Недостатки сложность выделения части каналов в промежуточном пункте; размножение ошибок в кодонезависимых каналах.

24. Передача данных по каналам тональной частоты. Передача данных по цифровым каналам. Высоко- и низкоскростоные каналы передачи данных.

Передача по КТЧ.

У различных организаций, удаленных друг от друга на значительном расстоянии (например, разные города), которым необходимо обмениваться цифровой информацией(медицина, банки, научные учреждения и многие другие), может возникнуть проблема выбора среды для передачи необходимой им информации. На сегодняшний день наиболее распространенными являются аналоговые линии, что сказывается на постоянном совершенствовании модемов, предназначенных для передачи данных именно по ним. Наша страна также не является исключением в этом вопросе. Кроме того, цифровые линии существенно дороже аналоговых. Можно, конечно, использовать коммутируемую сеть общего пользования (но нет гарантии, что будет удовлетворяющее вас качество), либо "Искру", но при большом объеме передаваемой информации это неэффективно. Таким образом, наиболее удобной является аренда каналов тональной частоты (ТЧ). Но при этом возникают свои проблемы.

Арендованные или выделенные каналы - это такие каналы, которые жестко закреплены за конкретными пользователями, и это соединение не меняется во времени. Эти каналы арендуются у предприятий связи различными организациями для удобства обмена информацией. Путь прохождения этих каналов может быть различным. Он может проходить транзитом через телефонные станции, междугородные телефонные станции, спутники, через различные системы передачи, также идти по отдельно лежащим кабелям.

Для организации выделенных каналов между организациями сильно разнесенными в пространстве (расположенными в различных городах) используются каналы ТЧ, образованные различными системами передачи, как аналоговыми, так и цифровыми. В этой статье особое внимание уделим аналоговым системам передачи, так как они в нашей стране имеют большинство на магистральных и внутризоновых сетях.

Когда создавалась телефонная сеть, то ее основным критерием ставилась разборчивость. В условиях передачи данных, особенно на больших скоростях, такого критерия становится недостаточно, поэтому требования к телефонной сети увеличиваются. Возникла необходимость измерения и нормирования таких характеристик каналов ТЧ, которые являются критичными для передачи данных [1]. Рассмотрим некоторые параметры каналов ТЧ, а также причины, которые могут сказываться на их отклонении от нормы.

Например, в пункте 3.8 [1] нормируется отклонение величины группового времени прохождения (ГВП) от значения, измеренного на частоте 1900 Гц. Эта величина характеризует степень фазовых искажений дискретной информации, которые затягивают время переходного процесса в установлении амплитуды и частоты передаваемого сигнала. Если время переходного процесса превысит допустимую величину, то могут появиться ошибки в принимаемом сообщении.

В пунктах 3.10-3.13 [1] определены нормы на суммарное и относительное время действия импульсных помех и кратковременных перерывов уровня сигнала в каналах ТЧ аналоговых систем передачи. Импульсная помеха представляет собой сравнительно короткий и мощный всплеск мешающего напряжения, который может вызвать нарушение передачи информации или ошибки. Амплитуда такой помехи соизмерима с амплитудой полезного сигнала, а время действия соизмеримо с длительностью единичного элемента сигнала дискретной информации.

Источниками помех могут быть:

• линейные усилители систем передачи в режиме перегрузки;

• плохие контакты электрических цепей;

• переключение аппаратуры и другие работы проводимые персоналом линейных и стационарных сооружений связи;

• влияние грозовых разрядов, линий электропередачи, радиостанций и прочее.

Принято считать, что импульсные помехи вызывают до 20% всех ошибок при передаче дискретной информации по каналам ТЧ.

Кратковременные перерывы связи - это скачкообразное уменьшение уровня принимаемого сигнала ниже заданного значения, которое не может скомпенсировать система автоматического регулирования уровня в приемнике модема.

Этот вид мешающих воздействий может вызвать до 80-90% от общего количества ошибок.

В пункте 3.14 [1] нормируется дрожание фазы (джиттер фазы) с частотой 20-300 Гц для каналов ТЧ, образованных как аналоговыми, так и цифровыми системами передачи, а также смешанных каналов ТЧ. Норма составляет не более 15 градусов.

Джиттер - это изменение (дрожание) фазы несущих колебаний в каналах систем передачи с частотным разделением каналов, вызываемое естественной нестабильностью частоты и фазы задающих генераторов преобразовательного оборудования систем передачи, а также проникновением фона (гармоник) переменного тока с частотами 50, 100, 300 Гц в цепи питания этого оборудования.

Но даже при отрегулированных каналах ТЧ бывают неприятные казусы, связанные с особенностями некоторых типов оборудования систем передачи. Например, у К-60П есть следующий недостаток: в тот момент, когда включается подогрев задающих генераторов происходит кратковременный скачок фазы на 4-5 градусов, который отрицательно сказывается на модемах (некоторые из них могут разорвать соединение).

Междугородные каналы являются 4-проводными, а если используются 2-проводные модемы, то необходимо использование дифсистем, которые вводит такое мешающее воздействие, как эхо, из-за своей неидеальности либо плохой настройки. Особенно это воздействие сказывается на больших расстояниях. Многократно усиленное дальнее эхо становится соизмеримым с полезным сигналом и влияет на качество передачи данных. Лучший выход из этого положения - это применение 4-проводных модемов.

Все перечисленные выше мешающие факторы на каналах ТЧ в основном носят локальный характер, что позволяет выявить и устранить их при подробном исследовании канала, либо заменить неисправный канал на исправный, если есть в наличии резерв. Таким образом, в большинстве случаев каналы ТЧ можно использовать для передачи данных, а перепробовав модемы, можно подобрать такой, который обеспечить надежную работу. Но есть, к сожалению, участок, который гораздо сложнее настроить и который является менее стационарным, чем канал ТЧ, - это так называемая последняя миля (участок от междугородной станции до абонента) - прямые провода, которые порой сводят на нет все характеристики канала.

Разновидность выделенных каналов - это прямые провода (кабель, расположенный в пределах одного города между двумя пунктами, который, также может идти транзитом и через телефонные станции). Основные проблемы при передаче данных по прямым проводам - это удаленность друг от друга (это вносит большое затухание, также и из-за небольшого диаметра кабеля, предоставляемого ГТС, порядка 0,5 мм и менее), кабель, который лежит в земле, подвергается всевозможным влияниям, начиная с природы (молнии, дождь, снег и многое другое) и заканчивая человеком (расположение рядом электрических кабелей, механические повреждения при земляных работах и другое), переходные разговоры, которые могут по уровню превосходить работу модемов, перекос амплитудной характеристики (на верхних частотах сигнал затухает сильнее, чем на низких).

Ниже приведены результаты нескольких экспериментов. Работая с аналоговыми системами передачи, автору приходилось часто встречаться с проблемами при передаче по ним дискретной информации при помощи модемов. Для более полного изучения поведения модемов на каналах ТЧ пришлось создать программу по сбору статистики, алгоритм которой описан в [2]. Эта программа, а также измерительная аппаратура TDA-2(3) позволили оценить некоторые из используемых нами для передачи данных каналов ТЧ.

Эксперименты проводились со следующими модемами: UNICOM 1414 VQE 14400, ZyXEL 1496, ZyXEL 2864, US Robotics Courier V.34(V.32terbo, V.32bis), Paradyne 33600(28800). Уровень на входе в каналообразующую аппаратуру устанавливался равным -28 дБ для выделенных каналов, 0 дБ для прямых проводов и для коммутируемых линий от -6 до -11 дБ. Методы сжатия и коррекции ошибок не использовались. Соединенные модемы устанавливали в асинхронном режиме. Модемы использовались как 2-проводные (в канал включались через дифсистему, по необходимости ставился удлинитель на передачу), так и 4-проводные. Компьютер использовался 386DX-25, из-за этого производительность была низкой (до 500 байт/секунду, 2-задачная среда Windows 3.1). Для эксперимента использовались каналы, образованные аппаратурой К-60П (до двух переприемов), каналы, завернутые в Архангельске(до 6 переприемов), каналы, завернутые, в Северодвинске(до 10 переприемов), прямые провода, АТСК корабельного типа и АТС Panasonic EMSS 336. Для передачи использовались пакеты, образованные при помощи генератора псевдослучайных чисел длиной 1024 байта(также использовались пакеты длиной до 16384 байта на каналах с хорошими характеристиками) с контролем CRC16. Модемы принудительно работали с определенными протоколами и на определенных скоростях для исследования влияния скорости соединения на качество работы.

Эксперименты показали, что все модемы связывались через используемые в эксперименте АТС на максимальной скорости. Вероятность появления ошибки составила 10^-7. Используемая в эксперименте АТСК не вносила в передаваемый сигнал никаких искажений. Panasonic EMSS 336 значительно перекашивала амплитудно-частотную характеристику, вводя затухание порядка 6-15 дБ(на частотах 300 и 3400 Гц соответственно), но модемы работали практически без ошибок. Вероятность появления ошибки не изменилась. Работа модемов через канал ТЧ, образованный аппаратурой К-60П, показала, что максимальная скорость установления соединения у модемов составила: для Paradyne - 31200 бит/с, для ZyXEL - 26400 бит/с, US Robotics - 28800 бит/с, UNICOM - 14400 бит/с. Скорости даны для однотипных модемов. Paradyne и ZyXEL отказались связываться по протоколу V.34 и вообще не установили соединения. Вероятность ошибки на исследуемых каналах ТЧ колебалась между 10^-3 и 10^-4. На прямых проводах модемы соединялись на максимальных скоростях и работали без ошибок.

Использование протоколов коррекции ошибок практически сводило на нет их появление.

Были подмечены следующие закономерности:

1. Зависимость между скоростью соединения и вероятностью появления ошибок такова, что обычно на скоростях до 9600 бит/с ошибок практически не было, вероятность появления ошибки составляла 10^-5 - 10^-6.

2. Ошибки имеют тенденцию к группированию, и поэтому при уменьшении длины пакета данных вероятность появления ошибки уменьшалась примерно на 20 - 50 % в зависимости от того, насколько уменьшался пакет. В то же время значительное уменьшение пакета сказывалось на производительности, и дальнейшее его уменьшение нецелесообразно.

3. Обычно модемы имеют уровень на передачу от -9 до -12 дБ, регулировка возможна не всегда. При работе с такими уровнями аналоговая каналообразующая аппаратура начинает реагировать следующим образом: если уровень выше -13 дБ, то происходит обрезание передающего сигнала до этого предела. Если уровень на передачу находится в пределе от 0 дБ до -22 дБ, то редко возможна скорость выше 9600 бит/с из-за того, что каналообразующая аппаратура начинает возбуждаться и также не дает возможности работы с высокими скоростями. Оптимальным является уровень от -25 до -28 дБ, в этом случае возможна работа на скоростях до 31200 бит/с включительно. Таким образом, чем ниже уровень на передачу у модема, тем выше скорость соединения.

4. Ошибки редко возникают на каналах связи из-за перерывов. Обычно они связаны с такими параметрами, как сигнал/шум, дрожание фазы, искажение частоты, завышенный уровень на передачу, нелинейные искажения.

Передача по цифровым каналам.

Принцип передачи данных но цифровым каналам связи рассмотрим на примере системы ИКМ-30

Передающей средой в ИКМ-системах служит цифровой линейный тракт (ЛТ)), структура которого приведена на рис.3.49. Он включает передающее и  приемное оконечное оборудование ЛТ участки линии связи к регенераторы, для согласования структуры цифрового сигнала с ЛТ в передающую и приемную части оконечного оборудования входят соответственно кодер (КЛТ)) и декодер (ДЛТ) линейного тракта. При использовании кабельных линий связи цифровые сигналы передаются в основной полосе частот с использованием линейного кодирования. Местоположение регенератора и обработка цифрового сигнала в нем выбираются так, чтобы обеспечить требуемую помехоустойчивость при минимизации затрат на создание цифрового тракта. Передача данных может осуществляться для самых разных целей. Будь то - потоковое видео, перекачка баз данных, видеонаблюдение через интернет, телефонные переговоры, как в режиме с коммутацией каналов, так и с использованием интернет-технологий. Для всех этих применений канал остается примерно одинаковым. Разве что для видеосигнала он будет намного шире, чем для передачи текста.

Задачей передающей части оконечного оборудования является дискретизация аналоговых речевых сигналов, временное объединение полученных дискретов их квантование; и кодирование. На выходе квантователя сигнал имеет такую же структуру, как и сигнал данных. Поэтому возможно объединение телефонных сообщений и данных. На приемном конце осуществляются обратные преобразования (разъединение сигналов, восстановление  дискретов по линейному коду, и их цифроаналоговое преобразование).

Временное уплотнение сигналов в ИКМ-системах требует жесткой синхронизации передающего и приемного оборудования. Для этого предусматривается синхронизация генераторов приемной станции по тактовой частоте, циклам и сверхциклам цифрового патока. Тактовая синхронизация обеспечивает равенство скорости обработки сигналов на оконечных станциях. Цикл передачи груп­пового цифрового сигнала состоит из канальных интервалов (КИ), синхросигналов (СС), сигналов управления и взаимодействия (СУВ) вспомогательных сигналов и сигналов данных. Структура группового  сигнала ИКМ, показанная на рис.3.50, включает 32 КИ, а ее тактовая частота  J- определяется частотой дискретизации речевых сигналов  fg = 8 кГц, числом разрядов кодовой комбинации для представления дискретов п = log2256=8 и числом каналов Nk = 32. Для ИКМ-30 f t= 8-8-32 = 2048 кГц.

Цифровая синхронизация обеспечивает правильное распреде­ление кодовых символов в КИ, согласованное с передающей сторо­ной. Синхросигнал располагается в начале цикла и его структура такова, что он легко обнаруживается на приемной стороне (рис.3.50а). В ИКМ-30 кодовая синхрогруппа имеет вид 0011011 исследует с частотой 4 кГц (в КИ нечетных циклов).

Синхронизация системы распределения сигналов управления и взаимодействия между узлами коммутации обеспечивается формиро­ванием сверхцикловой синхронизации (СЦС), кодовые группы кото­рой имеют структуру 0000 и передастся через каждые 16 циклов в 17-м КИ, то есть с интервалом следования 126 мксх16=2 мс (рис.З.50б). Для обеспечения работы системы передачи в структу­ру цикла и сверхцикла включаются служебные символы, помеченные X,U , V , а  на рис.З.50а. Буквы а,в,с,d означают символы че­тырех сигнальных каналов, приписываемых соответствующему каналу.

Следовательно  система ИКМ-30, как и любая другая цифровая система, позволяет совмещенный режим использования для передачи аналоговой и дискретной информации (речевых сообщений и сообще­ний данных). Имеется возможность часть (или все) КИ занимать сигналами данных.

Появление цифровых каналов в системах связи дало возмож­ность исключить в АПД необходимость реализации дорогостоящего процесса модуляции и демодуляции двоичных сигналов. Оконечная аппаратура цифровых систем каналообразования позволяет вводить цифровые сигналы в систему передачи без преобразования. Это  существенное преимущество цифровых систем позволило осуществлять интеграцию на основе различных видов связи. Однако следует помнить, что аппаратура цифровых систем (прежде всего, систем с ИКМ с дельта-модуляцией ДМ и их разновидностями создавалась для передачи речевых (аналоговых) сигналов, что определило технические решения этой аппаратуры, в частности выбор частоты дискретизации и числа элементов кодовых комбинаций.  При передаче данных существен не столько уровень передаваемого сигнала, сколько верность определения его значащих моментов (переход из состояния "1" в состояние "0" или наоборот). Параметры цифровой системы, в которой организуются каналы передачи данных, определяет их качественные характеристики. Кодовые комбинации полученные в результате преобразования сигналов передачи данных, отличаются от кодовых комбинаций аналоговых телефонных сигналов как числом символов в кодовых комбинациях, так и часто­той дискретизации. Обычно требуется, чтобы длительность самого короткого импульса (сигнала) передачи данных была больше0 периода стробирования (дискретизации) входного сигнала. Принцип передачи цифровых сигналов, включая сигналы данных, путем передает информации о моменте изменения значащего состояния цифрового сигнала и направлений его изменения позволяет организовать "прозрачные" системы передачи данных,т.е. системы неналагающие требований на применяемый для сигналов данных код, на скорость их модуляции и способ синхронизации

Ввод и передача сигналов данных через оконечные устройства цифровых          систем каналообразования могут быть осу­ществлены двояко: путем непосредственного стробирования сигналов данных и передачи информации о значащих позициях этих сиг­налов (простое наложение) либо путей опознавания моментов изменений значащих позиций и передачи кодированной информация о них