Рис. 1.2. Структурная схема цифровой системы связи.

Рис.1.3. - Процесс преобразования дискретного сообщения в сигнал и обратного преобразования сигнала в сообщение

Дадим описание каждого блока структурной схемы цифровой системы передачи непрерывных сообщений.

1. Источник информации (сообщения) генерирует сигнал, предназначенный для дальнейшей передачи в канале связи. Этот сигнал должен содержать случайную составляющую, иначе он не будет нести никакой информации.

Источник информации может выдавать данные для передачи по каналу связи как в цифровом виде (современные носители цифровой информации, различные датчики с цифровым интерфейсом и т. д.), так и в аналоговом виде (аналоговые датчики, передача звука и изображения и др.). Независимо от типа источника информации данные должны быть представлены в как можно более сжатом цифровом виде. Процесс эффективного преобразования данных в последовательность двоичных символов называется кодированием источника или сжатием данных . Как правило, данные на цифровых носителях являются уже сжатыми (например, формат цифрового кодирования звуковой информации с потерями MP3, алгоритмы сжатия видеоинформации MPEG, алгоритм сжатия изображений JPEG), тогда как данные с аналоговых источников информации зачастую слишком избыточны и требуют сжатия.

2. Аналогово-цифровой преобразователь. В составе цифрового канала предусмотрены устройства для преобразования непрерывного сообщения в цифровую форму – аналогово-цифровой преобразователь на передающей стороне и устройство преобразования цифрового сигнала в непрерывный – ЦАП на приемной стороне. АЦП посредством импульсно-кодовой модуляции переводит сигнал из аналоговой формы в цифровую, представленную в виде последовательности m-ичных кодовых комбинаций. На приемной стороне ЦАП восстанавливает исходное сообщение по принятым кодовым комбинациям.

Рис.1.4. Структурная схема АЦП

Суть преобразования аналоговых величин заключается в представлении некой непрерывной функции (например, напряжения) от времени в последовательность чисел, отнесенных к неким фиксированным моментам времени. Пусть, к примеру, есть какой-либо сигнал (непрерывный) и для преобразования его в цифровой необходимо этот сигнал представить в виде последовательности определенных чисел, каждое из которых относится к определенному моменту времени. Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить 3 операции: дискретизация, квантование и кодирование.

Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

3. Модулятор (лат. modulator - соблюдающий ритм) -устройство, изменяющее параметры несущего сигнала в соответствии с изменениями передаваемого (информационного) сигнала. Этот процесс называют модуляцией , а передаваемый сигнал модулирующим .

По виду управляемых параметров модуляторы делятся на: амплитудные , частотные , фазовые , квадратурные , однополосные и т.д. Если несущими являются импульсные сигналы, то их модулируют с помощью амплитудно-импульсных, частотно-импульсных, время-импульсных и широтно-импульсных модуляторов. Качество работы модуляторов определяется линейностью его модуляционных характеристик.

Модулятор является одной из составных частей передающих устройств радиосвязи, радио- и телевещания. Здесь несущими являются высокочастотные гармонические колебания, а модулирующими - колебания звуковой частоты и видеосигналы. Модуляторы также применяют в радиолокации, системах кодово-импульсной связи, телеуправлении и телеметрии. Модуляторы, преобразующие постоянные напряжения в переменные, применяются в усилителях постоянного тока, работающих по принципу модуляции -демодуляции, для устранения дрейфа нуля и повышения чувствительности аналоговых вычислительных устройств. Устройство, работающее по принципу модулятор-демодулятор, называется модем .

Рис.1.5. Модулирование аналогового сигнала

4. Канал связи (англ. channel, data line ) - система технических средств или среда распространения сигналов для передачи данных от источника к получателю. В случае использования проводной линии связи, средой распространения сигнала может являться оптическое волокно или витая пара.

Канал связи является составной частью канала передачи данных. Линией связи называется среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. В системах электрической связи - это кабель или волновод, в системах радиосвязи - область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику.

Каналом связи называется совокупность средств, обеспечивающих передачу сигнала от некоторой точки А системы до точки В. Точки А и В могут быть выбраны произвольно, лишь бы между ними проходил сигнал. Если сигналы, поступающие на вход канала и снимающиеся с его выхода, являются дискретными (по состояниям), то канал называется дискретным . Если входные и выходные сигналы канала являются непрерывными, то и канал называется непрерывным . Встречаются также дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы, на вход которых поступают дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные, или наоборот. Видно, что канал может быть дискретным или непрерывным независимо от характера передаваемых сообщений. Более того, в одной и той же системе связи можно выделить как дискретный, так и непрерывный каналы. Все зависит от того, каким образом выбраны точки А и В входа и выхода канала.

Непрерывный канал связи можно характеризовать так же, как и сигнал, тремя параметрами: временем T k , в течение которого по каналу ведется передача, динамическим диапазоном D k и полосой пропускания канала F k . Также в канале связи на сигнал накладываются помехи, обусловленные различными характеристиками среды распространения.

Важнейшими показателями работы системы связи являются:

Скорость передачи;

Пропускная способность;

Помехоустойчивость.

Кроме того, во всех системах связи должно соблюдаться условие: пропускная способность > скорость передачи.

Под помехоустойчивостью понимают способность системы противостоять вредному влиянию помех на передачу сообщений. Максимальное количество информации, которое может быть передано двоичным символом, получило название бит . Существуют и многие другие параметры, характеризующие с различных точек зрения качества системы связи. К ним относятся скрытность связи , надежность системы , габаритные размеры и масса аппаратуры , стоимость оборудования , эксплуатационные расходы и т. п.

5. Демодулятор , детектор (фр. demodulateur ) - электронный узел устройств, отделяющий полезный (модулирующий) сигнал от несущей составляющей.

Переданное сообщение в приемнике обычно восстанавливается в такой последовательности. Сначала принятый сигнал демодулируется. В системах передачи непрерывных сообщений в результате демодуляции восстанавливается первичный сигнал, отображающий переданное сообщение. Этот сигнал затем поступает на воспроизводящее или записывающее устройство.

В системах передачи дискретных сообщений в результате демодуляции последовательность элементов сигнала превращается в последовательность кодовых символов, после чего эта последовательность преобразуется в последовательность элементов сообщения, выдаваемую получателю. Это преобразование называется декодированием .

Операции демодуляции и декодирования – не просто операции обратные модуляции и кодированию. В результате различных искажений и воздействия помех пришедший сигнал может существенно отличаться от переданного. Поэтому всегда можно высказать несколько предположений о том, какое именно сообщение передавалось. Задачей приемного устройства и является принятие решения о том, какое из возможных сообщений действительно передавалось источником. Та часть приемного устройства, которая осуществляет анализ приходящего сигнала и принимает решение о переданном сообщении, называется решающей схемой .

6. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП ) - устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами

Общие типы электронных ЦАП:

- широтно-импульсный модулятор - простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике;

- ЦАП передискретизации , такие как - ЦАП, основанные на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования. Часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.

- ЦАП взвешивающего типа , в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;

- ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R , называемой матрицей постоянного импеданса. Данная матрица имеет два вида включения: прямое - матрица токов и инверсное - матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой резисторов на одной подложке достигается точность 20-22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то есть наносекунды)

ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом.

7. Получатель информации (выход сигнала) – им может служить динамик, экран телевизора, любое воспроизводящее полученный сигнал устройство.

Поскольку человек как получатель информации является ключевым элементом любой телекоммуникационной системы, качество сигнала оценивается по его субъективному восприятию речи. К основным показателям качества принимаемой речи относят: разборчивость (понятность) , громкость и натуральность .

Понятность речи - определяющая характеристика тракта передачи речи, так как если тракт не обеспечивает полной понятности речи, то никакие другие его преимущества не имеют значения - он не пригоден к эксплуатации. Для непосредственного определения этой качественной характеристики есть только один метод – субъективно-статистические испытания (ССИ), требующий большого количества речевого материала, обработанного кодеками и трактом передачи, и привлечения группы экспертов (тренированных слушателей и дикторов). Разработан косвенный, объективный количественный метод определения понятности речи через ее разборчивость .

Исторически первой попыткой передать цифру считают телеграф Шиллинга (1832). Постепенно изобретатель, пытаясь снизить число соединительных линий, внедрил методику кодирования печатных знаков двумя состояниями. Аналогично работает азбука Морзе (1840).

Цифровая связь – род электросвязи, использующий дискретные сигналы, как правило, двоичной системы счисления.

История кодирования информации с точки зрения связи

Считаем излишним упоминать опостылевший читателям дым костра пещерных людей. Семафор Шаппа столь же никудышный пример. И тут Википедия, сообщила: Лейбниц, основоположник двоичного счета, интересовался китайской Книгой перемен… Глубочайшие древние знания сегодня недооценивается брезгливо отбрасывающими непонятое неучами. Пойдём узкой тропой.

Древние жители Малайзии использовали комбинированную двоично-десятичную систему счисления. Ритуальные барабаны Африки формировали кодовый сигнал, служащий различным целям.

Древний Египет

Википедия не даст соврать – египтяне хорошо умели считать. Дробей было даже два вида:

1. Египетские получили собственное название. Бытовала запись числа конечной суммой простых дробей. Математики доказали: каждое положительное рациональное число раскладывается указанным образом. Методику переняли многие древние цивилизации.
2. Глаз Гора (напоминает Око Ра), знак даёт защиту, королевскую власть, отличное здоровье. Современные исследователи дали изображению собственные названия, отметив схожесть отдельных элементов с цифрами.

Глаза Гора

Гор считается сыном Осириса и Исиды. Традиционно наделяют головой сокола. Правый глаз древних изображений олицетворяет бога солнца Ра, левый – бога мудрости Тота. Оба являются зеркальными отражениями друг друга. Иероглифы, обозначающие глаз, имеют смысл: делатель; человек, занимающийся трудом. Различные участки изображения представляли единицу, делённую на первые 6 степеней двойки, напоминая современный бинарный код:

1. 1/2. Правая сторона глаза.
2. 1/4. Глазное яблоко.
3. 1/8. Бровь.
4. 1/16. Левая сторона.
5. 1/32. Изгиб, завиток, имитирующий морщину ниже глаза.
6. 1/64. След слезы.

В 2003 году Джим Риттер окончательно доказал несостоятельность теории сходства элементов глаз с иероглифами, обозначающими цифры. Однако терминология прижилась, продолжает активно применяться учёными-математиками. Египтяне применяли делители степень двоек, подсчитывая урожай, объёмы жидкостей. Первые следы употребления датируются 2400 г. до Р.Х. Порядок действий при умножении задействует алгоритм, включающий двоичное представление второго числа.

Книга перемен

Документ, датированный IX в. до Р.Х., демонстрирует систему гаданий в четверичной системе счисления. Базовая система образована:

1. Двойственной природой сил: инь, ян.
2. Восемью триграммами Будуа (общее количество: третья степень числа два).
3. 64 гексаграммами Люшисыгуа (общее количество: шестая степень числа два).

Шао Йонг выстроил гексаграммы согласно порядку возрастания, создав набор чисел. Хотя никогда не пытался использовать картинки, выполняя математические вычисления.

Индия

Древний учёный Пингала (2 в. до Р.Х.) разработал ритмическую систему стихосложения, напоминающую азбуку Морзе – длинные/короткие слоги. Трактат Чандас-шастра стал обрядовой классикой, сопутствующей Ведам. Информация описана матрицей, помогающей снабдить стихотворение неповторимым ритмом. Современный двоичный аналог отсутствует.

Средневековая двоичная система

В 1605 году Фрэнсис Бэкон рассматривал систему двоичного кодирования букв, предлагая визуальную систему распознавания шифрованной информации. Попутно упоминал возможность использования:

1. Колоколов.
2. Огней.
3. Факелов.
4. Мушкетных залпов.
5. Трубных мелодий.

Джон Непер (1617) описал систему двоичных вычислений. Томас Харриот интересовался вопросом, поленившись опубликовать результаты. Позже бумаги были найдены среди рукописей учёного. Первой тематической рукописью считают работу Хуана Карамуэля и Лобковица (1670). Раздел Ru binara arithmetica вводит понятие двоичной системы:

• 1 = а.
• 0 = о.

Попутно богослов упоминает возможность использования основ счисления выше десятичной, предлагая заменять недостающие цифры буквами. 32 = аооо. Поныне используется современными вычислительными системами. Учёный пытался показать: двоичное счисление подсказано природой. Лобковиц опирался на музыкальный строй инструментов. Вплетая витиеватые представления философии, указал небесную подоплёку применения троичной системы. Четыре стороны света увязал на четверичную.

Похожими тропами двигались мысли Харриота, чьи работы составляли тайну для современников.

Лейбниц

Лейбниц заинтересовался проблемой в 1979 году. Первому знакомству с китайским раритетом обязан члену миссионерской общины Иоакиму Буве, посещавшему (1685) страну шелка лично. Гексаграммы подтвердили универсальность собственных христианских мировоззрений Лейбница. Проиллюстрируем не очевидный ход мысли учёного:

1. Христос создан из ничего (Ex nihilo) велением Бога. Противопоставляясь другим людям, созданным из материи. «Нелегко донести язычникам концепцию творения из ничего посредством силы Бога. Теперь каждый может показаться замечательную систему счисления, где мир представлен число 1, ничто – числом 0.» Цитата письма герцогу Брауншвейгу с приложенными гексаграммами.
2. Связка Бытие/Ничто формирует дуалистическую систему.
3. Двоичный счёт является даром небес.

Двадцать пять лет спустя вышел очерк Объяснение двоичной арифметики, использующей числа 0 и 1, дополненное объяснением полезности и связи с китайскими фигурами Фу Си. Семантическое представление значений идентично общепринятому современному. Учёный потрудился выстроить гексаграммы (см. выше), получив мощное средство производства вычислений.

Двоичная арифметика

Джордж Буль (1854) создал знаменитую логику, получившую волей сообщества математиков уникальное название. Логика стала основой конструирования современных цифровых приборов. Клод Шеннон (1937, Массачусетский технологический институт) сформулировал ключевые тезисы реализации электронных вычислителей, использующих переключатели, реле. К ноябрю Джордж Штибиц реализовал концепцию, построив Модель К. Литера обозначала кухню, где трудился изобретатель.

США

Первый вычислитель умел складывать цифры. Лаборатории Белла организовали исследовательскую программу, поставив главным Штибица. Оконченная 8 января 1940 года машина использовала комплексные числа. Демонстрируя детище конференции Американского математического общества на базе колледжа Дартмуна, изобретатель подавал команды посредством телефонной линии, используя телетайп. Продемонстрировав прототип современной клавиатуры – устройства ввода. Демонстрацию посетили лично:

1. Джон фон Ньюманн.
2. Норберт Винер.
3. Джон Моучли.

Германия

Параллельно компьютер Z1 (альтернативное имя V1 – экспериментальная модель) построил Конрад Цузе. Двоичный вычислитель считывал простейшие инструкции с перфорированной плёнки. Изделие 1935-1936 г.г. считают первым программируемым устройством современной истории человечества. Разработка полностью оплачена частными фондами. Компьютер весом 1 тонну полностью уничтожен бомбардировкой Берлина 1943 года войсками союзников. Рядом сгорели чертежи…

Это интересно! Оригинальное имя V1 повторяло название знаменитых Фау-1 (самолётов-снарядов). Поэтому современной литературой употребляется Z1.

1. Контрольный блок – аналог процессора.
2. Математическую логику с плавающей запятой.
3. Память (читаемая/исполняемая) объёмом 64 слова.
4. Устройства ввода-вывода, включая считыватель 35 мм перфоленты.

Контрольный блок давал возможность наблюдать последовательность исполняемых операций. Вычислительный блок оперировал 22-битными числами с плавающей запятой. Логические операции расширяли функциональность. Первоначальный набор содержал 9 инструкций, занимающих 1-20 «процессорных» циклов.

Входные/выходные данные десятичные.

История развития цифровой связи

Исторически первой стала амплитудная модуляция сигнала, внедрённая Поповым за неимением выбора. Частотная запатентована 26 декабря 1933 года Эдвином Армстронгом. Отличается более широкой полосой частот, занимаемых передаваемым сигналом. Цифровой сигнал использует обе методики. Отличие описывается способом представления информации:

1. Величина физического мира аналогового характера становится цифрой двоичной системы счисления.
2. Символы 0, 1 кодируются установленным образом.
3. Приёмная сторона расшифровывает послание.

Исторически первым устройством, применяющим кодирование называют телеграф Шиллинга (1832) – реализацию идеи Андрэ-Мари Ампера. Некорректно называть связь цифровой, потому что буквы также являются объектами дискретными. Отсутствует факт преобразования величин.

Мультиплексирование

Необходимость нарезать сигнал вызвана желанием телеграфистов использовать одну линию передачи. Первый трансатлантический кабель стоил недёшево. Немедля начали канал сдваивать, учетверять. Наука дискретизации шагает параллельно первым потугам моряков утопить кабель. Американский изобретатель Мосес Фармер предложил (1853) мультиплексирование с временным делением абонентов. Несколько передатчиков смогли использовать одну линию.

Двадцать лет спустя Эмиль Бодо построил машину автоматического мультиплексирования телеграфов Хагис. Долгое время положение дел устраивало общественность. Отсутствие элементной базы стопорило работы. В 1903 году Майнер создал электромеханический коммутатор временного мультиплексирования телеграфов. Последовательно технологию транспонировали на телефонные линии. Частота нарезки составляла 3,5-4 Гц, оставляя желать лучшего.

Кабельная система передачи изображений Бартлейна (1920) посылала оцифрованные рисунки принимающему факсу на другой стороне Атлантического океана. Применение бинарной арифметики снижало время передачи, достигая показателя 3 часа. Изначально производилась кодировка пятью оттенками серого. Постепенно число повышалось, достигнув (1929) пятнадцати. Имя технологии является производным двух создателей концепции:

1. Гарри Бартоломью.
2. Майнхард МкФарлейн.

Идею перенял Пол Рэйни, запатентовавший факсимильную машину, производящую оцифровку изображения 5-битным кодом посредством опто-механического конвертера. Попытка промышленного выпуска провалилась. Британского инженера Алека Ривса считают основоположником оцифровка голосовых сообщений. Теоретически рассмотрев вопрос, изобретатель подал заявку французскому бюро (по месту основной работы). Война подзатянула решение комиссии. Положительный ответ принёс 1943 год.

Зелёный шершень

Историки затрудняются указать первый факт установления цифровой связи, запутанный секретами Второй мировой войны. Шифровальное оборудование SIGSLAY радовало союзников непонятными врагам передачами. Википедия однозначно называет альянс пионерами. Техника использовала кодово-импульсную модуляцию. Находятся энтузиасты, приписывающие роль первопроходца Попову. Полагаем, несостоятельность трактовки очевидна.

Это интересно! Прототип первого цифрового связного оборудования назвали программой Зелёный шершень. Передатчик похоже гудел, кодируя информацию. Зелёный шершень помог провести 3000 конференций.

Немецкие шпионы прослушивали каналы связных скрамблеров А-3, построенных Вестерн Электрик. Иногда глушили трафик. Враждующие стороны постоянно взламывали взаимную защиту. Злоумышленникам помогал анализатор спектра. Сигсалли маскировал посылку, спрятанную предварительно вокодером, псевдошумовым сигналом. Разработчики заложили частоту дискретизации 25 Гц. Изобретатели продемонстрировали ряд новых технологий, реализуя схему:

1. Выборку десяти каналов линии диапазона 250..2950 Гц шифрации.
2. Оцифровку согласно правилу наличия, отсутствие фонации.
3. Наличие характеризовалось высотой тона, скорость изменения ниже 25 Гц.

Выборки нарезали частотой 50 Гц, амплитуду конвертировали шестью уровнями (числом 0..5). Шкала дискретизации нелинейная с большими пролётами на сильных сигналах. Разработчики использовали данные физиологов, констатирующих: оттенки голоса закладываются не всеми колебаниями голосовых связок одинаково. Звук с фонацией кодировали парой 6-уровневых чисел, добиваясь получения 36 уровней.

Криптографический ключ образован серией случайных значений 6-уровневых чисел. Код вычитался из выборки голосовых отсчётов по модулю 6, скрывая содержимое. Несущая подвергалась частотной манипуляции (резкое изменение значения несущей). Приёмник принимал набор значений, образовывал выборку сообразно принятой системе кодирования. Затем сигнал расшифровывали, производя сложение по модулю 6. Вокодер довершал цепочку преобразований.

1. Белым шумом заполнялись промежутки, лишённые фонации.
2. Генератор формировал сетку гармоник, частота которых контролировалась высотой тона (см. выше).
3. Отдельный переключал тонации контролировал тип звучания.
4. Дело довершал регулируемый усилитель.

Шумовые комбинации шифрования ключа изначально записали с большого ртутного выпрямителя на фонограф. Информацию разослали пользователям системы. Терминал, сформированный 40 блоками, весил 50 тонн, потребляя 30 кВт энергии. Комнату приходилось охлаждать воздухом. Первый комплект занял помещение здания Пентагона. Президент Франклин Рузвельт круглосуточно имел возможность общаться, выслушивая планы премьер-министра Уинстона Черчилля, имевшего собственный экземпляр под Оксфорд Стрит. 15 июля 1943 года состоялась первая пресс-конференция союзников. Стороны установили необходимое количество наборов, включая один, занявший борт флагмана Генерал Дуглас МакАртур.

Достижения

1. Первая секретная радиосвязь.
2. Первая дискретизированная передача данных.
3. Внедрение концепции кодово-импульсного радиоканала.
4. Использование компадирования.
5. Первая радиопередача многоуровневой частотной манипуляции.
6. Первая технология компрессии спектра речи.
7. Внедрение методики частотного деления каналов при помощи манипуляции.

Развитие концепции цифровой связи

Канадская военно-морская система DATAR (1949) стала транслировать информацию. Формирование считают первым примером военной информационной системы, реализуя концепцию единого командного пункта. Канада хорошо помнила 1943 год, когда получила возможность координировать действия морских сил союзников. Командование задумало упростить процесс. Круглый планшет, напоминающий экран радиолокационной станции, показывал положение участников баталии. Проект затрагивал морской флот, попутно специалисты отметили возможный охват всех родов войск.

Демонстрация 1953 года провалилась, заставив ВВС США заняться разработкой SAGE. Центральная система управляла действиями NORAD, отражая возможные атаки воздушного флота противника. Обстановка, сдобренная изрядной долей дисплеев, компьютеров, стала неотъемлемой частью холодной войны. Основу производственной мощности составил супервычислитель AN/FSQ-7, снабдивший процессорным временем командные центры, занимавший 22000 квадратных футов пола.

Стоимость, исчисляемая миллиардами долларов, перекрыла затраты Манхэттанского проекта. Тест Небесного щита показал перехват 25% бомбардировщиков. Сегодня управляющая роль получена микрокомпьютерам, дублирующим функции машинных залов. Ограниченность технологии объяснялась необходимостью использования вакуумных электрических приборов. Военные отдали часть технологий промышленности. 24-канальные машины 1953 года были далеки океану, военной авиации. Истинное призвание техники RCA – посылать звуковые сообщения на Брод Стрит (Нью-Йорк), обеспечивать функционирование линий Роки Пойнт – Лонг Айленд.

Цифровая революция

Подложка давно была готова. Основы, кропотливо развиваемые учёными, заложил Чарльз Бэббидж. Технологии связи развивали телеграфисты. США выделили для цифровых проектов бюджет. Статья Клода Шеннона Математическая теории связи (1948) стала путеводной звездой отрасли. Промышленность ринулась оцифровывать аналоговые сигналы. Копии стали идентичны оригиналом, перестали стариться. Цифровая информация без потерь преодолевала кабель, эфир.

1947 год принёс миру полупроводниковый триод. Военные мигом оценили предоставляемые возможности. Вероятно засекреченные ранее сведения специально обнародовали, оценив потенциал гражданской промышленности США. Параллельно Великий рывок совершила Япония, порастеряв остатки феодального строя. 50-60-е годы основными потребителями оставались военные, правительство. В 1969 году Intel выпустили микропроцессор 4004, подготовивший базис будущей революции. Одновременно США заложили будущую основу общемировой сети интернет, инициировав проект ARPANET.

Хронология развития кодово-импульсной модуляции

Важно! Зал славы национальных изобретателей США наградил Бернарда Оливера, Клода Шеннона за создание кодово-импульсной модуляции (патент США 2.801.281, 1957 год).

Первая система вещательных приёмопередатчиков (1961) несла 24 телефонных канала кодово-импульсной модуляции (КИМ), частотой выборки 8 кГц, кодированных 8-битными числами. Качество связи соответствовало используемому ранее частотному мультиплексированию. Указанное помогло оцифровать:

1. Связь. Поколение 2G (1992) сотовых сетей стало цифровым.
2. Телевещание (начало 90-х, XX века). Женевское соглашение, принятое 17 июня 2015 года, установила сроки устранения странами последних признаков аналогового вещания. Первыми (2006) ушли Нидерланды, Люксембург. Россия планирует окончить процесс в 2019.
3. Радиовещание (конец 80-х, XX века). Норвежская корпорация NRK 1 июня 1995 года первой начала коммерческую трансляцию. К 2017 году 38 стран запустили сервис, включая Россию.

Изобретённая Алеком Ривсом (1937) импульсно-кодовая модуляция постепенно достигла областей звукозаписи, позже захватив коммерческое вещание. Пионерами стали продукты японских брендов (1971) NHK, Ниппон Колумбия. Параллельно опыты вели ВВС, создавшие цифровой двухканальный рекордер. Годом позже британцы провели пробную цифровую трансляцию. Развитие цифровой записи предшествовало появлению вещания.

• Четвёртое поколение коммутаторов 4ESS внедрено в систему телефонных линий США (1976).
• Линейная кодово-импульсная модуляция (1982) включена красной книгой стандартов записи компакт-дисков.
• AES3, основа будущего S/DIF, вводится в обиход (1985).
• Формат файлов.WAV становится стандартом персональных компьютеров (1991).
• Мировая запись носителей переходит на цифру: DVD (1995), Blu-ray (2005).
• Разработка цифровых протоколов передачи (2001) любительских раций (D-STAR, компании ICOM).
• HDMI поддерживает кодово-импульсную модуляцию (2002).
• Контейнер RF64 включает КИМ (2007).

Резюме развития технологии

Виды радиолюбительской связи на КВ принёс миллениум. Упоминая наработки Второй мировой войны, попутно обсуждали громадные размеры оборудования (машинные залы). Минимизация шла полным ходом, однако новинки оставались засекреченными. Исключая области записи, компьютерных сетей. Развал СССР явил миру чудеса цифровой техники: вещание, персональные вычислительные машины, связь. Поэтапно мир выбрасывает вон аналоговые технологии, модернизируя оборудование.

Структурная схема процесса позволяет игнорировать старение, погодные условия, помехи. Модем шутя выполняет работу машинного зала времён Второй мировой войны. Радиолюбителям стали выделять технику, о которой мечтали вьетнамские войска. Процесс вскоре позволит домоседам проектировать системы, насиживая уютное кресло. Возблагодарим интернет, подаривший людям возможности, доселе не известные планете.

"Физиология" и "анатомия" цифровой связи стандарта GSM

В последние два десятилетия во всем мире наблюдается интенсивное развитие систем подвижной связи, которые не только весьма удобны, но во многих случаях стали просто незаменимым видом услуг. Весьма широкое использование получили сотовые системы радиосвязи, создание которых стало крупным научно-техническим достижением 80-90-х годов. Для работы этих систем требуется ограниченный спектр радиочастот благодаря пространственному разнесению приемопередатчиков с совпадающими рабочими частотами. Первые такие системы подвижной связи общего пользования появились за рубежом в конце 70-х годов, и с тех пор рост спроса на них значительно опережает спрос на другие услуги связи. К середине 80-х годов аналоговые системы сотовой связи (ACS - Analog Communication System), ставшие первым поколением таких систем, получили достаточно широкое распространение в ряде стран. Однако анализ серьезных недостатков, присущих аналоговым системам (в частности, несовместимость различных стандартов, недостаточно высокое качество связи и ее зависимость от удаления подвижного абонента от базовой станции, сложности с шифрованием передаваемых сообщений и ряд других), в конце 80-х годов показал, что преодолеть их возможно только на основе цифровой техники.

Аналоговый стандарт скандинавской мобильной телефонии (NMT-450 - Nordic Mobile Telephone) использует диапазон частот 453 - 468 МГц. В этом случае предоставляется значительно большая по сравнению с другими стандартами площадь обслуживания одной базовой станции и соответственно меньшие затраты, а также малое затухание сигнала на открытом пространстве. Возможность пользоваться связью на расстоянии в несколько десятков километров от базовой станции при благоприятных погодных условиях даже за пределами гарантированной зоны покрытия, если абонент может подключить высокоэффективные направленные антенны и усилители очень выгодно для обширных территорий с низкой плотностью населения. Обратной стороной медали является слабая помехоустойчивость, поскольку в этом частотном диапазоне уровень различного рода помех и их влияние выше, чем в диапазонах 800, 900 и 1800 МГц (особенно ощутимо в больших городах, где развита промышленная сеть), и меньшая, чем в цифровых стандартах системы связи (DCS - Digital Communication System), возможность предоставления широкого спектра сервисных услуг. Кроме всего прочего этот стандарт абсолютно не защищен от прослушивания, поскольку его полоса частот типична для приема приемника ультракоротких волн соответствующего диапазона. В довершение ко всему стоит отметить, что аналоговые стандарты планируется заменить цифровыми - например, NMT-450 на GSM-400.

Аналоговый стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone Service) с рабочим диапазоном частот 825 - 890 МГц характеризуется более высокой, чем у NMT-450, емкостью сетей и более надежной связью в помещениях, низкой восприимчивостью к индустриальным и атмосферным помехам. Однако меньшая зона устойчивой связи для одной базовой станции вынуждает операторов ставить их ближе друг к другу. Учитывая данные недостатки, был разработан цифровой улучшенный стандарт DAMPS.

Цифровой стандарт DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service) с рабочим диапазон частот 825 - 890 МГц обладает емкостью сетей значительно выше, чем у NMT-450 и AMPS. Возможность эксплуатации мобильных аппаратов как в цифровом, так и в аналоговом режимах, широкий спектр сервисных услуг, а так же емкость сетей сотовой связи, работающих в этом стандарте, ниже, чем в полностью цифровых системах, но все же значительно выше, чем в аналоговых. Если при роуминге абонент из аналоговой сети AMPS попадает в цифровую - DAMPS, для работы ему выделяются аналоговые каналы, однако в этом случае преимущества цифровой связи недоступны.

Цифровые сотовые сети стали вторым поколением таких подвижных систем связи. Переход на технику второго поколения позволил использовать ряд новых решений, в том числе более эффективные модели повторного использования частот, временное разделение каналов между собой, разнесение во времени процессов передачи и приема при дуплексной связи, эффективные методы борьбы с замираниями и искажениями сигналов, эффективные низкоскоростные речевые кодеки с шифрованием передаваемых сообщений для ведения кодированной передачи, более эффективные методы модуляции и интеграцию услуг телефонной связи с передачей данных, и другими услугами подвижной связи.

Но главная особенность цифровой техники - программное управление многими процессами, включая формирование логических каналов, переключение подвижного абонента между сотами, организация современных протоколов связи на основе эталонной модели взаимосвязи открытых систем (MOSC - Open System Communication Model) международной организации по стандартизации (ISO - International Standards Organization), а также управление с помощью интеллектуальной сети. Эти преимущества определили дальнейшее развитие сотовых систем в 90-х годах на основе цифровой техники.

Существует несколько стандартов цифровых систем связи: европейский GSM (Global System for Mobile communications), американский ADS (American Digital System), традиционно использующийся в США PCS (Personal Communications Service), английский (DCS - Digital Cellular System) DCS-1800, являющийся прямым аналогом GSM-1800, и японский JDS (Japan Digital System). В странах СНГ более широко применяется стандарт GSM. Это стандарт, определяющий работу в радиотелефонных сетях общего пользования, получил распространение в Европе, однако в США принят стандарт PCS-1900, что говорит о его несовместимости с европейским вследствие различных радиочастот, применяемых для связи. В частности, европейский институт стандартизации телекоммуникаций (ETSI - the European Telecommunications Standards Institute) стандартизировал и определил основные положения действующих в настоящее время в Европе стандартов мобильной связи.

Для работы сотовых систем общего пользования в большинстве стран СНГ были выделены частотные диапазоны: 450МГц - для аналоговой системы NMT-450i и диапазон 900МГц - для систем GSM. Эти две системы стандартов NMT-450i и GSM-900 получили статус федеральных. Дальнейшее развитие сотовых систем связано как с освоением для системы GSM диапазона 1800МГц, так и с переходом к третьему поколению сотовых систем, которые позволяют более гибко решать задачи предоставления каналов подвижным абонентам (в том числе с разными скоростями передачи) за счет широкополосных систем передачи и множественного кодового разделения каналов (СDМА - Code Division Multiple Access).

В системах первого и второго поколений с множественным частотным (FDMA - Frequency Division Multiple Access) и временным (TDMA - Time Division Multiple Access) разделением каналов качество связи определяется количеством предоставляемых каналов и нагрузкой, которая ограничивается пучком наличных каналов, а если все они заняты, то абонент получает отказ. В системе же с кодовым разделением ограничение накладывается на помехи. Хотя здесь и имеет место ограниченное число кодов, а также фиксированное количество аппаратных средств формирования каналов, до этих ограничений дело обычно не доходит. Фактическое ограничение пропускной способности возникает из-за того, что все соединения, одновременно использующие весь выделенный спектр частот, могут создавать взаимные помехи. Таким образом, достигается "мягкое" управление пропускной способностью в том смысле, что рост числа пользователей (сверх определенного предела) сопровождается плавным ухудшением качества связи.

1.1. Общие положения

Эталонная модель OSI стала основной архитектурной моделью для систем передачи сообщений.

Эталонная модель OSI делит проблему передачи информации между абонентами на семь менее крупных и, следовательно, более легко разрешимых задач. Каждой из семи областей проблемы передачи информации ставится в соответствие один из уровней эталонной модели. Два самых низших уровня эталонной модели OSI реализуются аппаратным и программным обеспечением, остальные пять высших уровней, как правило, реализуются программным обеспечением.

Рис. 1.1. Пример связи уровней OSI

В качестве примера связи типа OSI предположим, что Система А на Рис. 1.1 имеет информацию для отправки в Систему В. В этом случае информация из прикладного процесса через уровень 7 сообщается с уровнем 6, который модифицирует информацию, делая ее понятной для уровня 5 и т.д. вплоть до физического уровня системы А. На стороне системы В осуществляется обратное преобразование, начиная от низших уровней до самого верхнего. Следовательно, каждый уровень Системы А использует услуги, предоставляемые ему смежными уровнями, чтобы осуществить связь с соответствующим ему уровнем Системы В. Нижестоящий уровень называется источником услуг, а вышестоящий - пользователем услуг. Взаимодействие уровней происходит в так называемой точке предоставления услуг.

Обмен управляющей информацией между соответствующими уровнями системы OSI осуществляется в виде «заголовков», добавляемых к информационной части. В принимающей системе осуществляется анализ этой информации с последующим удалением соответствующего заголовка перед передачей на верхний уровень.

Каждый уровень имеет заранее заданный набор функций, которые он должен выполнить для проведения связи.

Прикладной уровень (уровень 7) – это самый близкий к пользователю уровень OSI. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других уровней OSI. Он обеспечивает услугами прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI. Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные процессы, а также устанавливает и согласовывает процедуры устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи.

Представительный уровень (уровень 6) отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации.

Сеансовый уровень (уровень 5) устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. Кроме того, сеансовый уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней.

Транспортный уровень (уровень 4). Функцией транспортного уровня является надежная транспортировка данных через сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения системы данными из другой системы).

Сетевой уровень (уровень 3) - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами. Поскольку две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей.

Канальный уровень (уровень 2) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления об ошибках, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

Физический уровень (уровень 1) определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики установления, поддержания и разъединения физического канала между конечными системами.

2. Основные сведения о сетях электросвязи

2.1. Основные определения

Сеть связи - совокупность технических средств, обеспечивающих передачу и распределение сообщений. Принципы построения сетей связи зависят от вида передаваемых и распределяемых сообщений.

В настоящее время применяют следующие принципы построения (топологии) сетей:

· "каждый с каждым". Сеть надежна, отличается оперативностью и высоким качеством передачи сообщений. На практике применяется при небольшом числе абонентов. Если произойдет обрыв одной из соединительных линий, то это не повлияет на общую работоспособность сети, т.к. существует множество обводных маршрутов следования информации.

радиальный ("звезда"). Используется при ограниченном числе абонентских пунктов, расположенных на небольшой территории. Пример, организация сети связи между абонентами и АТС. Недостаток заключается в том, что если произойдет поломка центрального узла, то нарушается работа всего узла связи в целом.

· радиально-узловой. Такую структуру имеют городские телефонные сети, если емкость сети не превышает 80...90 тысяч абонентов;

· радиально-узловой с узловыми районами. Используется при построении телефонных сетей крупных городов.

Телеграфные сети строятся по радиально-узловому принципу с учетом административно-территориального деления страны. Оконечными пунктами телеграфной сети являются либо отделения связи, либо телеграфные абоненты, обладающие телеграфной аппаратурой. Сеть имеет три уровня узловых пунктов: районные, областные и главные. Сеть передачи данных имеет схожую структуру. Сеть факсимильной связи строится на базе телефонной сети.

2.2. Сети передачи индивидуальных сообщений

Для обеспечения передачи индивидуальных сообщений необходимо связать (соединить) оконечные аппараты абонентов. Электрическая цепь (канал), состоящая из нескольких участков и обеспечивающая передачу сигналов между абонентами, называется соединительным трактом.

Процесс поиска и соединения электрических цепей называется коммутацией каналов. Сеть, обеспечивающая коммутацию каналов, называется сетью с коммутацией каналов (СКК). Узловые станции сети СКК называются станциями коммутации.

При передаче документальных сообщений кроме организации связи с коммутацией каналов возможно осуществлять поэтапную передачу сообщения от узла к узлу. Такой способ передачи получил название коммутации сообщений. Соответственно сеть, обеспечивающая коммутацию сообщений, называется сетью с коммутацией сообщений (СКС).

Разновидностью сети СКС является сеть с коммутацией пакетов (СКП). В этом случае полученное от передающего абонента сообщение разбивается на блоки (пакеты) фиксированной длины. Пакеты передаются по сети (необязательно по одному и тому же маршруту) и объединяются в сообщение перед выдачей принимающему абоненту.

Узловые станции сетей СКС и СКП называются центрами коммутации сообщений (ЦКС) и пакетов (ЦКП) соответственно.

3. Цифровые системы передачи

3.1. Преимущества цифровых систем передачи

Рассмотрим основные преимущества цифровых методов передачи перед аналоговыми.

Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) этих символов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации.

Слабая зависимость качества передачи от длины линии связи. В пределах каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов оказываются ничтожными. Длина регенерационного участка и оборудование регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остаются практически такими же, как и в случае передачи на малые расстояния.

Стабильность параметров каналов ЦСП. Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной характеристик и др.) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства составляют незначительную часть оборудования ЦСП, стабильность параметров каналов в таких системах значительно выше, чем в аналоговых.

Эффективность использования пропускной способности каналов для передачи дискретных сигналов. При вводе дискретных сигналов непосредственно в групповой тракт ЦСП скорость их передачи может приближаться к скорости передачи группового сигнала. При использовании временного метода уплотнения, скорость передачи резко возрастает.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

• Введение
• 1.7 Линии связи ВОСП
• 2.1 Структурная схема зональной системы связи ИКМ - 120
• 5. Расчет основных параметров линейного тракта
• 5.1 Структурная схема оптического линейного тракта
• 5.2 Ретрансляторы
• 5.3 Выбор оптического кабеля и оптических модулей и расчет длины участка регенерации
• 6. Пропускная способность, вероятность возникновения ошибки
• 7. Проектирование и расчет ФНЧ
• 8 Экологичность и безопасность проекта
• 9. Техническое обоснование проекта
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложения

Введение

Жизнь современного общества немыслима без широко разветвлённых систем передачи информации (СПИ). Без них не смогли бы нормально функционировать ни его промышленность, ни сельское хозяйство, ни, тем более, транспорт.

С развитием рыночных отношений в России резко увеличилась потребность предприятий и организаций в услугах различного рода средств связи. Появление новых категорий экономических субъектов (фирм, компаний, корпораций), с одной стороны, и ликвидация старой монолитной структуры управления народным хозяйством страны (Госплана, управлений, министерств и ведомств), с другой, в условиях рыночной конкуренции привели к росту значимости обладания нужной информацией в нужном месте и в нужное время. В результате успешная экономическая деятельность большинства предприятий и организаций стала напрямую зависеть от степени их оснащенности вычислительной техникой (ВТ) и средствами оперативного доступа к информации, рассредоточенной по многим банкам данных как внутри самой страны, так и за ее пределами.

Дальнейшее развитие экономики страны и всех сторон деятельности нашего общества немыслимо без широчайшего внедрения автоматизированных систем управления (АСУ), важнейшей частью которых является система связи (СС) для обмена информацией, а также устройства её хранения и обработки. Современные СС гарантируют не только быструю обработку и высокую надежность передачи информации, но и обеспечивают выполнение этих требований наиболее экономным образом.

Совокупность источника сообщений, передатчика, линии связи (ЛС), приемника и получателя сообщений образует систему связи (СС). В такой системе информация от передатчика к приемнику передается через определенную направляющую физическую среду (через коаксиальный или оптический кабель, либо через радиорелейную или воздушную линию передач) с помощью специальных технических устройств. Относительно высокая стоимость линейных сооружений и кабеля обуславливает необходимость их эффективного, т.е. многократного, использования, что в настоящее время реализуется с помощью многоканальных систем связи (МКСС) - систем передачи информации и данных. Последние обеспечивают высококачественную передачу по одной физической ЛС большого числа как однородных, так и разнородных сигналов электросвязи (телефонных и видеотелефонных, телеграфных и факсимильных, а также измерительных сигналов) практически на любые расстояния.

Основными задачами, решаемыми при создании таких СС, являются увеличение их дальности связи и числа каналов при одновременном обеспечении высококачественной передачи информации и данных. Использование методов многоканальной электросвязи при построении МКСС позволяет организовать большое число одновременно действующих каналов связи (КС), работающих практически независимо один от другого. В настоящее время основным таким каналом является канал тональной частоты (ТЧ), причем все остальные типы КС образуются путем объединения их в группы того или иного числа каналов ТЧ. В инженерной практике известны несколько способов формирования таких каналов (трактов) СС, зависящих от вида направляющей физической среды, энергетических и спектральных характеристик передаваемого сигнала.

В настоящее время в цифровых системах передачи информации (ЦСПИ) широко используются частотное (ЧРК) и временное разделение каналов (ВРК). В таких системах связи аналоговые сигналы, передаваемые в линию связи, с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) преобразуются в цифровую последовательность двоичных импульсов. В точке приёма эта последовательность импульсов с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) преобразуется в исходные аналоговые сигналы.

многоканальная цифровая система связь

Возможность передачи в едином цифровом формате любых по форме сигналов предопределяет универсальность использования цифрового линейного тракта и высокую помехоустойчивость ЦСПИ, поскольку в них для увеличения дальности связииспользуют регенераторы импульсов, состоящие из решающих пороговых устройств. Благодаря этому регенераторы при значении отношения "сигнал-шум" больше двух () потенциально способны восстановить форму и временные положения искажённых в линии связи сигналов.

Кроме того, ЦСПИ позволяют широко использовать в своей структуре современную дискретную и цифровую элементную базу, включая вычислительную технику и микропроцессоры, что значительно увеличивает их надёжность и уменьшает габариты обслуживаемой аппаратуры связи. Цифровые методы передачи данных позволяют применять и цифровые методы коммутации сообщений, что способствует созданию принципиально новой интегрированной цифровой системы связи (ИЦСС), которая способна без применения устройств АЦП и ЦАП без искажений ответвлять и передавать транзитом большие цифровые и информационные потоки.

Среди таких ИЦСС наиболее перспективными и современными являются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), которые по сравнению с другими СС, работающими по электрическому кабелю, обладают рядом существенных преимуществ, основными из которых являются:

Широкая полоса пропускания, позволяющая реализовать нужное число каналов в одном волоконно-оптическом тракте;

Возможность предоставления абоненту наряду с телефонной связью ряд других дополнительных услуг (телевидение, телефакс, широкополосное радиовещание и пр.);

Высокая защищенность кабеля от электромагнитных помех;

Малое затухание сигнала в тракте (в дБ/км);

Возможность увеличения длины регенерационного участка и, как результат, уменьшение числа необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП);

Значительная экономия цветных металлов и потенциально низкая стоимость волоконно-оптического кабеля;

Большой срок его эксплуатации.

В настоящее время практически на всех городских автоматических телефонных станциях (АТС) активно внедряются ВОЛС.

1. Анализ технического задания

1.1 Основные технические требования

Задачей данной бакалаврской работы является разработка многоканальной цифровой системы связи (ЦСС), к которой предъявлены следующие основные технические требования:

вид передаваемого сообщения - стандартный телефонный сигнал с полосой (0,3 ч 3,4) КГц;

количество каналов - 120;

вид первичной модуляции - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

вид уплотнения - временное разделение каналов (ВРК);

тип линии связи - волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС);

максимальная дальность действия - 200 км.

Учет всех требований в совокупности и каждого в отдельности показывает, создание такой системы является сложной задачей.

1.2 Иерархия цифровых систем связи

При построении многоканальных ЦСС используется временное, частотное и кодовое уплотнение, поэтому эти системы условно именуются как ВРК-ИКМ, ЧРК-ИКМ и адресные цифровые системы связи (АЦСС), соответственно. Наиболее широкое применение, особенно в гражданских цифровых системах связи, нашло временное уплотнение каналов и импульсно-кодовая модуляция, т.е. системы типа ВРК-ИКМ, при построении которых, так же как и в случае аналоговых многоканальных систем связи (АМКСС), используется принцип иерархии со следующими градациями, регламентируемыми документами МККТТ (Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии) и МККР (Международный консультативный комитет по радиосвязи) по скорости передачи (в настоящее время МККТТ и МККР интегрированы в Международный союз электросвязи (МЭС)):

- первичный цифровой канал - 2048 Кбит/с, что соответствует первичной ЦСП информации и данных с числом каналов равным 30 (ИКМ-30);

- вторичный цифровой канал - 8448 Кбит/с, что соответствует вторичной ЦСП информации и данных с числом каналов равным 120 (ИКМ-120);

- третичный цифровой канал - 34368 Кбит/с, что соответствует третичной ЦСП информации и данных с числом каналов равным 480 (ИКМ-480);

- четвертичный цифровой канал - 139264 Кбит/с, что соответствует четвертичной ЦСП информации и данных с числом каналов равным 1920 (ИКМ-1920) и т.д.

Рисунок 1.1 - Иерархический принцип построения цифровых систем передачи информации и данных

Согласно этому принципу ЦСС более высокого уровня иерархии реализуется путем объединения с помощью дополнительной аппаратуры четырех ЦСС более низкого уровня иерархии (см. рисунок 1.1). Дополнительная аппаратура по определенным алгоритмам осуществляет объединение четырех входных цифровых потоков (информации и данных) в суммарный поток со скоростью передачи примерно в четыре раза большей скорости составленных цифровых потоков.

При таком принципе построения цифровых систем связи учитываются следующие требования:

возможность передачи всех видов аналоговых и дискретных сигналов;

обеспечение как синхронного, так и асинхронного объединения, разделения и транзита цифровых потоков (информации и данных) и сигналов в цифровом виде;

выбор стандартизированных скоростей передачи цифровых потоков (информации и данных) с учетом возможности использования цифровых и аналоговых систем связи.

В качестве базовой ЦСС МККТТ и МККР рекомендует использовать систему ИКМ-30 (ИКМ-30/32), которая строится по классической многоканальной структурной схеме и состоит из 30 основных и 2 вспомогательных каналов связи. У этой системы коэффициент кратности объединения цифровых потоков (информации и данных) выбран равным 4, поскольку в основе техники ИКМ лежит двоичная система исчисления.

Первичная (базовая) ЦСП ИКМ-30 предназначена для работы в городских и сельских сетях связи и обеспечивает организацию 30 каналов ТЧ. Скорость передачи группового цифрового потока (информации и данных) составляет 2048 Кбит/с. Система работает с кабелями марки Т и ТП и может быть использована в качестве каналообразующей для ЦСП более высокого уровня иерархии (второго и выше). В более ранних разработках эта система имела 24 канала связи (ИКМ-24).

Вторичная ЦСП ИКМ-120 предназначена для работы в местных и зональных сетях связи и обеспечивает организацию 120 каналов ТЧ. В ней возможна совместная передача в цифровом виде одной стандартной вторичной группы, исходный спектр которой равен 312.552 КГц, и одного первичного цифрового потока. Скорость передачи группового цифрового потока (информации и данных) составляет 8448 Кбит/с. Этот поток организуется путем объединения четырех первичных потоков со скоростями передачи равными 2048 Кбит/с. Система работает с симметричными междугородными и волоконно-оптическими кабелями, с радиорелейными и спутниковыми линиями связи.

Третичная ЦСП ИКМ-480 предназначена для работы в зональных и магистральных сетях связи и обеспечивает организацию 480 каналов ТЧ. Скорость передачи группового цифрового потока (информации и данных) составляет 34368 Кбит/с. Этот поток организуется путем объединения четырех вторичных потоков со скоростями передачи равными 8448 Кбит/с. Система работает с волоконно-оптическими кабелями и кабелями марки МКТ-4, с радиорелейным и спутниковыми линиями связи.

Четверичная ЦСП ИКМ-1920 предназначена для работы в зональных и магистральных сетях связи и обеспечивает организацию 1920 каналов ТЧ. В ней возможна совместная передача в цифровом виде одного телевизионного сигнала и одного третичного цифрового потока. Скорость передачи группового цифрового потока (информации и данных) составляет 139264 Кбит/с. Этот поток организуется путем объединения четырех третичных потоков со скоростями передачи равными 34368 Кбит/с. Система работает с кабелями марки КМ-4 и волоконно-оптическим линиями связи.

Существует также и субпервичная ЦСП на 15 каналов связи (ИКМ-15). Она предназначена для работы в сельских сетях связи и обеспечивает организацию 15 каналов ТЧ. Скорость передачи группового цифрового потока составляет 1024 Кбит/с. Система работает с кабелями марки КСПП.

Две субпервичные системы ИКМ-15 с помощью аппаратуры "Зона-15" образуют ЦСП с числом каналов равным 30. Скорость передачи группового цифрового потока при этом составляет 2048 Кбит/с. Этот поток организуется путем объединения двух потоков со скоростями передачи равными 1024 Кбит/с. Система работает с кабелями марки КСПП.

В североамериканских странах (США и Канада) в качестве основной (низовой) ЦСП используется система ИКМ-24 со скоростью передачи группового цифрового потока равной 1544 Кбит/с.

Разрабатываемая система является легко интегрируемой в современные сети СЦИ (синхронной цифровой иерархии). Для этого необходимо после системы 1-ого уровня иерархии ставить оборудование СЦИ, в частности это синхронные мультиплексоры.

1.3 Основные виды первичной цифровой модуляции

На практике различают три основных вида первичной цифровой модуляции:

импулъсно-кодовую модуляцию (ИКМ);

разностную ИКМ, т.е. ИКМ с предсказанием, частным случаем которой является дифференциальная ИКМ (ДИКМ);

дельта-модуляцию (ДМ).

Во всех перечисленных видах цифровой модуляции используются три основных преобразования сигналов:

дискретизация,

квантование,

кодирование.

ИКМ является наиболее распространенным видом модуляции. ИКМ с предсказанием отличается тем, что квантуется не мгновенное значение сигнала сообщения a (t ), а разность между его действительным значением в момент дискретизации a (t i ) и предсказанным значением a np (t i ). При этом предполагается, что при корреляции двух его соседних отсчетов (на практике это имеет место) их разность a (t i ) оказывается меньше, чем истинное значение передаваемого сигнала a (t ). Это свойство позволяет повысить скорость передачи сообщения a (t ) при заданной верности его приема или повысить "верность" этого сообщения при заданной скорости его передачи.

При ДИКМ в качестве предсказанного значения берется значение предшествующего отсчета a (t i -1 ) передаваемого сигнала a (t ). Алгоритм формирования ДИКМ очень прост, что обусловило его широкое использование среди других методов ИКМ с предсказанием.

ДМ представляет собой такую разновидность ИКМ с предсказанием, когда за один тактовый интервал кодируется и передается только знак приращения a (t i ). При этом шаг дискретизации по времени выбирается таким образом, чтобы значение разности между двумя его соседними отсчетами a (t i ) не превышало шага квантования:

если разность a (t i ) > 0, то кодирующее устройство формирует логическую "1",

если разность a (t i ) < 0, то оно формирует логический "0".

Получаемая таким образом последовательность называется дельта-кодом.

Сам метод ИКМ так же можно рассматривать как кодирование с предсказанием, при котором предсказанное значение принимается равным нулю. Системам связи с предсказанием свойственна "перегрузка по крутизне", при которой разность между отсчетами a (t i ) превышает диапазон шкалы квантования. При ДМ эта разность a (t i ) превышает шаг квантования. Единство методов цифровой модуляции позволяет анализировать их с общих позиции и преобразовывать цифровые сигналы из одной формы в другую.

В нашем случае по условию технического задания в проектируемой цифровой системе передачи (ЦСП) информации и данных использована импульсно-кодовая модуляция, которая на практике осуществляется следующим образом: сначала исходный аналоговый (телефонный) сигнал дискретизируется во времени, т.е. модулируется амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ). Электрическая принципиальная схема формирования сигналов АИМ приведена на рисунке 1.2 Схема строится на основе микросхем отечественного производства серии КР590КН2. Потом этот продискретизированный сигнал квантуется по уровню его отсчетных значений. Затем эти квантованные значения кодируются. Обычно квантование и кодирование производится в одном функциональном узле, называемом кодером.

1.4 Вид передаваемого сообщения

Для передачи непрерывных сообщений можно воспользоваться дискретным каналом. При этом необходимо преобразовать непрерывное сообщение в цифровой сигнал, т.е. в последовательность символов, сохранив содержащуюся в сообщении существенную часть информации. Импульсно-кодовая модуляция является наиболее распространенным методом цифрового преобразования аналоговых сигналов. Она осуществляется путем временной дискретизации аналоговых сигналов с последующим квантованием и кодированием.

Рисунок 1.2 - Схема формирования АИМ-сигналов.

Для организации каналов ТЧ (тональной частоты), f в составляет 3400 Гц. Тогда, в соответствии с теоремой Котельникова, частоту f д нужно выбирать не менее 6800 Гц. Для упрощения фильтра, ограничивающего спектр аналогового сигнала перед дискретизацией, а также фильтра, выделяющего спектр исходного сигнала, f д выбирается несколько большей, чем 2f в . Для канала ТЧ нормализовано значение f д = 8000 Гц.

Передача сигналов с малыми и большими уровнями (Р с / Р кв const , где Р с - мощность передаваемого сигнала, а Р кв - мощность искажений квантования) осуществляется при увеличении шага квантования с увеличением уровня сигнала, т.е. при неравномерном (нелинейном) квантовании. Естественно, что число уровней квантования, а следовательно, и соответствующее им число разрядов двоичного кода при этом уменьшаются.

1.5 Передающие оптические модули

Источники света волоконно-оптических систем передачи должны обладать большой выходной мощностью, допускать возможность разнообразных типов модуляции света, иметь малые габариты и стоимость, большой срок службы, КПД и обеспечить возможность ввода излучения в оптическое волокно с максимальной эффективностью. Для ВОСП потенциально пригодны твердотельные лазеры, в которых активным материалом служит иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами ниодима с оптической накачкой (например СИД), у которого основной лазерный переход сопровождается излучением с длиной волны 1,064 мкм. Узкая диаграмма направленности и способность работать в одномодовом режиме с низким уровнем шума являются плюсами данного типа источников. Однако большие габариты, малый КПД, потребность во внешнем устройстве накачки являются основными причинами, по которым этот источник не используется в современных ВОСП. Практически во всех волоконно-оптических системах передачи, рассчитанных на широкое применение, в качестве источников излучения сейчас используются полупроводниковые светоизлучающие диоды и лазеры. Для них характерны в первую очередь малые габариты, что позволяет выполнять передающие оптические модули в интегральном исполнении. Кроме того, для полупроводниковых источников света характерны невысокая стоимость и простота обеспечения модуляции.

Первое поколение передатчиков сигналов по оптическому волокну было внедрено в 1975 году. Основу передатчика составлял светоизлучающий диод, работающий на длине волны 0,85 мкм в многомодовом режиме. В течение последующих трех лет появилось второе поколение - одномодовые передатчики, работающие на длине волны 1,3 мкм. В 1982 году родилось третье поколение передатчиков диодные лазеры, работающие на длине волны 1,55 мкм. Исследования продолжались, и вот появилось четвертое поколение оптических передатчиков, давшее начало когерентным системам связи - то есть системам, в которых информация передается модуляцией частоты или фазы излучения. Такие системы связи обеспечивают гораздо большую дальность распространения сигналов по оптическому волокну. Специалисты фирмы NTT построили безрегенераторную когерентную ВОЛС STM-16 на скорость передачи 2,48832 Гбит/с протяженностью в 300 км, а в лабораториях NTT в начале 1990 года ученые впервые создали систему связи с применением оптических усилителей на скорость 2,5 Гбит/с на расстояние 2223 км.

Внешний вид и схема подключения передающего модуля МПД-4, предназначенного для преобразования импульсов напряжения интегральных схем в импульсы оптического излучения и передачи цифровой информации по световодным линиям связи со скоростью до 140 Мбит/с приведена на рисунке 1.3 и рисунке 1.4.

Рисунок 1.3 - Внешний вид МПД-4

Рисунок 1.4 - Схема подключения МПД-4

1.6 Приемные оптические модули

Функция детектора волоконно-оптических систем передачи сводится к преобразованию входного оптического сигнала, который затем, как правило, подвергается усилению и обработке схемами фотоприемника. Предназначенный для этой цели фотодетектор должен воспроизводить форму принимаемого оптического сигнала, не внося дополнительного шума, то есть обладать требуемой широкополосностью, динамическим диапазоном и чувствительностью. Кроме того, Ф.Д. должен иметь малые размеры (но достаточные для надежного соединения с оптическим волокном), большой срок службы и быть не чувствительным к изменениям параметров внешней среды. Существующие фотодетекторы далеко не полно удовлетворяют перечисленным требованиям. Наиболее подходящими среди них для применения в волоконно-оптических системах передачи являются полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами. Достоинством ЛФД является высокая чувствительность (может в 100 раз превышать чувствительность p-i-n фотодиода), что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов. Однако, при использовании лавинных фотодиодов нужна жесткая стабилизация напряжения источника питания и температурная стабилизация, поскольку коэффициент лавинного умножения, а следовательно фототок и чувствительность ЛФД, сильно зависит от напряжения и температуры. Тем не менее, лавинные фотодиоды успешно применяются в ряде современных ВОСП, таких как ИКМ-120/5, ИКМ-480/5, "Соната".

1.7 Линии связи ВОСП

Оптический кабель (ОК) предназначен для передачи информации, содержащейся в модулированных электромагнитных колебаниях оптического диапазона. В настоящее время используется диапазон длин волн от 0,8 до 1,6 мкм, соответствующий ближним инфракрасным волнам. В будущем возможно расширение рабочего диапазона в область дальних инфракрасных волн с длинами волн от 5 до 10 мкм. Оптический кабель содержит один или несколько световодов. Световод - это направляющая система для электромагнитных волн оптического диапазона. Практическое значение имеют только волоконные световоды, изготовленные из высоко прозрачного диэлектрика: стекла или полимера. Для концентрации поля волны вблизи оси световода используется явление преломления и полного отражения в волокне с показателем преломления, уменьшающимся от оси к периферии плавно либо скачками. Световод состоит из оптического волокна и покрытия. Оптическое волокно (ОВ) из стекла изготавливается обычно с внешним диаметром 100-150 мкм. Оптическое волокно состоит из сердечника с показателем преломления n l и оболочки с показателем преломления n 2 , причем n l >n 2 . Спецификой ОВ является их высокая чувствительность к внешним механическим воздействиям. Кварцевое оптическое имеет малый температурный коэффициент расширения, высокий модуль упругости и низкий предел упругого растяжения; при относительном удлинении 0,5-1,5% оно ломается. Обрыв волокна происходит в сечении, наиболее ослабленном микротрещинами, возникающими на его поверхности. Механические характеристики оптического волокна, поступающего на кабельное производство, столь же важны и подлежат такой же тщательной проверке, как и оптические его параметры.

Передача света по любому световоду может осуществляться в двух режимах: одномодовом и многомодовом. Одномодовым называется такой режим, при котором распространяется только одна основная мода.

Различают световоды со ступенчатым профилем, у которых показатель преломления сердцевины n 1 одинаков по всему поперечному сечению, и градиентные - с плавным профилем, у которых n 1 уменьшается от центра к периферии

Фазовая и групповая скорости каждой моды в световоде зависят от частоты, то есть световод является дисперсной системой. Вызванная этим волноводная дисперсия является одной из причин искажения передаваемого сигнала. Различие групповых скоростей различных мод в многомодовом режиме называется модовой дисперсией. Она является весьма существенной причиной искажения сигнала, поскольку он переносится по частям многими модами. В одномодовом режиме отсутствует модовая дисперсия, и сигнал искажается значительно меньше, чем в многомодовом, однако в многомодовый световод можно ввести большую мощность. Оптические волокна имеют очень малое (по сравнению с другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов.

2. Структурная схема цифровой системы связи

2.1 Структурная схема зональной системы связи ИКМ-120

Исходя из данных в техническом задании, в качестве каналообразующей аппаратуры можно выбрать типовое цифровое оборудование вторичного временного группообразования системы ИКМ-120. Эта система предназначена для работы в местных и зональных сетях связи и обеспечивает организацию 120 каналов ТЧ. Заданную волоконно-оптическую систему передачи можно построить на базе стандартной системы ИКМ заменой аппаратуры электрического линейного тракта на аппаратуру оптического линейного тракта.

В настоящее время существует большое количество цифровых многоканальных систем передачи информации обладающих большой помехоустойчивостью, возможностью регенерации сигналов, что существенно уменьшает накопление помех и искажений и позволяет применять в аппаратуре элементы современной микроэлектроники.

В состав аппаратуры ИКМ - 120 входят (рисунок 2.1):

- аналого-цифровое оборудование формирования стандартных первичных цифровых потоков АЦО, которое обеспечивает преобразование информации передаваемой по каналам тональной частоты (ТЧ) в цифровой поток, передаваемый со скоростью 2,048 Мбит/с;

- оборудование вторичного временного группообразования ВВГ, которое обеспечивает формирование цифровых потоков, соответствующих 120 каналам ТЧ, со скоростью передачи 8,448 Мбит/с;

- оконечное оборудование линейного тракта ОЛТ, которое в своем составе содержит необслуживаемые регенерационные пункты (НРП).

Передающее (ПД) и приемное (ПР) устройство предназначено для преобразования сигналов на стыке между аппаратурой вторичного временного группообразования и линейным световодным трактом, компенсации затухания участка кабельной линии, организации телеконтроля и служебной связи.

Групповой поток со скоростью 8448 кбит/с формируется из четырех первичных потоков, имеющих скорость 2048 кбит/с. Если использовать основной вариант работы на 120 каналов ТЧ, то эти первичные потоки могут быть организованы на оборудовании АЦО, применяемом на ИКМ - 30. Разработана специальная стойка для установки в ЛАЦ междугородных телефонных станций - стойка аналогого-цифрового каналообразования САЦК - 1. Она предназначена для размещения четырех комплектов аппаратуры каналообразующей унифицированной АКУ - 30 с источниками вторичного электропитания и комплекта сервисного оборудования. Комплект АКУ - 30 предназначен для организации 30 телефонных каналов, а также организации абонентского доступа к двум цифровым каналам с пропускной способностью 64 кбит/с. Ввод цифровой информации синхронный. Структура построения временного цикла аналогична стандартному первичному цифровому потоку 2048 кбит/с.

Рисунок 2.1 - Схема организации связи системы передачи ИКМ - 120

2.2 Оборудование вторичного временного группообразования

Оборудование ВВГ находится на стойке СВВГ, где может размещаться до восьми комплектов ВВГ и панель обслуживания ПО-В. Панель обслуживания обеспечивает общестоечную сигнализацию, индикацию вида аварии, организацию канала служебной связи в групповом цифровом потоке, стабилизацию питающих напряжений. Совместно с блоками контроля и сигнализации, контроля достоверности, входящих в комплект ВВГ, и блоками ПО-В организуется система автоматического контроля и аварийной сигнализации, которой предназначена для обнаружения неисправности и контроля состояния узлов аппаратуры в процессе ее эксплуатации. Сигнализация СВВГ извещает о нарушении цикловой синхронизации, пропадании цифрового потока в трактах передачи и приема, пропадании трактовой частоты 8448 кГц, снижении верности передачи, выходе из строя приемной части оборудования линейного тракта, пропадании любого внешнего или внутреннего питающего напряжения. Оборудование ВВГ обеспечивает: объединение четырех потоков со скоростью 2048 кбит/с в цифровой поток со скоростью 8448 кбит/с и наоборот, организацию четырех каналов дискретной информации со скоростью по 8 кбит/с, организацию одного канала служебной связи с использованием дельта-модуляции со скоростью модуляции 32 кбит/с. Объединение первичных цифровых потоков основано на принципе двустороннего согласования скоростей и двухкомандном управлении. Как было показано ранее, максимальная частота согласования скоростей 120 Гц, а частота следования циклов 8 кГц, т.е. выше примерно в 67 раз. С учетом этого, когда согласование скоростей отсутствует, на тех же позициях в одном из каждых двух циклов передается информация о промежуточном значении временного интервала между сигналами записи и считывания, а в других циклах передача сигналов извещения об аварии и вызова по служебной связи.

Передача информации о промежуточном значении временного интервала между сигналами записи и считывания позволяет обнаружить ошибку в передаче команд согласования скоростей. В приемнике команд согласования скоростей ИКМ-120 память хранит информацию четырех предыдущих значений промежуточного состояния временного интервала между сигналами записи и считывания. В этом случае искажение команды согласования скоростей произойдет при искажении четырех передаваемых подряд значений промежуточного состояния скоростей.

В оборудовании ВВГ предусмотрено три режима работы: асинхронный, синхронный, синхронно синфазный. Первые два режима используются при передаче цифровых потоков, сформированных оборудованием АЦО-30, а третий при передаче потоков, сформированных в АЦО-ЧД-60, который в данном проекте не рассматривается. Перевод оборудования ВВГ на синхронный режим работы осуществляется блокировкой приемника команд согласования скоростей. При синхронном и синфазном режимах всеми блоками асинхронного сопряжения передачи управляет один блок БАСпер и всеми блоками асинхронного сопряжения приема один блок БАСпр.

В состав оборудования ВВГ (рисунок 2.2) входят блоки: генераторного оборудования ГО-В, задающего генератора ГЗ-В, асинхронного сопряжения БАСпер, асинхронного сопряжения приема БАСпр, вторичного стыка передачи ВСпер, вторичного стыка приема ВСпр, приемника синхросигнала ПС, контроля и сигнализации КС, контроля достоверности КД. На схеме также показано устройство дискретной информации (ДИпер, ДИпр), информация от которых поступает прямо в ВСпер и выделяется из ПС.

В тракте передачи четыре первичных цифровых потока в линейном коде поступают на входы своих блоков БАСпер, где происходит преобразование линейного кода в однополярный, запись входного сигнала с частотой 2048 кГц в ЗУ и считывание с частотой 2112 кГц, которая является кратной тактовой частоте 8448 кГц. В БАСпер производится также согласование скоростной записи и считывание.

Рисунок 2.2 - Структурная схема оборудования передачи ВВГ

Сигналы от четырех блоков БАСпер поступают в блок ВСпер для формирования группового сигнала, в который вводится на соответствующие временные позиции синхросигнал, импульсы дискретной информации и другие служебные сигналы. В блоке ВСпер однополярный код преобразуется в линейный (КВП-3 или ЧПИ). Далее групповой сигнал поступает на выход оборудования ВВГ. На приеме групповой сигнал поступает в блок ВСпр, где происходит преобразование линейного кода в простой однополярный. Затем сигнал поступает в блок ПС, который обеспечивает правильное разделение группового сигнала на четыре цифровых потока, непрерывный контроль синхронизма и восстановления его при нарушении, выделение импульсов дискретной информации и других служебных сигналов. Система дискретной синхронизации - адаптивная, коэффициент накопления по выходу из синхронизма равен четырем, коэффициент накопления по входу в синхронизм равен двум. Среднее время вхождения в синхронизм 0,75 мс. Такое время вхождения в синхронизм позволяет избежать нарушения синхронизма в объединяемых первичных цифровых потоках. Четыре цифровых потока, разложенных блоком ПС, поступают в четыре блока БАСпр. Блок БАСпр предназначен для восстановления первоначальной скорости передаваемого потока с помощью записи информационного потока в запоминающее устройство и считывания его с тактовой частотой 2048 кГц. Эта частота вырабатывается генератором с фазовой автоподстройкой. Генераторное оборудование осуществляет управление работой функциональных узлов аппаратуры передающего и приемного трактов. Генераторное оборудование тракта передачи состоит из блоков ГЗ-В и ГО-В. Частота задающего генератора 8448 кГц, стабильность, режимы его работы: внутренней синхронизации, внешней синхронизации, внешнего запуска. Тактовая частота поступает из ГЗ-В в блок ВСпер, где происходит ее деление на четыре. Полученная частота 2112 кГц подается в блок ГО-В, формирующий управление последовательности для тракта передачи. В приемном тракте деление частоты 8448 кГц, полученной от ВТЧ, на четыре происходит в блоке ПС. Полученная частота 2112 кГц поступает в блок ГО-В, формирующий управляющие последовательности для тракта приема. Построение ГО-В тракта передач аналогично построению ГО-В тракта приема. Блок КС формирует сигнал "Авария" при нарушении работы блоков ВСпер, ВСпр, ГЗ-В, ПС, БАСпер, БАСпр, питания.

3. Функциональная схема приемопередающей аппаратуры

Функциональная схема приемопередающей аппаратуры показана на рисунке 3.1.

Исходные сигналы U 1 (t), U 2 (t),.,U 30 (t) от 1,2,.,30 абонентов через ФНЧ поступают на канальные амплитудно-импульсные модуляторы, функцию которых выполняют электронные ключи К. С помощью модуляторов осуществляется дискретизация передаваемых сигналов во времени. Сигналы с выходов модуляторов объединяются в групповой АИМ сигнал (Гр. АИМ). Управляют работой модуляторов канальные импульсные последовательности, поступающие от ГО передачи (П ГО). При этом импульсы подаются на модуляторы каналов поочередно (со сдвигом по времени), что и обеспечивает правильное формирование группового АИМ сигнала. Длительность каждого импульса в этих последовательностях составляет примерно 125/230 2,08 мкс, определяет длительность одного отсчета АИМ импульса канала, а период следования составляет 125 мкс. Групповой АИМ сигнал поступает на компрессор КМ, квантователь КВ, а потом на кодирующее устройство - кодер КД.

Сигналы управления и взаимодействия (СУВ), передаваемые по телефонным каналам для управления приборами АТС, поступают в передатчик П СУВ, где они дискретизируются с помощью импульсных последовательностей, формируемых в П ГО, и объединяются. В результате формируется групповой сигнал Гр. СУВ.

В устройстве объединения (УО) кодовые группы каналов с выхода кодера, т.е. групповой ИКМ сигнал, кодированные сигналы СУВ и кодовая группа синхросигнала от передатчика синхросигнала (Пер. СС) объединяются, образуя циклы и сверхциклы. Соответствующими управляющими импульсами от П ГО в УО обеспечивается правильный порядок следования циклов в сверхцикле и кодовых групп в цикле передачи. Принципы построения временной диаграммы цикла и сверхцикла рассмотрим позже.

Скорость передачи группового ИКМ сигнала определяется тактовой частотой системы: f T = mN 0 f д где N 0 - общее число канальных интервалов в цикле, включая канальные интервалы для передачи СУВ, СС и других служебных сигналов. Необходимая скорость и последовательность работы передающих устройств СП обеспечиваются устройствами ГО.

Сформированный ИКМ сигнал представляет собой набор однополярных двоичных символов, импульсы которых всегда имеют только одну, например положительную, полярность. При передаче по линии такой сигнал подвержен значительным искажениям и затуханию. Поэтому перед передачей в линию однополярный ИКМ сигнал преобразуется в биполярный, удобный для передачи по линейному тракту. Это происходит в преобразователе кода передачи (ПК пер).

В процессе передачи по линии ИКМ сигнал периодически восстанавливается (регенерируется) с помощью линейных регенераторов.

На приемной станции ИКМ сигнал восстанавливается стационарным регенератором (PC) и поступает в преобразователь кода приема (ПК пр), где биполярный сигнал вновь преобразуется в однополярный. Устройство выделения тактовой частоты (ВТЧ) выделяет из этого сигнала тактовую частоту, которая используется для работы ГО. Этим обеспечивается синхронная и синфазная работа П ГО и Пр ГО, причем правильное декодирование и распределение сигналов по соответствующим телефонным каналам и каналам передачи СУВ обеспечиваются приемником синхросигналов (Пр. СС). Устройство разделения (УР) разделяет кодовые группы телефонных каналов и каналов СУВ. Приемник групповых сигналов управления и взаимодействия (Пр. СУВ), управляемый импульсными последовательностями, поступающими от Пр ГО, распределяет СУВ по своим каналам, а декодер ДК преобразует групповой ИКМ сигнал в групповой АИМ сигнал. После чего групповой АИМ сигнал, проходя через экспандер Э, подвергается операции обратной квантованию. Канальные импульсные последовательности, поступающие от Пр ГО, поочередно открывают временные селекторы (ВС), роль которых выполняют ключи К, каналов, обеспечивая выделение отсчётов каждого из каналов из группового АИМ сигнала. Восстановление исходного (непрерывного) сигнала из последовательности его АИМ отсчётов производится с помощью ФНЧ.

Передача сигналов в обратном направлении осуществляется аналогично.

Рисунок 3.1 - Функциональная схема приемопередающей аппаратуры первого уровня иерархии (АЦО-30)

4. Требования к основным функциональным узлам

4.1 Амплитудно-импульсные модуляторы и временные селекторы

Амплитудно-импульсные модуляторы ЦСП осуществляют дискретизацию аналоговых сигналов в тракте передачи, а временные селекторы (ВС) распределяют на приёме импульсы группового АИМ сигнала. В качестве таких устройств применяются быстродействующие электронные ключи, управляемые импульсным напряжением.

Параметры модуляторов и временных селекторов во многом определяют параметры СП в целом и оказывают большое влияние на уровне шумов.

Проникновение импульсного управляющего напряжения или остатка на выход модулятора приводит к смещению произвольным образом амплитуды импульса АИМ сигнала на входе кодера и увеличению погрешности при выполнения операции квантования и кодирования, что вызывает возрастание шумов в канале.

Увеличению шумов в канале способствует также проникновение с ВС на вход ФНЧ тракта приёма остатков управляющих импульсов. Мощность остатков управляющих импульсов не должна превышать 0,001 пикового значения мощности сигнала. Это достигается применением балансовых схем модуляторов и ВС. Требования к балансировке ВС могут быть несколько снижены, так как затухание ФНЧ-3,4 в тракте приема на частоте 8 кГц достаточно велико.

К амплитудно-импульсным модуляторам и временным селекторам предъявляют весьма высокие требования по быстродействию и линейности амплитудной характеристики в широком диапазоне частот и входных сигналов. От их быстродействия зависит уровень переходной помехи между каналами, а от линейности амплитудной характеристики - нелинейных искажений. Если учесть, что к модуляторам и ВС предъявляются практически одинаковые требования, становится понятным, что они не отличаются по схемной реализации.

4.2 Кодирующие и декодирующие устройства

В цифровых СП с ИКМ применяются кодеры и декодеры (кодеки) с нелинейной шкалой квантования, т.к. при равномерном квантовании, для получения требуемой защищенности от шумов квантования при передачи речевых сигналов, кодирование должно производится при достаточно большом числе разрядов кода, тогда, с увеличением числа разрядов кода, уменьшается длительность импульсов в кодовой группе, соответственно расширяется спектр сигнала ИКМ. Еще один недостаток равномерного квантования заключается в том, что относительное значение ошибки квантования велико для слабых сигналов и уменьшается с увеличением уровня сигналов. Для устранения этих недостатков применяется неравномерное квантование, при этом шкала квантования нелинейная.

В СП с ИКМ применяются сегментные амплитудные характеристики. Они представляют собой кусочно-ломаную аппроксимацию плавных характеристик, при которой изменение крутизны происходит дискретными ступенями. Наибольшее распространение получила сегментная характеристика типа А-87,6/13, где аппроксимация логарифмической характеристики компрессирования производится по так называемому А-закону, соответствующему выражениям:

Здесь А = 87,6 - коэффициент компрессии, а сама характеристика строится из 13 сегментов. Четыре центральных сегмента (два в положительной и два в отрицательной областях) объединяются в один центральный сегмент, поэтому общее число сегментов на двухполярной характеристике равно 13.

Каждый сегмент начинается с определенного эталона называемого основным. Шаг квантования внутри каждого сегмента равномерный и содержит 16 уровней квантования, а при переходе от одного к другому сегменту изменяется в два раза, начиная с центрального сегмента.

Рассматривая данную характеристику можно сразу оценить ее эффективность т.е. видно, что 112 уровней из 128 используются для квантования сигналов, амплитуда которых не превышает половины максимальной, 64 уровня - для квантования сигналов, амплитуда которых не превышает 6,2% максимальной, что улучшает показатель относительной ошибки квантования для слабых сигналов.

При декодировании осуществляется обратное цифро-аналоговое преобразование. Характеристика экспандирования нелинейного декодера должна быть обратной характеристике компрессии нелинейного кодера.

4.3 Генераторное оборудование

Генераторное оборудование ЦСП вырабатывает определенный набор импульсных последовательностей, которые используются для управления функциональными узлами аппаратуры и синхронизации соответствующих узлов, оконечных и промежуточных станций, а также определяют порядок и скорость обработки сигналов в трактах передачи и приема. Структурная схема ГО во многом зависит от принципов формирования группового ИКМ сигнала и места конкретной системы в типовой иерархии ЦСП. Структурная схема ГО первичной ЦСП приведена в приложении.

Основными функциональными блоками генераторного оборудования ЦСП являются задающие генераторы и распределители генераторного оборудования.

К задающим генераторам ЦСП не предъявляются такие высокие требования по стабильности частоты и форме выходного сигнала, как к ЗГ аналоговых СП. В тоже время они должны иметь возможность перестраивать частоту в определённых пределах. Выполнение противоречивых требований обеспечения стабильности частоты ЗГ (в режиме автогенератора) и реализации определённой перестройки учитывается при выборе соответствующей схемы ЗГ. В соответствии с рекомендациями МККТТ относительная нестабильность частоты ЗГ должна быть не хуже 10 5 , поэтому в ЗГ используется кварцевая стабилизация частоты. В низкоскоростных ЦСП с целью упрощения схемы ЗГ не применяют перестраиваемые автогенераторы.

Распределители генераторного оборудования ЦСП предназначены для формирования определённого числа импульсных последовательностей с одинаковыми частотой следования и длительностью импульсов, причём импульсы разных последовательностей должны быть сдвинуты относительно друг друга на определённый интервал времени.

4.4 Устройства тактовой синхронизации

Устройства тактовой синхронизации (УТС) обеспечивают синхронную работу ГО приемной и передающей части ЦСП, а также устройств регенерации. Только в этом случае ГОпр будет вырабатывать управляющие сигналы, совпадающие по частоте и времени с импульсными последовательностями, поступающими в оконечную станцию ЦСП из линейного тракта, обеспечивая тем самым правильное распределение принимаемых импульсов по канальным интервалам и циклам и соответственно правильное декодирование кодовых комбинаций. Следовательно, основная задача УТС - исключить или сделать минимальным расхождение частот ГО передачи и приема.

К устройствам тактовой синхронизации ЦСП предъявляются следующие требования:

высокая точность подстройки и фазы управляющего сигнала ЗГ приемной части;

малое время вхождения в синхронизм;

сохранение состояния синхронизма при кратковременных перерывах связи.

4.5 Устройства цикловой синхронизации

Система цикловой синхронизации предназначена для восстановления и удержания состояния циклового синхронизма между передающей и приемной частями ЦСП. Она включает в себя передатчик и приемник синхросигнала (СС). Передатчик формирует в передающей части кодовую группу определенной структуры, расположенную в начале цикла передачи. В приемнике осуществляется опознавание кодовых групп, структура которых совпадает со структурой СС, и вырабатывается информация о принадлежности опознанных кодовых групп передаваемому СС. При обнаружении циклового СС производится фазирование ГО приемной части.

Необходимо, чтобы восстановление состояния синхронизма происходило как можно быстрее, а затем удерживалось как можно дольше. Противоречивость этих требований заключается в том, что высокая помехоустойчивость системы цикловой синхронизации (определяемая длительностью удержания состояния синхронизма) достигается включением накопительных устройств, которые замедляют процесс восстановления синхронизма. Следовательно, чем выше помехоустойчивость системы цикловой синхронизации, тем дольше длится процесс восстановления синхронизма. Поэтому в системах синхронизации выбирается минимальная емкость накопительных устройств, обеспечивающая требуемую помехоустойчивость.

Таким образом к системам цикловой синхронизации предъявляются следующие требования:

время вхождения в синхронизм при первоначальном включении аппаратуры в работу и время восстановления синхронизма при его нарушении должно быть минимально возможным;

число разрядов синхросигнала в цикле передачи при заданном времени восстановления синхронизма должно быть минимально возможным;

приемник синхросигнала должен обладать достаточной помехоустойчивостью для большого времени между сбоями синхронизма.

4.6 Диаграммы цикла и сверхцикла

Линейный сигнал системы строится на основе сверхциклов, циклов, канальных и тактовых интервалов (рисунок 4.1). Сверхцикл передачи (СЦ) представляет собой интервал времени, за который передается информация всех сигнальных каналов (каналов СУВ) и каналов аварийной сигнализации. Длительность сверхцикла в системе ИКМ-30 Т сц = 2,0 мс . Сверхцикл состоит из 16 циклов передачи. В течение цикла, длительность которого равна интервалу дискретизации Т ц =Т д =125 мкс , передаются восьмиразрядные кодовые комбинации 30 каналов ТЧ, кодовые комбинации двух сигнальных каналов или сигнал сверхцикловой синхронизации СЦС (либо сигнал потери сверхциклового синхронизма), сигнал цикловой синхронизации ЦС (либо сигнал потери цикловой синхронизации), сигнал дискретной информации.

Цикл передачи соответствует Рекомендации МККТТ G.732 и состоит из 32 канальных интервалов КИ0. КИ31 с длительностью Т ки =3,91 мкс .

Рисунок 4.1 - Структура линейного сигнала ИКМ-30

Канальные интервалы КИ1. КИ15 и КИ17. КИ31 предназначены для передачи информации каналов ТЧ. Каждый канальный интервал состоит из восьми разрядов Р1. Р8, Т р =488 нс . Частота следования циклов передачи равна частоте дискретизации f ц = f д =8 кГц , частота следования канальных интервалов f ки = 8 32 = 256 кГц , а частота следования символов (разрядов) в цикле, или тактовая частота f т =8 32 8 = 2048 кГц . Т.к. в каждом разряде передается 1 бит информации, скорость передачи информации в цифровом потоке линейного сигнала V и = 2048 кбит/с , а частота следования сверхциклов f сц = f ц /16 = 8/16 = 0,5 кГц .

Подобные документы

Методические рекомендации для выполнения анализа и оптимизации цифровой системы связи. Структурная схема цифровой системы связи. Определение параметров АЦП и ЦАП. Выбор вида модуляции, помехоустойчивого кода и расчет характеристик качества передачи.

курсовая работа , добавлен 22.08.2010


Особенности волоконно-оптических систем передачи. Выбор структурной схемы цифровой ВОСП. Разработка оконечной станции системы связи, АИМ-модуляторов. Принципы построения кодирующих и декодирующих устройств. Расчёт основных параметров линейного тракта.

дипломная работа , добавлен 20.10.2011


Общая характеристика оптоволоконных систем связи. Измерение уровней оптической мощности и затухания. Системы автоматического мониторинга. Оборудование кабельного линейного тракта. Модернизация волоконно-оптической сети. Схема оборудования электросвязи.

дипломная работа , добавлен 23.12.2011


Выбор трассы прокладки волоконно-оптической линии связи. Расчет необходимого числа каналов. Определение числа оптических волокон в оптическом кабеле, выбор его типа и параметров. Структурная схема организации связи. Составление сметы на строительство.

курсовая работа , добавлен 16.07.2013


Конструкция волоконно-оптической кабелей связи. Использование системы передачи ИКМ-30. Технические характеристики ОКЗ-С-8(3,0)Сп-48(2). Расчет длины регенерационного участка. Проектирование первичной сети связи на железной дороге с использованием ВОЛС.

курсовая работа , добавлен 22.10.2014


Общая характеристика волоконно-оптической связи, ее свойства и области применения. Проектирование кабельной волоконно-оптической линии передач (ВОЛП) способом подвески на опорах высоковольтной линии передачи. Организация управления данной сетью связи.

курсовая работа , добавлен 23.01.2011


Цифровые волоконно-оптические системы связи, понятие, структура. Основные принципы цифровой системы передачи данных. Процессы, происходящие в оптическом волокне, и их влияние на скорость и дальность передачи информации. Контроль PMD.

курсовая работа , добавлен 28.08.2007


Преимущества оптических систем передачи перед системами передачи, работающими по металлическому кабелю. Конструкция оптических кабелей связи. Технические характеристики ОКМС-А-6/2(2,0)Сп-12(2)/4(2). Строительство волоконно-оптической линии связи.

курсовая работа , добавлен 21.10.2014


Основные особенности трассы волоконно-оптических систем. Разработка аппаратуры синхронной цифровой иерархии. Расчёт необходимого числа каналов и выбор системы передачи. Выбор типа оптического кабеля и методы его прокладки. Надёжность линий связи.

дипломная работа , добавлен 06.01.2015


Обоснование необходимости строительства волоконно-оптической линии связи (ВОЛС). Расчет и распределение нагрузки между пунктами сети. Синхронизация цифровых систем связи. Система мониторинга целостности ВОЛС. Порядок строительства и эксплуатации ВОЛС.