Введение в специальность

275

щиеобязательнуюсилу, регламентируютвсетехническиепараметры каналов электросвязи, включая размеры и конструкцию разъемов, уровни сигналов и помех, процедуры установления соединений и т. д. Именно благодаря этим стандартам телефонный аппарат, сделанный в Японии, можно подключить к розетке в России и поговоритьпонемусабоенентомвАмерике. Примеромстыкамежду

Каналы электросвязи подразделяются на аналоговые и цифровые. Как следует из названия, аналоговые каналы служат для передачи аналоговых сигналов, а цифровые – цифровых.

Аналоговые каналы характеризуются прежде всего полосой пропускания, то есть спектром частот аналогового сигнала, который может передавать данный канал. Основным видом такого каналя является стандартный канал тональной частоты (ТЧ), предназначенный для передачи одного телефонного разговора. Согласно рекомендациям МККТТ стандартный канал ТЧ должен пропускать частоты от 300 до 3400 Гц, то есть ширина полосы этого канала равна 3100 Гц. Именно такую полосу гарантирует вам оператор телефонной связи вне зависимости от того, с кем вы говорите – соседом по дому или жителем на другом конце Земли.

Вторая важная характеристика аналогового канала – уровень помех, которыйизмеряетсяотношениеммощностисигналаS кмощности шума N на выходе канала. Для хороших каналов ТЧ отношениеS / N должнобытьнеменеемиллиона, однаковреальныхусловиях на отечественных телефонных линиях это соотношение как правило хуже.

По стандартному каналу ТЧ невозможно передать качественный звук, а тем более телевизионный сигнал, который требует полосу почти в 2000 раз шире. Для этих целей необходимы широкополосные каналы, пропускающие частоты до нескольких МГц, однако содержание таких каналов для дальней связи стоит больших денег и под силу лишь компаниям-операторам связи.

Цифровыеканалыхарактеризуютсяскоростьюпередачиданных, измеряемой числом битов в секунду. Исторически первым и самым медленным был стандартный телеграфный канал, рассчи-

Передача аналогового сигнала по цифровому каналу

276

танный на передачу всего 75 битов в секунду, по таким каналам до сих пор кое-где ведется телетайпная связь между организациями.

Современные требования к цифровым каналам совершенно другие. Международными рекомендациями установлена иерархия скоростных цифровых каналов. В качестве базового определен канал со скоростью передачи 64 кбит/с, достаточный, как мы скоро увидим, для передачи оцифрованной речи и в этом смысле эквивалентный аналоговому каналу ТЧ. Тридцать два базовых канала образуютпервичныйканалсоскоростьюпередачи2048 кбит/с(онобозначается E1), четыре канала E1 образуют вторичный канал E2 со скоростью 8 Мбит/с и т. д. вплоть до нескольких Гбит/с.

Важной характеристикой цифрового канала является допустимая частота (коэффициент) ошибок. При передаче телеграмм в былые времена допускался коэффициент ошибок 10-2-10-3, в настоящее время при пересылке больших массивов компьютерных данных допустимо значение не более 10-8 -10-9.

Вплоть до 1990-х годов скоростные цифровые каналы считались роскошью, они были доступны только компаниям, профессиональнозанимающимсятелекоммуникационнымбизнесом. Сегодня цифровой канал может арендовать не слишком богатая фирма.

Как мы уже говорили, в интегрированных системах связи, которые в последниегодыстановятсявсеболее популярными, передача всех видов

сообщений производится по единым цифровым каналам электросвязи. Всвязисэтимвозникаетзадачапреобразованияаналогового сигналавцифровой. Хотяабсолютноточноаналоговыйсигнал, имеющий бесконечное число состояний, представить в конечном цифровом виде невозможно, это преобразование осуществимо с приемлемой для практических нужд точностью. Преобразование аналогового сигнала в двухпозиционный цифровой ведется в три этапа. Сначала происходитдискретизация, тоестьизмерение величиныаналоговогосигналавмоментывремени, отстоящиедруготдруга на единичные интервалы Т, затем проводится квантование – ок- руглениеизмеренногозначениядоближайшейпозицииM-позици-

277

онного сигнала (на рисунке M=7) и, наконец, кодирование - преобразование многопозиционного цифрового сигнала в двухпозиционный.

Качество преобразования существенно зависит от выбора T и M. Очевидно, чем быстрее меняется аналоговый сигнал, тем чаще нужно делать отсчеты значений. В теории связи установлено что если спектр сигнала ограничен сверху величиной f max, то отсчеты следует делать с частотой не менее 2 f max.. Этотрезультат называет-

ся теоремой отсчетов или теоремой Котельникова, доказанной выдающимсяотечественнымрадиофизикомВладимиромАлександровичем Котельниковым (р. 1908).

На основании теоремы отсчетов установлены стандартные параметры преобразования различных видов аналоговых сигналов в

s ( t )			s ( t )
			0
a )			T	T	T	T	T	T
						б )
s ( t )			s ( t )
7		1 1 1
6
		1 1 0
5
		1 0 1	1
4
		1 0 0
3		1 1 0
2		0 1 0	0
1	t	0 0 1	1 0 0	1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0
0		0 0 0
в)						г)

Преобразование аналогового сигнала в двухпозиционный цифровой: а) исходный сигнал; б) дискретизация;

в) квантование; г) кодирование

Передача цифрового сигнала

по аналоговому каналу

278

цифровые. Так, для передачи речи, имеющей fmax = 3400 Гц применяетсячастотаотсчетов8 кГц, приэтомизмерениезначениясигнала рекомендуется производить с точностью до 256 позиций (8 битов), таким образом для нормальной передачи телефонного разговора достаточна скорость передачи данных 64 кбит/с. Именно такая скорость установлена для базового цифрового канала.

Для качественного воспроизведения музыки, с fmax = 20 кГц частота дискретизации устанавливается равной 44,1 кГц (стандарт компакт-дисков), аизмерениевеличинысигналапроизводитсясповышенной точностью до 16 битов (M = 216=65536).

Достаточночастовозникаетпротивоположная задача – передать цифровойсигналпоаналоговмуканалу. Типичная ситуация – подключение до-

машнего компьютера к узлу Internet по обычному телефонному каналу. Первичный цифровой сигнал в виде импульсов постоянного тока по такому каналу не пройдет, так как канал ТЧ не пропускает постоянный ток. В качестве переносчика данных в этом случаях должен использоваться непрерывный сигнал, параметры которого дискретно меняются во времени в зависимости от передаваемой позиции цифрового сигнала. Процесс преобразования первичного цифрового сигнала в аналоговый называется модуляцией, а обратный процесс – демодуляцией. Конструктивно МОдулятор и ДЕМодуляторобычносовмещаютсяводномустройстве, называемоммо-

демом (modem).

Простейшим видом непрерывного периодического сигнала является синусоидальный переменный ток s(t) = A sin(2ùft + '), у

которого есть три параметра – амплитуда A, частота f и фаза '. Соответственно возможны три простых вида модуляции – амплитуднаячастотнаяифазовая(см. рисунок). Припростоймодуляциискоростьпередачиданныхчисленноравнаскоростиманипуляции. Для того, чтобы увеличить скорость передачи данных есть две принципиальных возможности: увеличивать скорость манипуляции либо воспользоватьсясложнымивидамимодуляции. Например, прикомбинированной амплитудно-частотной модуляции за один такт бу-

279

дет передаваться уже два бита. Если число различимых уровней сигнала поднять с двух до четырех, то за такт можно передать уже три бита и т. д., однако до бесконечности так продолжаться не может, так как в линии связи всегда присутствуют помехи, поэтому близкие по амплитуде уровни будет неразличимы на фоне шумов.

Возникает

Т Т Т Т

Немодулированный

несущийсигнал

Первичныйцифровой сигнал (1 бит за такт)

Амплитудная

модуляция

Частотная

модуляция

Фазовая

модуляция

Первичныйцифровой сигнал (2 бита за такт)

Амплитудно-частотная модуляция 1-й бит - амплитуда, 2-й бит - частота)

1 0 1 1

10 11 00 01

Модуляциясинусоидальноготока

Структура

системы

электросвязи

280

естественныйвопрос– гдепределпропускнойспособностианалогового канала при передече по нему данных?

Шеннон доказал, что скорость передачи данных по аналоговому каналу ограничена теоретическим пределом, вычисляемым по знаменитой формуле, носящей его имя:

	C = F log2		+	S
		1			,
				N
где C	– скорость передачи данных, бит/с,

F – ширина полосы пропускания канала, Гц,

S / N – отношение мощности сигнала к мощности шума.

Теперь сразу становится ясным, почему по модему, подключенномуктелефоннойсетиобщегопользования, нельзякачатьинформацию с бесконечно большой скоростью. Поскольку ширина полосы каналоТЧравна3100 Гц, аотношениесигнал/шумсоставляет влучшем случае 106 = 220, то предельная пропускная способность такого канала не более 60 Кбит/с. Как видим, обеспечиваемая современнымимодемами скоростьоченьблизка ктеоретическому пределу.

4.3. Системы и сети электросвязи

Мы уже отмечали, что рядовому пользователю все равно, каким образом устроен канал, доставляющий его сигнал до получателя. Однако профессиональному специалисту по компьютерным технологиямэтодолжнобытьсовсемнебезразлично. Знаниепринципов позволяет ему ориентироваться на современном рынке услуг связи и выбирать решения, наилучшие с технической и экономической точек зрения.

Система электросвязи представляет собой комплекстехническихсредствисооружений(кабельных магистралей, каналообразующей аппаратуры, усилителей, радиорелейных станций,

спутников связи и т. п), предназначенных для организации одного или нескольких каналов электросвязи между двумя пунктами. Со-

281

ответственно этому системы подразделяются на одноканальные и многоканальные.

Система электросвязи состоит из каналообразующей аппаратуры и линии передачи (link). В простой одноканальной системе каналообразующая аппаратура представлена вдумя симметричнымиустройствамипреобразованиясигнала(УПС), введеннымивсистемупотому, чтопервичный(цифровойилианалоговый) электрический сигнал s(t), поступивший на вход канала электросвязи, может быть непригоден для прхождения по данной линии передачи и егоследуетпреобразоватьвовторичныйсигналv(t). Например, если используется беспроводнаярадиолиния, тоэлектрическийтокследуетпреобразоватьввысокочастотнуюэлектромагнитнуюволну, а если оптический кабель – то в световые импульсы. На приемном конце УПС выплняет обратную операцию преобразования вторичного сигнала в первичный, поступающий на выход канала. В тех случаях, когда первичный сигнал непосредственно доходит до получателя, УПС отсутствуют, тогда понятия канала связи и линии передачи совпадают.

Одноканальные системы применяется там, где выделение отдельнойлиниипередачидлякаждого каналанепрелставляетбольшойпроблемы. Например, длясоединениятелефонныхузловвпеделаходногонаселенногопунктапрощеидешевлепроложитьмногожильныйтелефонныйкабель, насчитывающийнесколькосотпар проводов, чемустанавливатьдополнительнуюканалообразующую аппаратуру.

Совершеннодругаяситуацияскладываетсявсистемахдальней (междугороднойимеждународной) связи. Стоимостьлинейныхсооружений в этом случае чрезвычайно велика и выделять каждому каналу, например, стандартному телефонному каналу отдельную физическую линию разорительно. В этих случаях используются многоканальные системы связи.

Для организации многих каналов по одной линии необходима дополнительная аппаратура, которая называется аппаратурой уп-

лотнения или мультиплексирования. Мультиплексор (multiplexer),

стоящий на входе многоканальной системы сливает потоки сигналовs1(t), s2(t),...,sn(t) изразныхканаловводинсигналs(t), передава-

282

Канал электросвязи

s (t)

УПС

V(t)

Линия передачи

n(t)

s1

(t)

ор

a)

льтиплекс

s

2 (t)

s(t)

УПС

V(t)

Линия передачи

...

М у

n(t)

sn (t)

б)

Каналообразующая

аппаратура

V'(t)

УПС

s'(t)

ор

s'1 't)

льтиплексу

s'2 (t)

V'(t)

УПС

s'(t)

Д ем

...

s'n (t)

Каналообразующая аппаратура

Система электросвязи: а) одноканальная, б) многоканальная

емый по общей линии передачи. На выходе системы производится обратная операция демультиплесирования, то есть разборки общего сигнала на составляющие, которые направляются на выход соответствующих каналов.

Взависимостиоттого, скакимисигналамиимеетделосистема связи, она может быть аналоговой, цифровой или интегральной. В аналоговой системе все каналы аналоговые: аналоговые первичные сливаются в аналоговый вторичный сигнал, который должен быть с сохранением формы передан по линии передачи. Пропускную способность многоканальной аналоговой системы обычно измеряют количеством стандартных каналов ТЧ (телефонных разговоров). В цифровой системе все каналы и сигналы цифровые, ее пропускную способность оценивают суммарной скоростью передачи данных. В интегральной системе часть каналов аналоговая, однакоканалообразующаяаппаратупасамапреобразуетпервичныеаналоговыесигналывцифровые, которыесливаютсяспотокамиданных

Линии передачи.

283

из цифровых каналов и образуют единый вторичные цифровой сигнал, а на выходном конце после демультиплексирования происходит обратное преобразование цифровых сигналов в аналоговые.

Мы, естественно, не имеем возможности углубляться в принципыорганизациимногоканальнойсвязи, этимзанимаютсяспециально подготовленныеинженеры-связисты. Скажемлишь, чтовэтойобласти за последние сто лет достигнут большой прогресс. Если в конце XIX векапооднойпарепроводовудалосьпередаватьдовосьмителеграфныхсигналов, иэтосчиталосьбольшимдостижением, товконце XX века по радиорелейным, спутниковым и оптическим линиям ведутся одновременно десятки тысяч телефонных разговоров.

Главной и самой дорогой частью системы связи являетсялинияпередачи, покоторойсобственно и распространяется сигнал. Линия передачи со-

стоитизодногоилинесколькихотрезковпередающейсредыипромежуточного оборудования.

Повидупередающейсредылиниипередачиделятсянапроводные (воздушные и кабельные) и беспроводные (радиорелейные и спутниковые), между которыми на протяжении всех лет их существования ведется непрерывное соревнование.

Воздушные линии. Исторически первыми линиями электросвязи были воздушные линии, они представляли собой голые медныеилижелезныепровода, натянутыемеждустолбами. Перваялиния междугородной телеграфной связи длиной около 60 км была устроена в 1844 году между Балтимором и Вашингтоном, в качестве изоляторов в ней были использованы горлышки стеклянных бутылок. Послеизобретениятелефонаколичестволинийрезкоувеличилось, городаАмерикииЕвропыоказалисьопутаннымипаутиной проводов, цепочки столбов протянулись вдоль автомобильных и железных дорог.

Несмотря на относительную простоту устройства, воздушные линии оказались неудобными в эксплуатации, так как они сильно подверженыатмосфернымвоздействиямиэлектрическимпомехам, да и городской пейзаж столбы и провода не украшают К тому же воздушные линии невозможно протянуть через водные простран-

284

ства – широкие реки, моря, океаны. По этим причинам, начиная со второй половины XIX века, воздушные линии передачи стали повсеместно заменяться кабельными.

Кабельные медные линии. Кабель связи обычно состоит из нескольких пар изолированных медных проводников, скрученных вокруг продольной оси с определенным, точно рассчитанным шагом. Каждыйизпроводовявляетсясвоеобразнымэкраномдлядругого, поэтому в целом витая пара (twisted pair) обладает хорошими помехозащитными свойствами. Для защиты от внешних воздействийкабельзаключается взащитнуюоболочку, котораяможетсостоять из нескольких слоев резины, свинца и стальной ленты.

Созданная в середине XIX века, кабельная промышленность непрерывно наращивала объемы производства, в землю закапывались колоссальные богатства в виде сотен тысяч тонн меди и свинца. Телеграфные магистрали прокладывались по всем континетам; выдающимся достижением инженерной мысли было изготовление и прокладка первых океанских кабелей, о чем мы говорили выше. Вместе с тем попытка применения кабелей для организации междугородныхтелефонныхканаловнатолкнуласьнанеожиданноепрепятствие. В то время как предельная дальность разговора по воз- душнойлиниисоставляла500-600 км(самойдлинноймеждугородной телефонной линией в Европе была построенная в 1898 году линия Москва-Петербург), то по кабелю она была в 10 раз меньше. Дело в том, что из-за внутренней емкости кабеля затухание переменного тока звуковой частоты в нем намного больше затухания постоянноготока, накоторомведетсятелеграфирование.Такимобразом, без промежуточного усиления сигнала трансконтинентальная телефонная связь в принципе невозможна.

Возможность усиления звуковоых сигналов появилась только послеизобретениявначалеXX векаэлектронныхламп. Перваяподземнаякабельнаямагистральспромежуточнымусилениемдлиной 730 км была построена с США в 1913-1914 году, с тех пор междугородная телефония распространилась по континентам.

Междугородный магистральный кабель представляет собой очень сложную и дорогую конструкцию, сотоящую из многих то-