchy (SDH)), а также технологии оптических линий
связи спектрального уплотнения по длине волны (Wave-length Division
Multiplexing (WDM)). Их объединяют технологии оптических транспортных
сетей – ОТС (Optical Transport Network (OTN)). Скорость передачи данных
по сетям технологии PDH составляет от 2 Мбит/с до 139 Мбит/с; технологии
SDH – от 155 Мбит/с до 40 Гбит/с. Дальнейшее увеличение скорости
передачи данных достигнуто в системах со спектральным уплотнением по
длине волны (технологии CWDM, DWDM) на волоконно-оптических
кабелях.
7.6 Процесс передачи сообщений по сети
Процесс передачи одного большого сообщения по сети может занять
много времени, до завершения которого другие пользователи не имели бы
возможности передавать свои данные. Поэтому большое сообщение делится
на сегменты, которые определенным образом нумеруются, и по сети
211
передается чередующаяся последовательность сегментов разных сообщений.
Процесс чередования сегментов разных сообщений получил название
мультиплексирование.
Для доставки сообщения от источника до назначения, передаваемые
информационные единицы (сегменты, пакеты, кадры) должны адресоваться.
На транспортном уровне задаются номера портов, на сетевом уровне –
логические адреса (IP-адреса), на канальном уровне – физические адреса
(например, МАС-адреса), что образует тройную систему адресации
сообщений.
Логические IP-адреса задаются протоколом IPv4 в виде 32-х разрядного
двоичного кода. В документации IP-адреса представлены в виде четырех
октетов (байтов) в десятичном коде, октеты отделены десятичной точкой,
например, 192.168.10.73.
Протоколом IPv6 предусмотрены адреса длиной 128 двоичных
разрядов,
представленные
в
шестнадцатеричной
системе,
например,
двоичных
разрядов,
2001:0DB8:000A:0001:0002:B3FF:FE18:A1D7.
Физические
MAC-адреса
содержат
48
представленных в документации в шестнадцатеричной системе в одной из
следующих
форм:
03:A7:BE:59:4D:8C;
03-A7-BE-59-4D-8C;
03A7.BE59.4D8C.
В заголовке пакета указывается как IP-адрес источника сообщения,
так и IP-адрес назначения (рис. 7.10). Эти адреса функционируют во всей
сети Интернет. IP-адреса являются иерархическими: старшая часть адреса
задает номер сети, а младшая часть – номер узла в этой сети. Если источник
сообщения и адресат назначения находятся в одной сети, то кадр сообщения
канального уровня передается по каналу с использованием физических,
например, МАС-адресов. В заголовке кадра указывается как МАС-адрес
источника сообщения, так и МАС-адрес назначения.
212
МАС-адрес МАС-адрес IP-адрес
IP-адрес
назначения источника источника назначения
Данные
Трейлер
Рис. 7.10 – Адресация назначения и источника в кадре и пакете данных
Например, при передаче сообщения от источника с IP-адресом
192.168.10.11 и МАС-адресом 01-C9-FA-DB-55-89 адресату назначения с IPадресом 192.168.10.22 и МАС-адресом 01-С9-FA-E5-77-2A кадр содержит в
своем заголовке следующую информацию (рис. 7.11):
01-C9-FA-E5-77-2A 01-C9-FA-DB-55-89 192.168.10.11 192.168.10.22
IP-пакет
FCS
MAC-адрес назначен MAC-адрес источн. IP-адрес источ IP-адрес назн.
Данные
Контр.
сумма
Рис. 7.11 – Кадр одноадресной рассылки
На передающей стороне сообщение последовательно проходит все
уровни модели OSI сверху вниз. В процессе инкапсуляции последовательно
формируются сегменты с номерами портов, пакеты с логическими IPадресами, кадры с физическими МАС-адресами (см. рис. 7.6). Номера портов
задаются исходя из используемого сервиса (сервер HTTP, SMTP, FTP или
др.). Логические IP-адреса определяют пользователя. Физический МАСадрес источника назначается автоматически самим устройством-источником
передаваемой информации.
Для определения МАС-адреса назначения по IP-адресу назначения
используется протокол разрешения адресов (Address Resolution Protocol
(ARP)). Узел, передающий сообщение, посылает ARP-запрос, в котором
указан IP-адрес назначения и получает ответ с необходимым МАС-адресом.
Источник сообщения всегда единственный, поэтому имеет уникальный
логический и физический адрес. Однако сообщение может быть адресовано
единственному (уникальному) устройству, или группе устройств, или сразу
всем устройствам в сети. При этом реализуется либо одноадресная
рассылка сообщения (unicast), либо многоадресная групповая (multicast),
213
либо широковещательная рассылка сообщения (broadcast). Для каждого
вида рассылки сообщения существуют свои особенности задания адресов.
Поскольку на трех нижних уровнях модели OSI функционируют
аппаратно-программные средства (см. рис. 7.5), то обработка сообщения
проводится с высокой скоростью. На верхних же уровнях функционируют
программные средства, что увеличивает время обработки.
В реальных сетях сообщение от одного конечного узла до другого
проходит через целый ряд промежуточных устройств (коммутаторов,
маршрутизаторов). Поэтому для снижения времени задержки (повышения
быстродействия) на промежуточных устройствах сообщение обрабатывается
средствами только трех (рис. 7.12), или даже двух, нижних уровней.
Конечный узел X
Конечный узел Y
Прикладной
Предствления
Сеансовый
Прикладной
Промежуточный
узел А
Промежуточный
узел В
Транспортный
Предствления
Сеансовый
Транспортный
Сетевой
Сетевой
Сетевой
Сетевой
Канальный
Канальный
Канальный
Канальный
Физический
Физический
Физический
Физический
Рис. 7.12 – Передача сообщения по сети
Сформированное на узле источнике сообщение последовательно
проходит все семь уровней с 7 по 1, на что тратится много времени. Таким
образом, Транспортный уровень, обеспечивающий надежность передачи
данных, и верхние уровни (Приложений, Представления, Сеансовый)
функционирует только на конечных узлах, что снижает задержку передачи
сообщения по всей сети от одного конечного узла до другого. В приведенном
примере (рис. 7.12) протокол IP функционирует на всех сетевых элементах, а
полный стек протоколов TCP/IP – только на конечных узлах.
214
В отдельных сегментах сети может использоваться разная среда
передачи, как показано в примере рис. 7.13. Заголовки кадров канального
уровня должны учитывать специфику сетевой среды передачи. В то же
время, заголовки пакетов и сегментов должны быть инвариантны к среде.
А
В
Оптика
Медь
WAP
Беспроводная
точка доступа
Медь
Радиоканалы
Медь
Узел В
Узел А
Рис. 7.13 – Сеть с разнородными соединениями
7.7 Адресация в IP–сетях
Во всемирной сети Интернет используются логические IP-адреса,
задаваемые протоколом IPv4 в виде 32-х разрядного двоичного кода и
протоколом IPv6 в виде 128 разрядного двоичного кода.
В документации адреса IPv4 представлены в виде четырех октетов
(байтов) в десятичном коде. Октеты могут принимать значения от 0 до 255 и
отделены десятичной точкой, например, 192.168.10.73. В старых технологиях
использовались адреса полного класса, в новых технологиях – бесклассовая
адресация.. Характеристики наиболее известных уникальных адресов классов
А, В, С приведены в табл. 7.2.
Таблица 7.2
Классы IP адресов
Класс
A
B
C
Наименьший
адрес сети
1.0.0.0
128.0.0.0
192.0.0.0
Наибольший адрес
сети
126.0.0.0
191.255.0.0
223.255.255.0
215
Максимальное число
узлов
224 - 2
216 - 2
254
IP-адреса являются иерархическими: старшая часть адреса задает
номер сети, а младшая часть – номер узла в этой сети. Количество разрядов
сетевой части определяется классом:
- класс А – 8 двоичных разрядов;
- класс В – 16 двоичных разрядов;
- класс С – 24 двоичных разряда.
При использовании бесклассовой адресации количество разрядов
сетевой части определяется маской или префиксом. Старшие разряды маски,
соответствующие сетевой части адреса, содержат двоичные единицы, а
младшие (узловая часть адреса) – нули, Например, маска соответствующая
классу А будет содержать 8 единиц в старших разрядах и 24 нуля в узловой
часть адреса: 11111111.00000000.00000000.00000000. В десятичной форме
эта маска имеет вид 255.0.0.0 и позволяет адресовать 224 – 2 узла. Маска
класса С (255.255.255.0) содержит 24 единицы в сетевой части и 8 нулей в
младших разрядов узловой части: 11111111.11111111.11111111.00000000,
поэтому можно адресовать 28 – 2 = 254. Количество адресуемых узлов
уменьшается на 2, поскольку необходимо задавать не только адреса узлов, но
и адрес сети и широковещательный адрес, когда адресуются все узлы сети.
Использование префикса позволяет сделать запись адреса и маски
более компактным. Например, адрес 200.123.69.41 с маской 255.255.255.0
(класс С) может быть представлен в следующем виде 200.123.69.41/24.
Префикс /24 указывает, сетевая часть адреса содержит 24 двоичных разряда.
При логическом умножении адреса узла на маску получается адрес
сети. Например, при умножении IP-адреса 192.100.12.67 на стандартную
маску класса С, равную 255.255.255.0, получается следующий результат:
11000000.01100100.00001100.01000011
11111111.11111111.11111111.00000000
11000000.01100100.00001100.00000000
т.е. получен адрес сети 192.100.12.0. Номер узла в этой сети – 67.
216
При бесклассовой адресации сетевая часть адреса может содержать
произвольное число двоичных разрядов. Например, адрес 192.100.12.67/28
говорит, что сетевая часть адреса – 28 разрядов (маска 255.255.255.240);
адрес сети 192.100.12.64, номер узла в этой сети – 3. Результат (адрес сети)
получен при логическом умножении IP-адреса 192.100.12.67 на маску
255.255.255.240
11000000.01100100.00001100.01000011
11111111.11111111.11111111.11110000
11000000.01100100.00001100.01000000
Более подробные сведения об адресации IPv4 рассматриваются в курсе
«Технологии пакетной коммутации» [7].
Общие сведения об адресах версии IPv6
Версия IPv6 использует для адресации 128 двоичных разрядов, что
обеспечивает адресацию 3,4 1038 объектов.
Адрес IPv6 состоит из 8 блоков по 16 двоичных разрядов. Каждый
блок представлен в виде четырех шестнадцатеричных чисел.
Блоки разделяются двоеточием:
2001:0000:7ee5:d947:0009:01c5:6b9f:00c4.
Впереди стоящие нули могут быть пропущены:
2001:0:7ee5:d947:9:1c5:6b9f:c4
Несколько нулей подряд в адресе IPv6 могут быть заменены двойным
двоеточием, так адрес 2001:0:0:0:0:0:0:c4 может быть представлен 2001::c4.
Два двоеточия подряд могут быть использованы только один раз.
Адреса версии IPv6 являются иерархическими, также как и IPv4.
старшие 32 двоичных разряда адреса (рис. 7.14) образуют префикс
провайдера (2001:0db8/32).
217
200
10d
b8
000a
IANA Регистратор ISP
Сайт
Префикс глобальной маршрутизации
(префикс сайта /48)
0001
ID подсети
(16 бит)
0002:b3ff:fe18:a1d7
Идентификатор (ID)
интерфейса (64 бит)
Рис. 7.14 – Поля адреса IPv6
Значение адреса поля сайта (000a) выдается отдельным городам,
районам, организациям, т.е. адресует определенный сайт. Поэтому старшие
48 двоичных разрядов адреса образуют префикс сайта или префикс
глобальной маршрутизации (рис. 7.14).
7.8 Принципы маршрутизации
Для пересылки пакетов от узла источника адресату назначения
необходимо произвести выбор маршрута. Выбор наилучшего пути передачи
данных
реализуют
маршрутизаторы,
которые
строят
таблицы
маршрутизации и обмениваются сетевой маршрутной информацией с
другими
маршрутизаторами.
Маршрутизаторы
принимают
решения,
базируясь на сетевых логических адресах (IP-адресах) в заголовке пакета и
обращаясь к таблицам маршрутизации. Администратор может создавать
(конфигурировать) статические маршруты и поддерживать таблицы
маршрутизации вручную. Однако большинство таблиц маршрутизации
создается
и
поддерживается
динамически,
за
счет
использования
протоколов маршрутизации (Routing Protocol), которые позволяют
маршрутизаторам автоматически обмениваться информацией о сетевой
топологии друг с другом (динамическая маршрутизация).
Маршрутизатор оценивает доступные пути к адресату назначения и
выбирает наиболее рациональный маршрут и создает записи в таблице
маршрутизации на основе некоторого критерия – метрики.
Процесс прокладывания маршрута происходит последовательно от
маршрутизатора к маршрутизатору. При прокладывании пути для пакета
каждый маршрутизатор анализирует сетевую часть адреса узла назначения,
218
заданного в заголовке поступившего пакета, т.е. вычленяет адрес сети
назначения из адреса узла. Затем маршрутизатор обращается к таблице
маршрутизации, в которой хранятся адреса всех доступных сетей, и
определяет свой выходной интерфейс, на который необходимо передать
(продвинуть) пакет. Таким образом, маршрутизатор ретранслирует пакет,
продвигая его с входного интерфейса на выходной, для чего использует
сетевую
часть
адреса
назначения
и
обращается
к
таблице
маршрутизации.
Например, в процессе передачи пакетов от узла xi к узлу yj (рис. 7.15)
маршрутизатор RA может выбрать один из путей:
1. Через маршрутизатор RС;
2. Через маршрутизаторы RD и RE;
3. Через маршрутизаторы RF, RG и RH.
2c
3c
1c
RC
2a
RA
1a
3a
4a
1d
2d
RD
1f
2f
Сеть X
1e
RF
RE
1g
2g
1b
2e
2b
3b RB
2h
4b
1h
RH
RG
xi
Сеть Y
yj
Рис. 7.15 – Определения пути пакета
Пакет, принятый на входном интерфейсе (1а), маршрутизатор должен
отправить (скоммутировать) на другой (выходной) интерфейс (2a, 3a,4a) на
пути к адресату назначения. Оценка наилучшего пути производится на
основе метрики, которая различна у разных протоколов маршрутизации.
Например, если метрика учитывает только количество маршрутизаторов на
пути к адресату, то в таблице маршрутизации (табл. 7.3) будет установлен
первый (верхний) маршрут (выходной интерфейс 2а).
219
Если же метрика учитывает полосу пропускания линий связи,
соединяющих маршрутизаторы, то может быть выбран второй или третий
маршрут при условии, что на этом пути будут наиболее широкополосные
линии связи.
Таблица 7.3
Таблица маршрутизации маршрутизатора RA
№ записи
IP-адрес сети
n-1
…
n
Y
Метрика
2
220
Др. параметры Вых. интерф.
2a
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Среди проблем в области инфокоммуникационных систем и сетей
важное место занимают подготовка и переподготовка кадров. Это
обусловлено повсеместным переходом аналоговых и цифровых АТС на
использование сетей с пакетной коммутацией, а также развитием сети
Интернет, который становится всеобъемлющим (IoE). Поэтому в настоящее
время происходит интенсивная переподготовка кадров, работающих в
области телекоммуникаций. Требования знания основ технологий систем и
сетей как с коммутацией каналов, так и с коммутацией пакетов работодатели
предъявляют и к поступающим на работу выпускникам вузов.
Авторы надеются, что материал настоящего учебника представлен в
доступной форме, что облегчит читателям задачу овладения технологиями
современных систем и сетей связи. Студенты, освоившие материал
настоящего учебника, смогут эффективно изучать последующие курсы
направления подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и
системы связи».
221
Список литературы
1.
Гордиенко, В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и
сетей [Текст]: Учебник для вузов/ Под ред. В.Н. Гордиенко и В.В.
Крухмалева. - М.: Горячая линия – Телеком, 2004. – 510 с. - (Учебник для
вузов) .
2. Гордиенко, В.Н. Основы построения телекоммуникационных систем и
сетей [Текст]: Учебник для вузов.2- изд. испр. / Под ред. В.Н. Гордиенко и
В.В. Крухмалева. - М.: Горячая линия – Телеком,2008. -424 с.- (Учебник
для вузов).
3. Гордиенко, В.Н., Многоканальные телекоммуникационные системы
[Текст]: Учебник для вузов/ В.Н. Гордиенко, М.С. Тверецкий .– М.: Горячая
линия – Телеком, 2005. – 416 с.- (Учебник для вузов) .
4. Гордиенко, В.Н. Оптические телекоммуникационные системы [Текст]:
Учебник для вузов/ Под ред. В.Н. Гордиенко. – М.: Горячая линия –
Телеком, 2011. – 368 с. - (Учебник для вузов)
5.
Гольдштейн, Б.С. Сети связи [Текст] : Учебник для вузов / Б.С.
Гольдштейн, Н.А. Соколов, Г.Г. Янковский. – Спб. БВХ-Перербург, 2010, 400 с.- (Учебник для вузов)
6. Олифер, В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы
[Текст] : учеб. для вузов / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. - СПб. : Питер, 2014. 944 с. – (Учебник для вузов).
7. Васин, Н.Н. Технологии пакетной коммутации [Текст]: Учебник/
Н.Н.Васин . М.: Национальный открытый университет «ИНТУИТ». 2017. –
408 с.- (Учебник) .
8. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего
образования по направлению подготовки 11.03.02 –
Инфокоммуникационные технологии и системы связи (уровень
бакалавриата). Приказ Минобрнауки России от 6 марта 2015 г. № 174.
9. Электронный ресурс.- Режим доступа: http://deps.ua/knowegable-baseru/spravochnaya-informatsiya/item/453-kharakteristiki-opticheskikhvolokon.html. Загл. с экрана.
10. Электронный ресурс.-Режим доступа https://optikcable.ru/poleznayanformaciya/opticheskoe_volokno_fujikura_futureguide_lwp/Загл. с экрана
11. ГОСТ 24375 – 80 Радиосвязь. Термины и определения.
12.
Кубанов, В.П. Основы теории антенн и распространения радиоволн
[Текст]: учебное пособие / В.П. Кубанов, В.А. Ружников, Ю.М. Сподобаев, –
Самара. «ОФОРТ», 2016 –253 с.-(Учебное пособие)
13.
Васин, В.А. Радиосистемы передачи информации [Текст]: учебное
пособие для ВУЗов / В.А. Васин, В.В. Калмыков, Ю.Н. Себекин, А.И. Сенин,
И.Б. Федоров– М.: «Горячая линия – Телеком», 2005. – 472с.( Учебное пособие)
14. Регламент радиосвязи, 2008.
15. Программа сетевой академии Cisco CCNA 1 и 2. Вспомогательное
руководство [Текст] : - М.: Издательский дом «Вильямс», 2005. - 1168 с.
222
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
34
Размер файла
2 649 Кб
Теги
setej, uchebnik, 2017, osnovy, sister, infokommunikacionnyh, postroenia, vasil
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа