Система передачи — это комплекс технических средств, обеспечивающих образование линейных трактов, типовых групповых трактов и каналов передачи [9].
В состав системы передачи входят аппаратура, осуществляющая преобразование и усиление сигналов, устройства электропитания, телеуправления и телесигнализации.
Для передачи непрерывных сообщений применяют системы передачи сигналов телефонной связи, звукового и телевизионного вещания, факсимильной связи.
1.2. 1. 1. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ
Системы передачи сигналов телефонной связи предназначены для передачи на расстояние звуковых (акустических) сообщений, создаваемых голосовыми связками и воспринимаемых органом слуха (ухом) человека. В качестве передатчиков используются устройства, которые преобразуют звуковые колебания, происходящие в воздушном пространстве, в электрические сигналы, передаваемые на расстояние. Такие акустические преобразователи называются микрофонами.
В телефонных системах чаще всего применяются угольные микрофоны, в которых осуществляется преобразование звуковых колебаний в электрический ток (сигнал), параметры которого изменяются аналогично изменению параметров звукового сообщения.
Приемник в системе телефонной связи выполняет обратное преобразование электрических сигналов в звуковые колебания. Такой электроакустический преобразователь называетсятелефоном.
Для удобства телефоны и микрофоны конструктивно объединены в общий корпус, называемый микротелефоном.
Кроме микрофона и телефона, являющихся элементами системы, у каждого абонента имеется ряд вспомогательных устройств, необходимых для удобства подключения, вызова и сигнализации. Основные и вспомогательные элементы, которыми пользуется абонент, конструктивно составляют телефонный аппарат. Современные телефонные аппараты весьма разнообразны. Они отличаются типами микрофонов, телефонов, номеронабирателей, а также формой корпуса аппарата.
Телефонные аппараты, установленные у абонента и корреспондента, могут быть связаны между собой либо линией связи, либо каналом связи.
Каналы связи в системах телефонной связи образуются совокупностью технических устройств и среды распространения, обеспечивающих прохождение сигналов от одного телефонного аппарата к другому.
Система передачи, обеспечивающая связь между абонентами, находящимися на расстоянии от нескольких десятков метров до сотен тысяч километров, — сложное и дорогое сооружение. Основная доля затрат (от 70 до 90 % общей стоимости) приходится на линии связи. Поэтому при проектировании и развертывании линий связи основная задача состоит в том, чтобы предусмотреть передачу максимального количества сообщений при минимальных затратах материальных средств и людских ресурсов, сокращении времени развертывания линий и т. д. Эта задача решается применением много- канальных систем передачи.
Многоканальной системой передачи называется совокупность технических средств, обеспечивающих одновременную и независимую передачу сообщений от N источников к N получателям по одной проводной или радиолинии.
В самом общем виде n-канальная система передачи имеет вид, изображенный на рис. 1.4. Первичные сигналы С1(t), С2(t), ..., Сn,(t) поступают на преобразователи П1, П2, ..., П4, где происходит образование стандартных канальных сигналов S1,(t), S2,(t) ..., Sn(t)
Для аналитического описания этого преобразования введем в рассмотрение операторы Пi(i= 1, ..., N), связывающие входные Сi,.(t) и выходные Si(t) сигналы. Можно записать соотношение
В процессе преобразования необходимо решить две задачи. Во первых, требуется сформировать канальные сигналы так, чтобы в них содержались передаваемые сообщения, т. е. сведения о форме первичных сигналов, поступающих на входы каналов. Во вторых, каждый из канальных сигналов Si(t) нужно наделить совокупностью физических признаков отличающих его от остальных канальных сигналов. Эти признаки (или параметры) называются разделительными.
С преобразователей канальные сигналы поступают на устройство объединения, где происходит объединение в групповой сигнал Я . Обозначив оператор объединения через О, получим выражение
Такие системы называются аддитивными. Системы, в которых для формирования группового сигнала применяются другие операции (не суммирование), называют комбинационными. В современной многоканальной связи в большинстве случаев используют аддитивные системы.
Для согласования устройства объединения (УО) с линейным трактом устанавливается аппаратура сопряжения (АС).
Линейный тракт — комплекс технических средств системы передачи, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью, соответствующей данной системе передачи [9].
На выходе аппаратуры сопряжения формируется линейный сигнал, который передается по линии передачи.
Линия передачи — совокупность линейных трактов однотипных или разнотипных систем передачи, имеющих общие среду распространения, линейные сооружения и устройства их обслуживания [9].
Линейный сигнал, проходя через элементы системы передачи, претерпевает искажения — линейные и нелинейные. Кроме того, он подвержен воздействиям преднамеренных и непреднамеренных помех. Сигнал, поступивший на вход приемной части системы, отличается от переданного. Введем следующие обозначения: S(t) — сигнал на входе приемной части системы;L — оператор, характеризующий линейные искажения; Z- оператор, характеризующий нелинейные искажения; P(t) — аддитивная помеха. Тогда принятый сигнал может быть записан в виде
1.2. 1.2. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
Система передачи сигналов звукового вещания — совокупность технических устройств, обеспечивающих одновременную передачу звуковых сообщений (речи, музыки) от источника до большого числа слушателей, рассредоточенных в пространстве [10]. Организационно система звукового вещания состоит из органов формирования про- грамм (1), системы передачи программ (2), слушателей (3) (рис. 1.5).
Участок системы, где происходит а формирование программ и производиться их предварительная обработка, называется головным звеном (1). Он расположен слева от линии А-А и включает
Рис.1.5.Организационная в себя часть системы, которая функционирует в ведении Министерства культуры и массовых коммуникаций Российской Федерации и акционерных обществ, которые работают на коммерческих началах и находятся под контролем государства. Здесь располагаются студии, аппаратные, устройства звукозаписи и звуковоспроизведения, репортажные устройства и вспомогательные службы. Таким образом, на участке слева от линии раздела А-А формируется не только содержание программ, но и производится преобразование звучаний программ в соответствующие электрические сигналы, подвергаемые особой обработке. Участок 2 находится в ведении Министерства транспорта и связи Российской федерации. Сформированный сигнал в электрической форме подлежит дальнейшей передаче при помощи системы передачи сигналов звукового вещания (2) к потребителю (слушателю) (3).
В зависимости от технических средств, используемых для передачи этого сигнала, различают системы радио и проводного вещания. В первом случае сигналы передаются по радиоканалу, в котором средой распространения является свободное пространство. Радиоканал образуется с помощью специальных устройств, основными из которых являются радиопередатчик, передающая и приемная антенны, а также радиоприемник.
Радиопередатчик преобразует первичный низкочастотный сигнал в высокочастотный, излучаемый передающей антенной в окружающее пространство в виде электромагнитных волн. В принципе можно получить излучение при любой частоте (т. е. при любой длине волны), однако для эффективного излучения отношение линейного размера (высоты) антенны к длине волны должно быть около единицы. Для передачи низких частот без преобразования необходимы антенны с очень большими размерами, а также передатчики с неэффективными и громоздкими усилителями мощности. Поэтому в системах радиовещания применяются высокие частоты, позволяющие получить эффективное излучение при помощи антенн приемлемых размеров. Под воздействием поля излучения в приемной антенне возникает высокочастотный ток, характер изменения которого повторяет закон изменения высокочастотного сигнала. В радиоприемнике из высокочастотного сигнала после соответствующей обработки выделяется первичный (исходный) сигнал. Далее низкочастотный первичный сигнал преобразуется громкоговорителем в звуковое сообщение. Приемная антенна и радиоприемник вместе с громкоговорителем часто объединены в один аппарат, называемый радиоприемным устройством. В быту это устройство просто называют радиоприемником.
Часть обобщенной классификации радиочастотного диапазона, в котором, согласно рекомендациям международного союза по электросвязи (МСЭ), могут работать радиовещательные станции, представлена в табл. 1.1.
В системах проводного вещания сигналы звукового вещания доставляются до слушателей по так называемым проводным каналам, использующим в качестве среды распространения специальные направляющие устройства — проводные линии передачи. Иногда часть канала реализуется радиотехническими средствами, а часть — про-
водными. При этом сообщения также преобразуются в сигнал с помощью микрофона, устанавливаемого в специальных помещениях — студиях. Приемниками являются абонентские громкоговорители, устанавливаемые непосредственно в квартирах слушателей. Передача сигналов между микрофоном и приемником осуществляется по проводам, проходящим через специальные узлы проводного вещания.
В настоящее время передается пять программ центрального вещания:
Первая — «Радио России», основная общероссийская, информационная, общественно-политическая, познавательная и художественная.
Вторая — «Маяк», круглосуточная информационно-музыкальная. Третья — общеобразовательная и литературно-музыкальная.
Четвертая — музыкальная. Пятая — круглосуточная информационная, общественно политическая и художественная.
Кроме того, в автономных республиках, краях и областях формируются программы местного вещания, для которых в крупных городах отводится до 10 часов в сутки, остальное время предоставляется программам центрального вещания.
Министерство культуры и массовых коммуникаций Российской Федерации отвечает за формирование программ, а Министерство информационных технологий и связи Российской Федерации — за дальнейшую их передачу по физическим и радиолиниям до слушателей. В точке раздела А-А производится контроль федеральным агентством по печати и массовым коммуникациям, которое отвечает за качество передач в целом.
1.2. 1.3. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ФАКСИМИЛЬНОЙ СВЯЗИ
Система факсимильной связи — система передачи, предназначенная для доставки неподвижного изображения, выполненного на специальных носителях определенного формата (бумаге, пленке и др.) [10]. Различные участки поверхности носителей (бланков) имеют разные коэффициенты отражения света и по разному воспринимаются глазами. Сочетание светлых и черных участков поверхности бланка воспринимается человеком как изображение. Информационным параметром изображений является коэффициент отражения, определяемый как отношение светового потока, отраженного от участка изображения, к потоку, падающему на этот участок. Изменение коэффициента отражения при переходе от одного участка изображения к другому в общем случае имеет непрерывный характер.
Передатчик системы факсимильной связи преобразует неподвижное изображение в электрический сигнал. Основным элементом передатчика является фотоэлектрический преобразователь. Для преобразования используются физические явления, происходящие в некоторых веществах под действием падающего на них светового потока: внутренний и внешний фотоэффект. Внутренний фотоэффект проявляется, например, в изменении электропроводности некоторых веществ под влиянием светового потока. Суть внешнего фотоэффекта заключается в испускании электронов некоторыми веществами под действием светового потока. Световой поток как бы «выбивает» электроны с поверхности некоторых материалов. Количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности светового потока. В результате около освещенной поверхности образуется «облако» электронов. Фотоэлектрические преобразователи, использующие это явление, называются фотоэлементами.
Преобразование изображений в электрический сигнал с помощью фотоэлектрических преобразователей выполняется поэлементно. Для этого поверхность бланка с изображением разбивается на большое количество мелких (0,1...0,2 мм) участков, называемых элементарными площадками (рис. 1.6).
Размеры площадок выбираются с таким расчетом, чтобы отражательная способность в их пределах была однородной, т. е. характеризовалась бы одним значением коэффициента отражения. Элементарные площадки поочередно освещаются источником света через специальные линзы. Световой поток, отраженный от каждой площадки, собирается с помощью объектива и направляется на фотокатод
фотоэлектрического преобразователя. В цепи преобразователя при этом будет протекать электрический ток, пропорциональный коэффициенту отражения площадки. Подобным образом получаются сигналы поочередно от всех элементарных площадок изображения. Последовательность преобразования обеспечивается с помощью специальных развертывающих устройств.
В результате в цепи фотоэлектрического преобразователя получается изменяющийся во времени сигнал U(t) Такое поэлементное и последовательное преобразование изображения в сигнал называется анализом изображения. Соответственно передатчик факсимильной системы называется анализирующим устройством.
Анализирующее устройство состоит из светооптической системы, фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) и развертывающего устройства (рис. 1.7). Светооптическая система служит для выделения элементарных площадок изображения путем их раздельного освещения и концентрации отраженных от площадок лучей на светочувствительном элементе ФЭП. Она содержит источник света (ИС), конденсор Л, и объектив Л .
С выхода ФЭП сигнал поступает в канал связи. Развертывающее устройство обеспечивает последовательность преобразования световых потоков, отраженных от элементарных площадок изображения. На рис. 1.7 изображено развертывающее устройство барабанного типа. Бланк с изображением укрепляется на цилиндрической поверхности барабана, совершающего вращательное (вокруг оси) и поступательное (вдоль оси) движения, благодаря чему и осуществляется развертка изображения.
В современных системах факсимильной связи применяются различные способы преобразования электрического сигнала в изображение. Их можно разбить на три группы.
К первой группе относятся способы, использующие для получения изображения различного рода пишущие устройства (карандаши, перья и т. д.), способные оставлять след на бумаге.
При этом работой пишущего устройства управляет сигнал, обеспечивающий движение пишущего элемента и касание его с определенными участками бланка.
Вторую группу составляют способы, использующие для получения изображений различные физические или химические процессы, происходящие в специальных бумагах под действием электрического тока (сигнала). При этом изменяются отражательные свойства участков бланка. Например, те участки, через которые протекал большой ток, становятся более темными.
К третьей группе относятся способы, в которых процесс преобразования сигнала в изображение состоит из двух этапов. Вначале электрический сигнал, получаемый из канала, преобразуется в световой сигнал, который затем фиксируется на светочувствительном материале.
При всех способах воспроизведение изображений выполняется поэлементно и последовательно. Такой процесс получения изображений называется синтезом, а соответствующее устройство — синтезирующим.
На рис. 1.7 показаносинтезирующее устройство, относящееся к третьей группе. Оно состоит из модулятора света (МС), объектива из развертывающего устройства барабанного типа. МС — это источник света, яркость которого пропорциональна величине проходящего через него тока (сигнала). Световой поток от МС собирается и фокусируется объективом на участке светочувствительного материала (фотобумаге, фотопленке и т. д.). закрепленного на поверхности барабана, который совершает движение, аналогичное движению барабана анализирующего устройства и согласованное с ним.
1.2. 1.4. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ
Система передачи сигналов телевизионного вещания — совокупность технических устройств, обеспечивающих доведение телевизионных программ от телецентра до телезрителей [10].
Телевидение предназначено для одновременной передачи оптических и звуковых сообщений, поэтому системы телевизионной связи содержат две подсистемы. Подсистема передачи звуковых сообщений практически не отличается от рассмотренной выше системы звукового вещания. Подсистема передачи оптических сообщений обеспечивает передачу подвижных изображений. Она, как и любая другая система электросвязи, состоит из трех основных элементов: передатчика, канала связи и приемника. Процесс преобразования подвижных изображений в сигнал и обратно не имеет принципиального отличия от процесса преобразования неподвижных изображений, но его практическая реализация существенно отличается. Эффект движения здесь, как и в кино, достигается благодаря быстрой смене неподвижных изображений (кадров). Как известно, на кино- экране за каждую секунду показывается 24 кадра. Благодаря инерционности зрения человек не замечает моменты смены кадров и у него создается ощущение перемещения объектов изображения. Следовательно, преобразование подвижных изображений по сравнению с преобразованием неподвижных изображений должно происходить с гораздо большей скоростью развертки. Поэтому для преобразования подвижных изображений в сигнал и обратно применяются не механические, а электронные развертывающие устройства. Основными элементами преобразователей являются специальные электроннолучевые трубки.
Телевизионные сигналы, как правило, передаются по радиоканалу. Радиоканал включает телевизионный радиопередатчик, передающую антенну, приемную антенну и телевизор (рис. 1.8). Спектр видеосигнала достаточно широк и ограничен относительно низкими частотами (fmax= 6 МГц), поэтому его невозможно передавать без преобразований. Преобразование видеосигнала в радиочастотный сигнал, излучаемый передающей системой в окружающее пространство в виде радиоволн, осуществляется в телевизионном радиопередатчике. Для этого используют несущую частоту изображения и несущую частоту звукового сопровождения, которые изменяются под действием видео и звукового сигнала соответственно.
Например, для первого телевизионного канала применяются 49,75 МГц — несущая частота изображения и 56,25 МГц — несущая частота звукового сопровождения. В результате преобразования частотные границы такого канала с учетом защитных полос составляют 48,5 и 56,5 МГц.
На приемной стороне системы часть энергии радиоволн перехватывается приемной антенной, усиливается и вновь преобразуется в телевизионном радиоприемнике в видеосигнал. Для преобразования видеосигналов в сообщения используется свойство не- которых веществ светиться под воздействием падающего на них потока электронов. Такие вещества называютсялюминофорами. Яркость их свечения пропорциональна интенсивности падающего потока. Люминофоры нанесены на приемную электронно-лучевую трубку(кинескоп).
Устройства, обеспечивающие преобразование радиочастотных сигналов в электрические сигналы звуковых частот и видеосигналы, а также громкоговоритель и кинескоп конструктивно объединены в один аппарат, называемый телевизором.
Используемые в настоящее время системы телевизионного вещания не в полной мере удовлетворяют телезрителей, так как при близком рассмотрении телевизионного изображения на экране телевизора становится заметна строчная структура, наблюдаются искажения цвета, при высокой яркости изображения возникают мерцание строк и другие дефекты. В результате четкость телевизионного изображения значительно уступает четкости фотографии и современных кинофильмов. Ограниченные размеры экрана не обеспечивают зрителю «эффекта присутствия». Для повышения качества телевизионного вещания инженеры всего мира заняты поиском новых подходов к построению его элементов. Практически все разработки, посвященные повышению качества телевизионного изображения, ведутся в трех основных направлениях:
1. Использование «резервов» современных систем телевизионного вещания посредством применения дополнительной аналоговой и цифровой обработки сигналов на передающей и приемной сторонах без изменения стандартов кодирования и передачи на передающей стороне. Это так называемое улучшение» версий действующих систем, позволяющее получить изображение повышенного качества.
2. Изменение систем передачи сигналов телевизионного вещания по радиоканалу, позволяющее улучшить качественные показатели принимаемого изображения. При этом обеспечивается возможность приема обычным приемником изображения стандартного качества и специальным приемником — изображения с повышенной четкостью.
3. Применение многострочных телевизионных систем с большим, чем у существующих стандартов числом строк разложения и увеличенным форматом кадра. Эти многострочные системы получили в настоящее время название систем телевидения высокой четкости, или высокого разрешения (ТВЧ, или ТВР). Система ТВЧ позволяет различать мелкие детали изображения при наблюдении со средней остротой зрения.
1.2.2. СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ
Для передачи дискретных сообщений применяются система телеграфной связи, система передачи данных и другие. Особенностью построения таких систем передачи сообщений является то, что в них подлежат обработке, хранению и передаче дискретные сигналы (разд. 1.1). Исходя из этой особенности и с учетом специфики задач, стоящих перед данными системами, рассмотрим более подробно каждую из них отдельно.
1.2.2. 1. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ТЕЛЕГРАФНОЙ СВЯЗИ
Система телеграфной связи предназначена для двусторонней передачи дискретных сообщений (телеграмм). Она состоит из приемного и передающего устройств, канала связи (рис. 1.9).
Передатчик и приемник конструктивно объединяются и образуют устройство, называемое оконечным телеграфным аппаратом. Следовательно, телеграфная связь реализуется системой, состоящей из двух оконечных телеграфных аппаратов, соединенных каналом связи.
В системах передачи дискретных сообщений используется кодовый метод преобразования сообщения в сигнал и обратно. Смысл этого метода заключается в том, что знаки сообщения при передаче заменяются кодовыми комбинациями, составляемыми из определенных элементов. При этом каждому знаку сообщения соответствует своя комбинация.
Совокупность всех используемых комбинаций составляет телеграфный код. Старейшим и наиболее известным является код Морзе, комбинации которого составляются из двух различных элементов «точка» и «тире». Например, комбинация буквы Е состоит из одного элемента — «точки», комбинация буквы А — из «точки» и «тире», буквы Ш — из четырех «тире» и т. д. Такой код называется неравномерным.
Наибольшее распространение сейчас получили равномерные коды, у которых длина всех кодовых комбинаций одинакова. Например, пятиэлементный код МТК-(международный телеграфный код) имеет 32 комбинации, что позволяет кодировать весь русский алфавит и 10 цифр (Л — 01001; 0 — 01111 и т. д.). Кроме пятиэлементной информационной части код имеет стартовую и стоповую посылки для синхронизации телеграфных аппаратов (рис. 1.10).
В системах передачи данных используется международный восьмиэлементный двоичный код МТК-5, позволяющий передавать гораздо большее число различных знаков сообщений.
При использовании кодов передача сообщений сводится к передаче двух различных элементов кодовых комбинаций. Преобразование комбинации в сигнал осуществляется с помощью устройств, имеющих два устойчивых состояния. Простейшими двоичными устройствами являются контакты, последовательно замыкающие и размыкающие линейные электрические цепи. При замыкании цепи в канал подается токовый импульс, соответствующий одному элементу комбинации, например «1», а при размыкании (тока в цепи нет) — бестолковый импульс, соответствующий элементу «О». Дискретный сигнал, полученный таким образом, представляет собой комбинации токовых и бестолковых импульсов определенной длительности, последовательно передаваемых в канал связи.
Итак, процесс преобразования знаков сообщения в сигнал начинается с кодирования, в результате которого знаки заменяются кодовыми комбинациями. Затем элементы комбинации последовательно преобразуются в элементы сигнала, т. е. в импульсы тока. Эти функции выполняются специальными устройствами передающей части оконечного телеграфного аппарата.
Приемник системы телеграфной связи выполняет обратное преобразование сигнала в сообщение в следующей последовательности. Сначала элементы сигнала поочередно принимаются, преобразуются в элементы кодовой комбинации и запоминаются. Затем определяется знак, соответствующий принятой кодовой комбинации. т.е. выполняется операция, обратная кодированию, называемая декодированием. Процесс приема заканчивается записью знака на бумаге (перфораторной ленте). Все перечисленные операции выполняются специальными устройствами приемной части оконечных телеграфных аппаратов.
Скорость работы системы телеграфной связи определяется как техническими устройствами, так и обслуживающим персоналом и составляет 50, 100 и 200 Бод.
1.2.2.2. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИДАННЫХ
Система передачи данных — совокупность канала связи, аппаратуры передачи данных и оконечного оборудования данных.
Развитие систем передачи данных (СПД) связано с появлением и бурным развитием электронно-вычислительных машин. По СПД передаются сообщения, представляющие собой цифровые данные, предназначенные для обработки на ЭВМ или уже обработанные на них.
Системы передачи данных не имеют принципиальных отличий от систем телеграфной связи. В них также используется условный (кодовый) метод преобразования сообщений в сигнал и обратно, а поэтому процесс передачи сообщений и устройства передатчика и приемника не отличаются от соответствующих элементов системы телеграфной связи. Вместе с тем передача данных имеет следующие особенности:
1. Требуется обеспечить высокую достоверность передаваемых сообщений, так как в отличие от телефонной и телеграфной связи оператор не может исправить ошибки по смыслу сообщения. Поэтому в подавляющем большинстве систем передачи данных предусмотрено автоматическое обнаружение и исправление ошибок, появляющихся при передаче по каналу.
2. Большие объемы данных требуют повышенных скоростей передачи. Имеет значение также время, в течение которого нужно передать сообщение. В отличие от телеграфной связи, где время передачи телеграммы составляет несколько десятков минут, данные должны передаваться за секунды, а иногда и за доли секунд. По этой причине для передачи данных определена следующая иерархия скоростей:
3. Применение технологических алгоритмов обработки данных и недопустимость больших задержек в передаче сообщений выдвигают повышенные требования к надежности системы передачи данных. Заданная надежность обеспечивается рациональным расчетом, качественным изготовлением аппаратуры и комплектующих изделий, тщательным выполнением правил эксплуатации.
Структурная схема одного из возможных вариантов построения СПД приведена на рис. 1.11.
СПД содержит оконечную аппаратуру (ОА), специальную аппаратуру передачи данных (АПД) и устройства согласующие (УСО).
В качестве ОА в низкоскоростных системах передачи данных могут использоваться обычные телеграфные аппараты. Однако, как правило, в СПД применяются специальные высокоскоростные передатчики (трансмиттеры) и приемники (реперфораторы).
АПД состоит из двух полукомплектов: передающего и приемного. Полукомплекты используются в зависимости от функций оконечных пунктов, выполняемых в процессе передачи. Если оконечный пункт передает сообщение, то работает полукомплект передачи, на приемном пункте работает полукомплект приема. Поскольку функции оконечных пунктов меняются, то каждый из них имеет оба полукомплекта, конструктивно объединенных в аппаратуру передачи данных.
В АПД входят устройства защиты от ошибок (УЗО) и устройства преобразования сигналов (УПС). Первое обеспечивает нужную степень достоверности передаваемых сообщений путем обнаружения и исправления ошибок, появляющихся в процессе передачи.
В настоящее время разработаны и применяются различные способы борьбы с ошибками. Наиболее простыми в реализации являются способы, основанные на повторении передачи сообщений. Если каждое сообщение передается несколько раз, то при анализе принятых сообщений ошибки могут быть обнаружены и устранены. При наличии между оконечными пунктами одного канала связи повторение может быть только последовательным, а при наличии нескольких каналов — параллельным, т. е. одновременно по нескольким каналам. Обнаружить и исправить ошибки в обоих случаях оказывается возможным путем повторений передач сообщений или внесения избыточной информации. В АПД применяются и другие способы борьбы с ошибками.
В качестве канала связи чаще всего используется стандартный канал тональной частоты (КТЧ) или канал тонального телеграфирования.
Устройство преобразования сигналов, имеющее также передающую и приемную части, обеспечивает согласование частотных характеристик сигналов с параметрами каналов передачи. Основным элементом передающей части УПС является модулятор, а приемной части — демодулятор. Эти устройства конструктивно объединяются под общим названием модем.
Согласующие устройства предназначены для согласования режимов работы оконечной аппаратуры и аппаратуры передачи данных: скорости передачи, методов газирования, кодов и т. д.
Все элементы СПД реализуются, как правило, на электронных элементах с использованием микропроцессоров и интегральных схем.
Таким образом, современные системы передачи представляют собой комплексы сложных и разнообразных технических средств, осуществляющих преобразование, усиление и передачу сигналов электросвязи. Знание теоретических основ построения систем передачи необходимо для грамотной их эксплуатации, проектирования линий связи.
1.3. СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
1.3.1. ПОНЯТИЕ О СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ И ЕЕ СОСТАВНЫХ ЧАСТЯХ
В наши дни каждый человек пользуется теми или иными услугами электросвязи: слушает радио, смотрит телевизионные передачи, разговаривает по телефону, отправляет и получает телеграммы и т д. В любом случае услуга электросвязи заключается в передаче сообщения на расстояние. Отправителями (источниками) и получателями (потребителями) сообщений являются люди или устройства, обслуживаемые людьми, например ЭВМ. Для передачи каждого сообщения необходимы средства электросвязи, или совокупность определенных технических устройств, образующих систему электросвязи.
Систем электросвязи, а, следовательно, и технических средств, требуется очень много, поскольку речь идет о возможности предоставления услуг электросвязи всем желающим. Например, каждый радиослушатель пользуется своей» системой электросвязи, состоящей из многих различных устройств формирования, усиления, передачи и воспроизведения сигналов. Количество подобных систем равно числу индивидуальных радиоприемников.
Передаваемое звуковое сообщение предназначено одновременно большому числу слушателей, поэтому передающая часть таких систем будет для них общей. Аналогичная ситуация имеет место в телевидении, где количество «индивидуальных» систем электросвязи для передачи и приема телевизионных программ определяется числом телевизионных приемников. Для каждого телефонного разговора также необходима система электросвязи, обеспечивающая передачу и прием речевых сообщений.
Очевидно, что таких систем может быть большое множество, они могут быть различны по номенклатуре применяемых устройств и технологий, виду передаваемых сигналов, скорости передачи, объему предоставляемых услуг, но все они характеризуются наличием каналов электросвязи.
Создание системы для любого вида электросвязи предполагает организацию канала электросвязи между пунктами передачи и приема сообщения. Совокупность этих каналов образует сеть электросвязи, где функции подключения определенных абонентских устройств выполняет специальная аппаратура коммутации, позволяющая образовать тракт для передачи электрических сигналов.
Таким образом, сеть электросвязи представляет собой совокупность оконечных устройств, коммутационных центров и связывающих их линий и каналов связи [5, 10].
В сеть электросвязи входят — пользователи (абоненты, клиенты), являющиеся источниками и потребителями информации. Они создают и воспринимают потоки сообщений и, как правило, определяют требования по доставке и обработке информации, выбору вида связи (телефонной, телеграфной, вещания и т. д.) и получению, различных услуг (видов обслуживания) с соблюдением определенного качества;
— пункты связи
а) абонентские пункты (АП), содержащие аппаратуру ввода и вывода информации в сеть электросвязи (а иногда хранения и обработки). Они находятся в постоянном пользовании определенных абонентов;
б) пункты информационного обслуживания (ПИО) — справочные службы, различные вычислительные центры (ВЦ), банки данных, библиотеки и другие пункты коллективного пользования, обеспечивающие сбор, обработку, хранение и выдачу информации и предоставление пользователям других услуг, связанных с информационным обеспечением;
— каналы связи, объединенные в линии связи, которые обеспечивают передачу сообщений между отдельными пунктами сети;
— сетевые станции, обеспечивающие образование и предоставление вторичным сетям типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, а также их транзит [10];
— узлы:
а) сетевые узлы (СУ), обеспечивающие образование и перераспределение сетевых трактов, типовых каналов передачи и типовых физических цепей, а также предоставление их вторичным сетям и потребителям [10];
б) коммутационные узлы (КУ) для распределения (переключения) каналов, пакетов или сообщений;
— система управления, обеспечивающая нормальное функционирование и развитие сети электросвязи и взаимоотношения с пользователями. С точки зрения системного анализа сеть электросвязи можно представить тремя уровнями (рис. 1.12):
— первый
— внешний уровень, включающий абонентов (клиентов), АП и ПИО, в пределах которого проходит формирование сообщений для передачи в сети электросвязи;
— второй
— собственно сеть электросвязи, включающая линии связи (ЛС), каналы связи (КС), станции связи (СТС) и узлы связи (УЗС), обеспечивающие передачу, распределение и коммутацию сообщений между АП (ПИО) абонентов и корреспондентов;
— третий
— элементы управления сетью, включающие устройства управления (УУ) узлов, центры управления (ЦУ) и всю администрацию.
Рассмотрим более подробно элементы сети и их свойства. Пользователи распределены по территории в соответствии с расположением хозяйственных, промышленных и других производственных объектов, объектов культуры и жилого фонда. Плотность пользователей (их число на 1 км площади) меняется в значительных пределах и является наибольшей в крупных городах.
Экономические, культурные, личные и другие связи между отдельными пользователями и их коллективами, предприятиями и района-
ми страны определяют потребность в передаче сообщений между оконечными или абонентскими пунктами, обслуживающими соответствующих пользователей, а также между узлами, объединяющими абонентские пункты (АП) какого-либо населенного пункта или района (региона). Потребность в передаче сообщений может быть оценена потоками сообщений в единицу времени и выражена в битах, числе знаков (букв, цифр), телеграмм, страниц и других показателях, характеризующих объем сообщения. На практике удобнее бывает определять потребность в передаче сообщения временем передачи, временем занятия типового канала (в часа занятиях) или необходимым числом каналов.
Исходя из местоположения пользователей и создаваемых ими нагрузок, определяются местоположения оконечных пунктов, которые могут содержать аппаратуру ввода и вывода информации (телефонные или телеграфные аппараты, радиоприемники, телевизоры, дисплеи, датчики и т. д.). Эти пункты также могут включать в себя различные устройства для хранения и обработки информации, коммутационные устройства, если к ОП подключено несколько каналов, а также каналообразующую аппаратуру. Оконечный пункт характеризуется типом аппаратуры ввода и вывода (видом связи: телефон, телеграф и т. д.), наличием обслуживающего персонала и дополнительного оборудования, пропускной способностью, временем действия, стоимостью и областью обслуживания (индивидуальный абонент, квартира, предприятие, город и т. д.). Оконечный пункт, обслуживающий одного абонента, называют абонентским пунктом.
Пункты информационного обслуживания подразделяются по их назначению (справочная телефонов, бюро заказов билетов, информационный пункт по какой-либо отрасли, вычислительный центр (ВЦ), обрабатывающий экономическую информацию, и т. д.). В зависимости от объемов передаваемой информации ПИО может иметь один или несколько каналов, соединяющих его с сетью электросвязи, а также у него могут быть абоненты или выносные ОП, соединенные с ним прямыми каналами. В сети ПИО могут рассматриваться как источники информации (ИИ) и потребители информации (ПИ), а также как элементы сети, поскольку создаваемые ими потоки сообщений циркулируют только по сети.
Распределение информации (сообщений) осуществляется двумя способами: на сетевых узлах кроссированием (долговременным соединением) отдельных каналов или линейных трактов для образования прямых каналов между несмежными пунктами, а на коммутационных узлах — в соответствии с адресом каждого сообщения.
Линии связи (кабельные, радиорелейные, радио, спутниковые и т. д.), по которым передаются сообщения, характеризуются емкостью 1/(числом каналов ТЧ), или суммарной пропускной способностью всех каналов. Разделение каналов в линии может осуществляться по пространству, частоте или времени. Основной особенностью линий связи является то, что увеличение их пропускной способности (емкости) приводит к снижению затрат на один канал связи обратно пропорционально корню квадратному от емкости. При укрупнении пучков каналов выигрыш получается не только за счет снижения затрат на каналы, но и вследствие того, что при объединении нагрузок повышается степень использования каналов и станционного оборудования.
Совокупность пучков, узлов и соединяющих их линий (каналов) образует структуру (конфигурацию) сети, определяющую возможность осуществления связи между отдельными пунктами и возможные пути передачи сообщений. Для увеличения надежности сети она строится так, чтобы между отдельными узлами было несколько (обычно 2 или 3) независимых путей.
Система управления сетью обеспечивает поддержание в рабочем (исправном) состоянии технических средств, доставку сообщений по адресу, распределение каналов между вторичными сетями (потребителями), распределение потоков сообщений, планирование и развитие сети, строительство, материально-техническое обеспечение, подготовку кадров, регулирование отношений с пользователями.
1.3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
В настоящее время в эксплуатации находится большое количество сетей связи, различающихся по нескольким признакам, одни из которых определяют место этих сетей в системе связи, другие — принципы их построения и характер функционирования, третьи — экономический или иного рода эффект, получаемый от их применения. Чем больше классификационных признаков используется при описании конкретной сети связи, тем полнее эта сеть может быть охарактеризована.
В литературе [3, 6] сети связи классифицируются по назначению, характеру образования и выделения каналов, типам коммутации, по оборудованию и условиям размещения, степени автоматизации. Рассмотрим более подробно классификационные признаки сетей связи (рис. 1.13).
По назначению сети связи делятся на две большие группы: сети связи общего пользования и сети связи ограниченного пользования.
Сеть связи общего пользования создается для обеспечения услугами связи населения, различных учреждений, предприятий и организаций.
При построении сетей связи ограниченного пользования реализуются специфические требования, обусловленные характером деятельности того или иного ведомства, в интересах которого создается данная сеть, а также предусматривается возможность выхода абонентов в сеть общего пользования. К таким сетям относятся сети внутренней связи и сети дальней связи.
Сеть внутренней связи развертывается на пункте управления (ПУ) и обеспечивает обмен сообщениями между абонентами данного пункта управления [11]. Основными элементами данной сети являются коммутационные центры внутренней связи (КЦВС), связывающие их соединительные линии (СЛ), абонентские оконечные устройства и абонентские линии (рис. 1.14, а).
Сеть дальней связи относится к одной системе связи, развертывается на территории функционирования данной системы и обеспечивает обмен сообщениями между абонентами различных пунктов управления [11] (рис. 1.14, б).
Коммутационные центры дальней связи (КЦДС), расположенные на различных ПУ, связываются каналами дальней связи, а размещенные на одном ПУ — соединительными линиями. Совокупность КЦДС, размещенных на одном ПУ, и связывающих их СЛ, называется подсетью дальней связи (ПДС). На сети дальней связи (ДС) широко применяются транзитные КЦ (ТКЦ) без абонентской емкости. Их местонахождение, как правило, не связано с расположением ПУ. Совокупность таких ТКЦ и связывающих их линий (каналов) связи образует опорную сеть связи (ОСС). ОСС часто разбивается на участки, называемые зонами опорной сети связи. Коммутационные центры дальней связи, расположенные на пунктах управления, связываются с транзитными коммутационными центрами опорной сети одной или несколькими линиями привязки.
Совокупность оконечных устройств (ОУ) и абонентских линий (АЛ), включенных в один КЦ внутренней или дальней связи, образует абонентскую сеть данного КЦ, совокупность ОУ и АЛ на ПУ образует абонентскую сеть данного ПУ.
По характеру образования и выделения каналов связи сети связи подразделяются на первичные и вторичные [8].
Первичная сеть — совокупность типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, образованная на базе сетевых узлов, сетевых станций, оконечных устройств первичной сети и соединяющих их линий передачи [9]. При этом под типовой физической цепью и типовым каналом понимается физическая цепь и канал передачи, параметры которых соответствуют принятым нормам [9].
Сетевой тракт — типовой групповой тракт или несколько последовательно соединенных типовых групповых трактов с включенной на входе и выходе аппаратурой образования тракта [9].
Вторичная сеть связи — совокупность линий и каналов связи, образованных на базе первичной сети, станций и узлов коммутации или станций и узлов переключений, обеспечивающих определенные вид связи [9]. Фрагмент взаимосвязи первичной и вторичных сетей показан на рис. 1.15.
Главной задачей первичной сети является образование типовых каналов и групповых трактов связи, задача вторичной сети — доставка сообщений определенного вида от источника к потребителю.
Способ построения сети определяется принятой системой коммутации: долговременной, оперативной или их сочетанием.
По типам коммутации сети подразделяются на коммутируемые, частично коммутируемые и некоммутируемые.
Для коммутируемых и частично коммутируемых сетей связи характерно использование различных вариантов коммутации.
Долговременной называется коммутация, при которой между двумя точками сети устанавливается постоянное соединение.
Оперативной называется коммутация, при которой между двумя точками сети организуется временное соединение.
Сочетание оперативной и долговременной коммутации предполагает то, что на одних участках информационного направления сети связи может применяться долговременная коммутация, а на других — оперативная.
Коммутируемая сеть связи — это вторичная сеть, обеспечивающая соединение по запросу абонента или в соответствии с заданной программой через канал электросвязи оконечных устройств вторичной сети при помощи коммутационных станций и узлов коммутации на время передачи сообщений [9]. Каналы передачи в коммутируемых сетях являются каналами общего пользования.
На частично коммутируемых сетях связи предусматривается использование всех систем долговременной и оперативной коммутации. Реально существующие и проектируемые на ближайшую перспективу сети связи относятся к классу частично коммутируемых.
К некоммутируемым сетям связи относятся вторичные сети, обеспечивающие долговременные (постоянные и временные) соединения оконечных устройств (терминалов) через канал электросвязи с помощью станций и узлов переключений [9]. К некоммутируемым сетям можно отнести опорную сеть связи.
По оборудованию и условиям размещения сети связи подразделяются на мобильные и стационарные. Под мобильными понимаются сети связи, элементы которых (КЦ, линейные средства связи) размещаются на транспортной базе и могут перемещаться. Одним из распространенных типов мобильных сетей является полевая сеть связи военного назначения. Стационарные сети связи создают на базе узлов связи, размещенных в стационарных сооружениях. В состав стационарных сетей при необходимости могут включаться подвижные элементы, например, при замене на короткое время вышедших из строя стационарных элементов, временном расположении абонентов на подвижных объектах, необходимости временного усиления определенных элементов сети.
По степени автоматизации сети связи делятся на неавтоматизированные, автоматизированные и автоматические. На неавтоматизированных сетях связи все или подавляющее большинство основных операций выполняется человеком. Автоматизированными называются сети, в которых подавляющее число функций по выполнению определенного объема операций осуществляется техническим устройством. Такие сети оцениваются по степени автоматизации, которая определяется коэффициентом Кa равным отношению объема операций, выполняемых техническими устройствами, к общему объему выполняемых операций:
где n1, — общий объем операций, выполняемых за определенное время, n1, — количество операций, выполняемых автоматами. Возможно определение подобного коэффициента по времени :
где ta, — суммарное время выполнения операций техническими устройствами в течение определенного периода, а ts, — суммарное время выполнения всех операций.
Также может использоваться показатель эффекта введения автоматов:
где tn, — суммарное время выполнения операций за определенный период на неавтоматизированной сети соответственно.
Автоматические сети предусматривают выполнение всех функций по передаче и коммутации сообщений автоматами.
В настоящее время на сетях общего пользования из-за того, что 60% оборудования КЦ не отвечает требованиям ЕСЭ России, применяются смешанные сети связи.
По обслуживаемой территории сети связи разделяют на междугородные, международные, местные (сельские, городские), внутрипроизводственные.
Междугородная сеть связи — сеть связи, обеспечивающая связь между абонентами, находящимися на территории разных субъектов РФ или разных административных районов одного субъекта РФ (кроме районов в составе города) [7].
Международная сеть связи — совокупность международных станций и соединяющих их каналов, обеспечивающая международной связью абонентов различных национальных сетей [7].
Местная сеть связи — сеть электросвязи, образуемая в пределах административной или определенной по иному принципу территории, не относящаяся к региональным сетям связи; местные сети подразделяются на сельские и городские [10].
Сельская сеть связи — сеть связи, обеспечивающая телефонную связь на территории сельских административных районов [10].
Городская сеть связи — сеть, которая обслуживает потребности большого города. Функция городской сети — работа в качестве базовой магистрали для связи локальных сетей всего города [10].
Внутрипроизводственные сети — сети связи предприятий, учреждений и организаций, создаваемые для управления внутрипроизводственной деятельностью, которые не имеют выхода на сеть связи общего пользования [10].
Разделение сетей связи по охвату территории. В зависимости от обслуживаемой территории сети бывают локальными, корпоративными, сельскими, городскими, местными, внутриобластными, междугородными (магистральными для первичной сети), национальными, международными, глобальными (территориальными), смешанными.
Локальная сеть связи — сеть связи, расположенная в пределах некоторой территории (предприятие, фирма и т. д.) [10].
Корпоративная сеть связи — сеть связи, объединяющая сети отдельных предприятий (фирм, организаций, акционерных обществ и т. п.) в масштабе как одного, так и нескольких государств [10].
Внутриобластная, или зоновая сеть связи, — междугородная сеть электросвязи в пределах территории одного или нескольких субъектов Федерации [10].
Магистральная сеть связи — междугородная сеть электросвязи между центром Российской Федерации и центрами субъектов Федерации, а также между центрами субъектов Федерации [10].
Национальная сеть связи — сеть связи данной страны, обеспечивающая связь между абонентами внутри этой страны и выход на международную сеть [10].
Глобальная (территориальная) сеть связи объединяет сети, расположенные в разных географических областях земного шара [10]. Одним из примеров такой сети может быть Internet.
Разделение сетей по роду связи (используемой аппаратуре). По роду связи (используемой аппаратуре) сети связи могут быть подразделены на проводные (кабельные, воздушные, волоконно-оптические) и радио сети (радиорелейные, тропосферные, спутниковые, метеорные, ионосферные и т. д.).
Разделение сетей по выдут связи. В зависимости от вида связи сети связи подразделяют на телефонные, видеотелефонные, телеграфные, факсимильные, передачи данных, сети звукового и телевизионного вещания.
Разделение сетей по виду передаваемой информации. По виду передаваемой информации различают цифровые, аналоговые и смешанные сети связи. Существование смешанных сетей характерно при переходе от аналоговых сетей связи к цифровым.
Разделение сетей по степени защищенности. По этому. признаку сети связи делятся на защищенные (сети зашифрованной телефонной, зашифрованной телеграфной связи и т. д.) и незащищенные. В свою очередь в защищенных сетях может использоваться аппаратура гарантированной и временной стойкости.
