1. Краткая история развития электросвязи

2. Информация. Количество информации. Скорость передачи информации. Скорость телеграфирования

3. Сигналы. Виды сигналов и их параметры характеристики различных сигналов

4. Преобразование аналогового сигнала в цифровой

5. Линии передачи

6. Виды модуляции

7. Методы коммутации в сетях электросвязи

8. Телефонная связь

9. Документальная электросвязь

10. Единая автоматизированная сеть связи и взаимоувязанная сеть связи

11. Радиосвязь, радиовещание и телевидение

1. Краткая история развития электросвязи

На заре становления человеческого общества общение между людьми было весьма скудным. Воткнутая в землю ветка указывала, в каком направлении, и на какое расстояние ушли люди; особо положенные камни предупреждали о появлении врагов; зарубки на палках или деревьях сообщали об охотничьей добыче и пр. Существовала и примитивная
передача сигналов на расстояние. Сообщения, закодированные в виде определенного числа выкриков либо ударов барабана с изменяющимся ритмом, содержали ту или иную информацию.

В десятом томе “Всеобщей истории” древнегреческого историка Полибия (ок. 201–120 г. до н.э.) описан способ передачи сообщений на расстояние с помощью факелов (факельный телеграф), изобретенный александрийскими учеными Клеоксеном и Демоклитом.

В 1800 г. итальянский ученый А. Вольта создал первый химический источник тока. Это изобретение дало возможность немецкому ученому С. Земмерингу построить и представить в 1809 г. Мюнхенской академии наук проект электрохимического телеграфа. В октябре 1832 г. состоялась первая публичная демонстрация электромагнитного телеграфа русского ученого П.Л. Шиллинга. В том же году с помощью телеграфа Шиллинга была налажена связь между Зимним дворцом и Министерством путей сообщения.

Подлинную революцию в деле электросвязи по проводам произвели русский академик Б.С. Якоби и американский ученый С. Морзе, предложившие независимо друг от друга пишущий телеграф.

В 1841 г. Б.С. Якоби ввел в эксплуатацию линию, оборудованную пишущим телеграфом и соединявшую Зимний дворец с Главным штабом. Через два года аналогичная линия протяженностью 25 км была построена между Петербургом и Царским Селом. В 1850 г. Б.С. Якоби сконструировал первый буквопечатающий аппарат. В июне 1866 г. была осуществлена прокладка кабеля через Атлантический океан. Европа и Америка оказались связанными телеграфом.

Рождение телеграфа дало толчок к появлению телефона. Начиная уже с 1837 г. многие изобретатели пытались передать на расстояние человеческую речь с помощью электричества. В 1876 г. американский изобретатель А.Г. Белл запатентовал устройство для передачи речи по проводам – телефон. В 1878 г. русский ученый М. Махальский сконструировал
первый чувствительный микрофон с угольным порошком.

На первых порах для телефонной связи использовались телеграфные линии. Специальная двухпроводная телефонная линия была спроектирована в 1895 г. профессором П.Д. Войнаровским и построена в 1898 г. между Петербургом и Москвой.

В 1886 г. русский физик П.М. Голубицкий разработал новую схему телефонной связи. Согласно этой схеме микрофоны абонентских телефонных аппаратов получали питание от одной (центральной) батареи, расположенной на телефонной станции. Первые телефонные станции в России были построены в 1882–1883 гг. в Москве, Петербурге, Одессе.

Первая публичная демонстрация устройства А.С. Попова для приема электромагнитных волн состоялась 7 мая 1895 г. Этот день вошел в историю как день изобретения радио.

Сотрудники созданной в 1918 г. Нижнегородской лаборатории (ее возглавил М.А. Бонч-Бруевич) уже в 1922 г. построили в Москве первую в мире радиовещательную станцию мощностью 12 кВт.

В 1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией вступила в строй радиолиния на ультракоротких волнах, которая впоследствии была названа “радиорелейной линией”.

Отныне во все концы земного шара протянулись цепочки радиорелейных линий. Строительство первой радиорелейной линии в нашей стране было осуществлено в 1953 г. между Москвой и Рязанью.

“Бип...бип... бип”. Эти сигналы услышал 4 октября 1957 г. весь мир. Наступила эра освоения космоса. Совсем небольшой срок отделяет нас от этой даты, а на космические орбиты уже запущены тысячи искусственных спутников, исправно служащих человеку.

23 апреля 1965 г. в СССР был запущен искусственный спутник Земли “Молния-1”, на борту которого находилась приемопередающая ретрансляционная станция.

В 1960 г. в Америке был создан первый в мире лазер. Это стало возможным после появления работ советских ученых В.А. Фабриканта, Н.Г. Басова и A.M. Прохорова и американского ученого Ч. Таунса, получивших Нобелевскую премию.

“Обучать” лазеры передаче на расстояние информации стали вскоре после их изобретения. Первые лазерные линии связи появились в начале 60-х годов этого столетия. В нашей стране первая такая линия была построена в 1964 г. в Ленинграде.

Москвичам хорошо знакомы такие уголки столицы, как Ленинские горы и Зубовская площадь. В 1966 г. между ними засветилась красная нить лазерного света. Связывала она две городские АТС, находящиеся на расстоянии 5 км друг от друга.

В 1970 г. в американской фирме “Corning Glass Company” было получено сверхчистое стекло. Это дало возможность создать и внедрить повсеместно оптические кабели связи.

В 1947 г. появилось первое упоминание о разработанной фирмой “Белл” системе с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Система оказалась громоздкой и неработоспособной. И только в 1962 г. была внедрена в эксплуатацию первая коммерческая система передачи ИКМ-24.

Современные тенденции развития электросвязи

В последующие годы связь развивалась по пути цифровизации всех видов информации. Это стало генеральным направлением, обеспечивающим экономичные методы не только ее передачи, но и распределения, хранения и обработки.

Интенсивное развитие цифровых систем передачи объясняется существенными достоинствами этих систем по сравнению с аналоговыми системами передачи: высокой помехоустойчивостью; слабой зависимостью качества передачи от длины линии связи; стабильностью электрических параметров каналов связи; эффективностью использования пропускной способности при передаче дискретных сообщений и др.

В 2002 году развитие местной телефонной связи осуществлялось в основном на базе современных цифровых АТС, что позволило повысить качество и расширить спектр предоставляемых услуг. Коэффициент емкости цифровых станций от общей монтированной емкости местной телефонной сети в 2002г. составил порядка 40% против 36,2% в 2001 году. На 1.01.2003 г. на сетях России действовало порядка 195 тыс. единиц междугородних и местных таксофонов, в том числе 63 тыс. универсальных. Количество таксофонов
увеличилось на 13% и составило 127,5 тыс. штук. Прирост числа основных телефонных аппаратов местной телефонной сети составил 1.8 млн. единиц, в основном за счет телефонных аппаратов, установленных у населения. Общее количество абонентов сотовой подвижной связи России на конец 2002 года составило 17,7 млн., прирост абонентской базы по отношению к 2001 году – 2,3 раза. В 2002 году за год компьютерный парк России увеличился по сравнению с 2001-м на 20%. Количество постоянных интернет-пользователей
увеличилось на 39% и достигло 6 млн. человек. Объём отечественного ИТ-рынка вырос на 9% и составил более 4 млд. долларов. В 2002 году введено в эксплуатацию более 50 тыс. км кабельных и радиорелейных линий связи, 3 млн. номеров автоматических телефонных станций, более 13 млн. номеров подвижной телефонной связи, а также свыше 70 тыс. междугородних и международных каналов.

Особенно быстрыми темпами в мире и у нас в стране идет развитие сети мобильной радиосвязи. По числу абонентов системы мобильной связи уже можно судить об уровне и качестве жизни в данной стране. В этом смысле темпы роста абонентов мобильной связи в России (почти 200 % в год) являются показателем роста благосостояния общества.

Исходя из макроэкономических показателей развития Российской Федерации, определенных в Основных направлениях социально-экономической политики Правительства Российской Федерации на долгосрочную перспективу, рынок телекоммуникационных услуг к 2010 году будет характеризоваться следующим образом (табл. 1).

Таблица 1. Показатели развития телекоммуникаций России на период до 2010 года

Показатели

2000
год

2005
год

2010
год

Количество
телефонов, млн.

31,2

36,9

47,7

Телефонная
плотность на 100 жителей, %

21,3

25,3

32,7

Количество
мобильных телефонов, млн.

2,9

9,24

22,2

Плотность
сотовых телефонов на 100 жителей, %

2,0

6,3

15,2

Количество
пользователей Интернет, млн.

2,5

6,0

26,1

Плотность
пользователей Интернет на 100 жителей, %

1,7

4,1

17,9

Человечество движется по пути создания Глобального информационного общества. Его основой станет Глобальная информационная инфраструктура, составляющей которой будут мощные транспортные сети связи и распределенные сети доступа, предоставляющие информацию пользователям. Глобализация связи и ее персонализация (доведение услуг связи до
каждого пользователя) – вот две взаимосвязанные проблемы, успешно решаемые на данном этапе развития человечества специалистами электросвязи.

Дальнейшая эволюция телекоммуникационных технологий будет идти в направлениях увеличения скорости передачи информации, интеллектуализации сетей и обеспечения мобильности пользователей.

Высокие скорости. Необходимы для передачи изображений, в том числе телевизионных, интеграции различных видов информации в мультимедийных приложениях, организации связи локальных, городских и территориальных сетей.

Интеллектуальность. Позволит увеличить гибкость и надежность сети, сделает более легким управление глобальными сетями. Благодаря интеллектуализации сетей пользователь перестает быть пассивным потребителем услуг, превращаясь в активного клиента – клиента, который сможет сам активно управлять сетью, заказывая необходимые ему услуги.

Мобильность. Успехи в области миниатюризации электронных устройств, снижение их стоимости создают предпосылки к глобальному распространению мобильных оконечных устройств. Это делает реальной задачу предоставления услуг связи каждому в любое время и в любом месте.

В заключение отметим, что объем информации, передаваемой через информационно-телекоммуникационную инфраструктуру мира, удваивается каждые 2-3 года. Появляются и успешно развиваются новые отрасли информационной индустрии, существенно возрастает информационная составляющая экономической активности субъектов рынка и влияние информационных технологий на научно-технический, интеллектуальный потенциал и здоровье наций. Начало XXI века рассматривается как эра информационного общества, требующего для своего эффективного развития создания глобальной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры, темпы развития которой должны быть опережающими по отношению к темпам развития экономики в целом. При этом создание российской информационно-телекоммуникационной инфраструктуры следует рассматривать как важнейший фактор подъема национальной экономики, роста деловой и интеллектуальной активности общества, укрепления авторитета страны в международном сообществе.

2. Информация. Количество информации. Скорость передачи информации. Скорость телеграфирования

Под термином “информация” понимают различные сведения, которые поступают к получателю. В литературе встречается наиболее часто следующее определение информации: информация – это сведения, являющиеся объектом передачи, распределения, преобразования, хранения или непосредственного использования. Это могут быть сведения о результатах измерения, наблюдения за каким-либо объектом и т.п. В дальнейшем нас будут интересовать лишь вопросы, связанные с информацией как объектом передачи.

Сообщение является формой представления информации. Одно и то же сведение может быть представлено в различной форме. Например, сведение о часе приезда вашего приятеля может быть передано по телефону или же в виде телеграммы. В первом случае мы имеем дело с информацией, представленной в непрерывном виде (непрерывное сообщение). Во втором случае – с информацией, представленной в дискретном виде (дискретное сообщение). При передаче сведений по телеграфу информация заложена в буквах, из которых составлены слова, и цифрах. Очевидно, что на конечном отрезке времени число букв или цифр конечное. Это и является отличительной особенностью дискретного или счетного сообщения. В то же время число различных возможных значений звукового давления, измеренное при разговоре, даже на конечном отрезке времени будет бесконечным. В современных цифровых системах телефонной связи в канал связи передаются кодовые комбинации, несущие информацию об отсчетах квантованного аналогового сигнала. Следовательно, такой телефонный квантованный сигнал относится к классу дискретных, и поэтому будем в дальнейшем рассматривать только вопросы передачи дискретных сообщений. В случае телефонной связи под сообщением будем понимать некоторую последовательность отсчетов квантованного аналогового сигнала, передаваемую в канале связи в виде последовательности кодовых комбинаций.

К числу основных информационных характеристик сообщений относятся количество информации в отдельных сообщениях, энтропия и производительность источника сообщений.

Количество информации в сообщении (символе) определяется в битах – единицах измерения количества информации. Чем меньше вероятность появления того или иного сообщения, тем большее количество информации мы извлекаем при его получении. Если в памяти источника имеется два независимых сообщения (а1 и а2) и первое из них выдается с вероятностью =1, то сообщение а1 не несет информации, ибо оно заранее известно получателю.

Было предложено определять количество информации, которое приходится на одно сообщение ai, выражением

.

Среднее
количество информации Н(А), которое приходится на одно сообщение, поступающее от источника без памяти, получим, применив операцию усреднения по всему объему алфавита:

. (2.1)

Выражение (2.1) известно как формула Шеннона для энтропии источника дискретных сообщений. Энтропия – мера неопределенности в поведении источника дискретных сообщений. Энтропия равна нулю, если с вероятностью единица источником выдается всегда одно и то же сообщение (в этом случае неопределенность в поведении источника сообщений отсутствует). Энтропия максимальна, если символы источника появляются независимо и с одинаковой вероятностью.

Определим энтропию источника сообщений, если К = 2 и .
Тогда

Отсюда 1 бит – это количество информации, которое переносит один символ источника дискретных сообщений в том случае, когда алфавит источника состоит из двух равновероятных символов.

Если в предыдущем примере взять , то Н(А) < 1 бит/сообщ. Таким образом, один бит – максимальное среднее количество информации, которое переносит один символ источника дискретных сообщений в том случае, когда алфавит источника включает два независимых символа.

Среднее количество информации, выдаваемое источником в единицу времени, называют производительностью источника

(бит/с). (2.2)

где Т – среднее время, отводимое на передачу одного символа (сообщения).

Для определения количества единичных элементов, передаваемых в одну секунду ввели понятие скорость модуляции (телеграфирования):

В=1/t
(Бод)

Для каналов передачи дискретных сообщений вводят аналогичную характеристику – скорость передачи информации по каналу R (бит/с). Она определяется количеством бит, передаваемых в секунду. Максимально возможное значение скорости передачи информации по каналу называется пропускной способностью канала:

где
2D F – полоса пропускания канала,

Рс – мощность сигнала,

Рп – мощность помехи.

Сообщение, поступающее от источника, преобразуется в сигнал, который является его переносчиком в системах электросвязи.

Рис. 2.2. Принцип передачи сообщений

Рис. 2.2. Принцип передачи
сообщений

Система электросвязи обеспечивает доставку сигнала из одной точки пространства в другую с заданными качественными показателями. Схема передачи сообщений, в состав которой входят преобразователи сообщение–сигнал–сообщение, приведена на рис. 2.2.

Контрольные вопросы

  1. Дайте определения понятиям “информация”, “сообщение”.
  2. Как измеряется количество информации?
  3. Определить энтропию источника вырабатывающего независимые символы а1 и а2, если р(а1) = 0,3. Сравнить полученное значение с вариантом, когда р(а1) = р(а2) = 0,5.

Список литературы

  1. Кох Р., Яновский Г. Эволюция и конвергенция в электросвязи. – М.: Радио и связь, 2001. – 280 с.
  2. Концепция развития рынка телекоммуникационных услуг Российской Федерации. “СвязьИнформ”, 2001, № 10. с. 9-32.

3. Сигналы. Виды сигналов и их параметры

Характеристики различных сигналов

Все сигналы могут быть подразделены на периодические и непериодические.

Периодическим называется сигнал, значения которого повторяются через определенные равные промежутки времени, называемые периодом повторения сигнала, или просто периодом. Для непериодического сигнала это условие не выполняется.

Простейшим периодическим сигналом является гармоническое колебание.

,

где S, w – амплитуда и угловая частота колебания.

Другим примером периодического сигнала является последовательность прямоугольных импульсов (рис. 3.2, а). Как вы думаете, из чего состоит эта последовательность импульсов? Оказывается, из синусоид. Взгляните на рис. 3.2. В качестве исходной синусоиды выберем такую, у которой период колебаний совпадает с периодом T прямоугольных импульсов (рис. 3.2, б)

, (3.1)

где – амплитуда синусоиды, а .

Колебание (3.2.) заданной частоты и амплитуды можно представить в виде графика: на оси частот отметить значение и изобразить вертикальную линию высотой, равной амплитуде сигнала (см. рис. 3.2, б).

Следующая синусоида имеет частоту колебаний в 3 раза большую, а амплитуду – в 3 раза меньшую.

Сумма этих двух синусоид пока еще мало похожа на прямоугольные импульсы (рис. 3.2, в). Но если мы добавим к ним синусоиды с частотами колебаний в 5, 7, 9, 11, и т.д. раз большими, а с амплитудами в 5, 7, 9, 11, и т.д. раз меньшими, то сумма всех этих колебаний:

Рис. 3.2. Периодическая последовательность прямоугольных

Рис. 3.2. Периодическая последовательность
прямоугольных
импульсов (а) и формирование ее сигнала (б–д)

где , будет не так уже сильно отличатся от прямоугольных импульсов (рис. 3.2, г и д). Таким образом, степень “прямоугольности” импульсов определяется тем, сколько синусоид со все более высокими частотами колебаний мы будем суммировать.

Может показаться, что представление прямоугольных импульсов в виде совокупности синусоид есть не более чем математический прием и не имеет никакого отношения к реальности. Однако это не так. Радиоинженерам хорошо знакомы приборы (они называются анализаторами спектров), которые позволяют выделить каждую входящую в сложный сигнал синусоиду.

Тот факт, что сигнал произвольной формы (а не только прямоугольные импульсы) можно “разложить” на сумму обыкновенных синусоид, впервые доказал в 20-х годах прошлого века французский математик Ж. Фурье. Такой набор синусоид получил название спектра сигнала. Каждый сигнал (отличающийся от других по форме) имеет свой сугубо индивидуальный спектр, т.е. может быть получен только из синусоид со строго определенными частотами и амплитудами.

Непериодический сигнал легко получить из периодического, увеличивая период вплоть до (рис. 3.3, аг). Спектр амплитуд для сигналов с разными периодами показаны на рис. 3.4, ав.

Рис. 3.3. Увеличение периода последовательности

Рис. 3.3. Увеличение периода
последовательности
прямоугольных импульсов

При увеличении периода сигнала частота первой гармоники понижается. Спектральные линии становятся гуще. Амплитуды гармоник уменьшаются. Последнее становится понятным, если учесть, что энергия сигнала, оставаясь неизменной, перераспределяется теперь между возросшим числом гармоник. Естественно, доля каждой гармоники в общем сигнале падает.

Следовательно, при переходе к непериодическому сигналу (например, к одиночному импульсу) мы получаем в спектре такого сигнала вместо отдельных гармоник бесконечно большое число синусоидальных колебаний с бесконечно близкими частотами, заполняющими всю шкалу частот. Причем амплитуда каждого такого колебания становится исчезающе малой, потому что на его долю приходится бесконечно малая часть энергии сигнала. Другими словами, в любой бесконечно узкой полосе частот мы всегда обнаружим синусоидальное колебание, правда, бесконечно малой амплитуды.

Рис. 3.4. Спектры амплитуд периодических последовательностей импульсов с разными периодами а–в см. в тексте

Рис. 3.4. Спектры амплитуд периодических последовательностей импульсов с разными периодами а–в см. в тексте

Поскольку сравнивать между собой бесконечно малые величины неудобно, то вместо амплитуд по оси ординат откладывают произведение , которое с увеличением периода Т остается постоянным. В новых координатах спектры, показанные на рис. 3.4, ав, будут выглядеть так, как показано на рис. 3.5, аг. Понятие спектра амплитуд здесь лишено смысла и заменяется понятием спектральной плотности амплитуд, которая указывает, по сути, на удельный вес бесконечно малой амплитуды синусоидального колебания в любой бесконечно узкой полосе частот. Понятие спектра фаз заменяется понятием спектральной плотности фаз. Таким образом, спектр непериодического сигнала является в общем случае не дискретным, а непрерывным.

Рис. 3.5. Переход к спектральной плотности (г) одиночного прямоугольного импульса а–в см. в тексте

Рис. 3.5. Переход к спектральной плотности (г) одиночного прямоугольного импульса а–в см. в тексте

Уровни сигналов

Для сравнения мощностей сигналов, передаваемых по системе электросвязи, часто пользуются логарифмическими единицами – децибелами. Децибел (русское обознач. ДБ, международное – dB), как показывает приставка “деци”, составляет десятую часть другой, более крупной единицы, названной белом в честь А.Г. Белла – изобретателя телефона. Бел – это десятичный логарифм отношения двух мощностей. Если известны две мощности: Р1 и Р2, то их отношение, выраженное в белах, определяется формулой p=lg(P2/P1).

Для практики бел – слишком крупная величина. Обычно отношение мощностей выражают в децибелах, для чего при расчетах пользуются формулой p=10lg(p2/p1).

Динамический диапазон и пик-фактор сигналов. Мгновенная мощность сигналов связи может принимать различные значения в самых широких пределах. Чтобы охарактеризовать
эти пределы, вводят понятия динамического диапазона и пик-фактора сигналов.

Динамический диапазон сигнала, дБ, определяется выражением:

Dc=10lg(Pmax/Pmin),

где Pmax, Pmin – максимальное и минимальное значения мгновенной мощности.

Пик-фактором сигнала называют отношение его максимальной мощности к средней, выраженное в логарифмических единицах:

Q=10lg(Pmax/Pср).

Пример. Пусть имеется периодический прямоугольный сигнал

Он может быть разложен на составляющие с частотами f1=1/T, f3=3/T, f5=5/T и т.д. Число составляющих бесконечно, но чем выше частота, тем меньше амплитуда. Следовательно, теоретически полоса частот, которую занимает данный сигнал, стремится к Ґ .

Для передачи такого сигнала требуется канал, имеющий бесконечную полосу пропускания. Во-первых, таких каналов нет, во-вторых, чем шире полоса пропускания канала, тем он дороже. Но т.к. чем выше частота составляющей, тем ниже амплитуда, то составляющими с частотой і fn можно пренебречь.

Возьмём только составляющие f1, f3, f5. Полоса частот, которую занимают эти составляющие, f5 – f1=D fc.

Пусть f1=1000 Гц, f3=3000 Гц, f5=5000 Гц.

Занимаемая этими составляющими, полоса частот:

5000-1000 = 4000 Гц.

Уменьшим длительность единичного элемента в 3 раза, тогда f1=3000 Гц, f3=9000 Гц, f5=15000 Гц и занимаемая полоса 12000 Гц.

Вывод. Чем меньше длительность единичного элемента (t 0), тем шире полоса частот, занимаемая сигналом!

Отсюда следствие: чем больше скорость телеграфирования В, тем шире полоса частот, занимаемая сигналом, и тем шире требуется канал и, следовательно, тем дороже доставка информации.

Сигналы электросвязи и их спектры. Рассмотрим наиболее часто встречающиеся сигналы электросвязи и обсудим их спектры.

Телефонные (речевые) сигналы. Человек набрал в легкие воздух и издал звук. Что же произошло? Воздух, выходя из легких, заставляет вибрировать голосовые связки. От них колебания воздуха передаются через гортань голосовому аппарату, заканчивающемуся ротовой и носовой полостями (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Кривая звукового давления при произнесении звука «а» мужским голосом

Рис. 3.6. Кривая звукового давления при произнесении звука «а» мужским голосом

Последние выполняют роль резонаторов  – они усиливают колебания воздуха, подобно тому, как полый корпус гитары или скрипки, также являясь резонатором, усиливает звуки струн. Колебания воздуха из голосового аппарата человека передаются окружающему воздуху. Возникает звуковая волна. Характер издаваемого звука определяется натяжением голосовых связок, формой ротовой полости, положением языка, губ и т.д.Из описания голосового аппарата человека нетрудно понять, что голосовые связки играют роль своеобразных струн, они создают основной тон и обильное количество обертонов. Частота основного тона речи лежит в пределах от 50...80 Гц (очень низкий голос – бас) до 200...250 Гц (женский и детский голоса). При разговоре частота основного тона меняется в значительных пределах, особенно при переходе от гласных звуков к согласным и наоборот.

В совместном звучании основной тон и обертоны создают соответствующую окраску звука или тембр. Один тембр отличается от другого числом и силой обертонов. При преобладании в человеческом голосе высоких обертонов над низкими мы слышим в нем “звучание металла”. Люди, у которых в голосе преобладают низкие обертоны, говорят мягким, бархатным голосом.

Для получения формы кривой звукового давления, создаваемого речью человека, нужно сложить синусоидальные кривые основного тона и обертонов. Из-за наличия большого числа обертонов форма результирующей кривой будет сложной. На рис. 3.6 показано, какое давление создает звук “а”, произнесенный мужским голосом с частотой основного тона 200 Гц (период основного тона 5 мс). Для передачи звука на расстояние он в телефонном аппарате превращается в сигнал. Для этой цели служит микрофон.

Рис. 3.7. Превращение звука в электрический сигнал с помощью микрофона

Рис. 3.7. Превращение звука в электрический сигнал с помощью микрофона

Телефон был изобретен А.Г. Беллом, учителем в школе глухонемых в американском городе Бостоне в 1876 г. С тех пор в его конструкцию было внесено много усовершенствований. В частности, в современном телефоне используется чувствительный угольный микрофон (рис. 3.7). В нем мембрана соприкасается с угольным порошком. Пока в микрофон не говорят, сопротивление порошка остается неизменным и через него от батареи в линию (провода) протекает постоянный ток. Стоит произнести в микрофон какое-нибудь слово, порошок под действием колеблющейся мембраны будет то спрессовываться, то разрыхляться. Изменение плотности порошка приводит к изменению его электрического сопротивления, а значит,
и к изменению тока, текущего через порошок. В проводах, идущих от микрофона, рождается электрический ток, повторяющий форму звукового давления.

Изучение речи показывает, что речь  – это процесс, частотный спектр которого находится в пределах от 50...100 до 8000...10000 Гц. Установлено однако, что качество речи остается вполне удовлетворительным, если ограничить спектр снизу и сверху частотами 300 и 3400 Гц. Эти частоты приняты Международным союзом электросвязи (МСЭ) в качестве границ эффективного спектра речи. При указанной полосе частот сохраняется хорошая разборчивость речи и удовлетворительная натуральность ее звучания.

Рис. 3.8. Спектр человеческой речи

Рис. 3.8. Спектр человеческой речи

На рис. 3.8 показан спектр речи. Как видно из рисунка, некоторые частотные составляющие речи усилены, а другие ослаблены. Усиленные области спектра частот называются формантами. Звуки речи различных людей отличаются числом формант и их расположением в частотном спектре. Отдельные звуки могут иметь до шести формант, из которых только одна или две являются определяющими. Они обязательно находятся в диапазоне частот 300...3400 Гц. Между формантами лежат менее мощные составляющие звуковых частот. Однако именно они придают голосу каждого человека индивидуальность, позволяющую узнавать говорящего.

Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные инструменты или голос человека. Формирование сигналов звукового вещания и их прием осуществляется так же, как и телефонных сигналов. Используются лишь другие типы микрофонов.

Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20...20000 Гц. Однако в зависимости от требований к качеству воспроизведения ширина спектра сигнала вещания может быть ограничена. Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) полоса частот должна составлять 50...10000 Гц, для безукоризненного воспроизведения программ вещания (каналы высшего класса) – 30...15000 Гц.

Факсимильные сигналы. Обратите внимание на то, как вы читаете книгу. Ваши глаза скользят по строке слева направо, затем вы переходите к началу другой строки и т.д. до конца страницы. Словом вы “просматриваете” все элементы строки последовательно. Можно сказать, что при чтении книги происходит построчная развертка текстового изображения.

Именно по такому принципу “просматривается” изображение в современных факсимильных аппаратах, предназначенных для передачи на расстоянии различного рода неподвижных изображений (документов, чертежей, рисунков, фотографий). Для этого с помощью источника света и системы оптических линз формируют световое пятно так, чтобы освещать на передаваемом изображении площадку размером, скажем, 0,2ґ 0,2 мм. Это световое пятно перемещается сначала вдоль одной строки, затем переходит на другую и движется по ней – и так до конца последней строки. Свет, отражаясь от каждой элементарной площадки, попадает на фотоэлемент и вызывает в его цепи ток (рис. 3.9). Значение этого тока зависит от яркости отраженного света, а последняя – от яркости освещенной площадки. Таким образом, при переходе светового пятна на изображении от одной элементарной площадки к другой ток в цепи фотоэлемента меняется пропорционально яркости площадок: мы получаем точную электрическую копию изображения.

Рис. 3.9. Преобразование изображения в электрический сигнал в факсимильном аппарате

Рис. 3.9. Преобразование изображения в электрический сигнал в факсимильном аппарате

Рассмотрим изображение, состоящее только из двух цветов: черного и белого, например, страницу книги, какой-либо чертеж и т.п. Очевидно, каждый элемент изображения (напомним, что размером он всего 0,2ґ 0,2 мм) будет представлять собой либо черную, либо белую площадку, напоминая чередованием шахматную доску. Черные площадки практически полностью поглощают падающий на них свет. Яркость отраженного ими света при этом настолько ничтожна, что при просмотре черных площадок ток в цепи фотоэлемента не возникает. Наоборот, площадки белого цвета почти полностью отражают падающий на них свет, и при попадании на них светового луча ток в цепи фотоэлемента скачком принимает максимальное значение. Таким образом, перемещая световое пятно, а вслед за ним и фотоэлемент вдоль каждой строки изображения, получаем на выходе фотоэлемента последовательность импульсов (рис. 3.9).

При таком “шахматном” чередовании элементов изображения спектр факсимильного сигнала будет шире, чем для любого другого изображения, поскольку круче фронтов импульсов, чем у прямоугольных, не бывает.

Ширина спектра факсимильного сигнала зависит от скорости развертки изображения и размеров светового пятна.

На стандартном листе бумаги формата А4 в строке помещается примерно 1000 черно-белых элементов изображения при ширине пятна 0,2 мм. Если в факсимильном аппарате скорость развертки составляет 60 строк/мин, т.е. каждая строка считывается за 1 с, то за эту секунду 500 раз будет осуществлен переход с черного на белое, или наоборот. Это означает, что максимальная частота чередования импульсов равна 500 Гц. При ширине светового пятна 0,1 мм в строке будет в 2 раза больше элементов изображения, и максимальная частота чередования импульсов повысится до 1000 Гц. Так как для сохранения хорошей степени “прямоугольности” импульсов нужно передавать кроме основной гармоники еще и несколько высших, то ширина спектра факсимильного сигнала может простираться до 1,5...3,0 кГц.

При увеличении скорости развертки изображения черные и белые площадки будут считываться чаще и, следовательно, спектр факсимильного сигнала будет шире. При передаче изображений с полутонами получается сигнал сложной формы, спектр которого является непрерывным и соединяет все частоты от нуля до максимальной.

Факсимильная связь широко используется для передачи газетных полос (т.е. их изображений) в пункты централизованного печатания. Для передачи газет используют специальные высокоскоростные факсимильные аппараты с шириной светового пятна 0,05 мм. Повышенная скорость развертки позволяет передавать одну газетную полосу за 2–3 минуты. Это приводит к расширению спектра факсимильного сигнала до 180 кГц.

Телевизионные сигналы. Любое подвижное изображение – это, как правило, смена через каждые 40 мс одного неподвижного изображения другим (25 кадров в 1 с). За время между сменой кадров нужно успеть просмотреть все неподвижное изображение, которое содержит полмиллиона элементарных площадок или элементов изображения (625 строк по 833 элемента в строке). Значит, каждый элемент изображения придется рассматривать в течение одной полумиллионной доли от отведенных на весь кадр 40 мс. Это непостижимо короткий отрезок времени – всего две десятимиллиардных доли секунды! Ясно, что ни одно механическое устройство не способно перемещать световое пятно и фотоэлемент по строкам изображения с такой скоростью.

Вы никогда не задумывались над тем, что вы видите на экране телевизора, когда усаживаетесь перед ним в свободный вечер? Изображение? Нет, в действительности на экране никакого изображения нет, абсолютно никакого! Если бы мы сумели открыть глаза на какую-то ничтожную долю секунды (а речь идет о миллионных и даже миллиардных долях), то увидели бы на экране всего одну светящуюся точку. Это она бежит с невероятной скоростью по экрану, оставляя в нашем глазу след (мы видим то, чего уже нет, еще в течение 0,1 с), изменяющийся по яркости.

Что же заставляет светящуюся точку перемещаться с такой головокружительной быстротой? Электронный луч. Это он способен почти мгновенно отклоняться под действием изменяющегося магнитного поля и развертывать “картинки”. Это его можно очень точно сфокусировать с помощью специальных электрических “линз”. Первые опыты с электронным лучом начались в самом начале XX в. Еще в 1907 г. профессор Петербургского технологического института Б.Л. Розинг сконструировал первую электронно-лучевую трубку и получил на ней изображение, правда, невысокого качества. Изобретение в начале 30-х годов этого столетия первых качественных передающих трубок связано с именами советских ученых, пионеров отечественного телевидения С.И. Катаева и П.И. Шмакова.

Как бы не отличались конструкции передающих телевизионных трубок разных лет, все они в чем-то имитируют глаз. Роль хрусталика выполняет объектив, роль зрачка – диафрагма. Имеется в трубке и своя “сетчатка” – пластинка, напоминающая пчелиные соты, в ячейках которых располагаются микроскопические фотоэлементы. Конечно, их намного меньше, чем фоторецепторов в глазу: всего около 0,5 млн. Изображение, которое нужно превратить в серию электрических импульсов, проектируется с помощью объектива на эту искусственную “сетчатку”. Каждый микроскопический фотоэлемент (представляющий собой капельку светочувствительного серебряно-цезиевого сплава) получает свою порцию света и, если его подключить к внешней цепи, создаст ток, пропорциональный освещенности. Что касается электронного луча, то он как раз и подключает поочередно каждый из 500000 фотоэлементов к внешней цепи трубки, причем отводится ему на это всего 40 мс, пока не сменится кадр. Таким образом, на одном элементе изображения луч “задерживается” не более 80 миллиардных долей секунды (т.е. 80 нс). Величина тока во внешней цепи трубки отражает в каждый момент времени яркость соответствующего элемента изображения, спроектированного объективом на “сетчатку” передающей трубки, и является точной электронной копией передаваемого изображения.

Подсчитаем ширину спектра телевизионного сигнала. Пусть и на этот раз чередуются черные и белые площадки (элементы). Всего таких элементов будет 625 строк ґ 833 элемента = 520 625. В секунду меняется 25 кадров, т.е. 25 ґ 520 625 = 133 015 625 элементов. Значит переход с черного на белое, или наоборот, происходит примерно 6500000 раз в 1 с. Максимальная частота повторения импульсов равна 6,5 мГц, что и принято за верхнюю границу ширины спектра телевизионного сигнала. Нижней границей считают 50 Гц (нижняя граница сигнала звукового сопровождения).

Во время смены строк и кадров развертывающий луч приемной трубки должен быть погашен. Кроме того, необходимо синхронизировать лучи приемной и передающей трубок. Таким образом, кроме сигнала изображения необходимо передавать вспомогательные управляющие импульсы (гасящие и синхронизирующие). Электрический сигнал, включающий в себя сигнал изображения и управляющие импульсы, называется полным телевизионным сигналом.

В системах цветного телевидения передаваемое изображение расчленяется с помощью светофильтров на три одноцветных изображения – красное, зеленое и синее. Красные, зеленые и синие лучи попадают каждый на свою телевизионную трубку. В приемном устройстве путем сложения трех одноцветных изображений воспроизводится передаваемое цветное изображение.

Таким образом, спектр телевизионного сигнала простирается от 50 Гц до 6,5 мГц.

Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Все рассматриваемые до сих пор сообщения и сигналы являются непрерывными. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным.

Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных в электрический сигнал представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определенной комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования (например, телеграфного аппарата), пауза – отсутствию тока.

В телеграфии таблица, которая ставит в соответствие буквам, цифрам и другим знакам комбинации импульсов и пауз, называется телеграфным кодом. Если обозначить импульс через 1, а паузу через 0 и воспользоваться международным телеграфным кодом МТК-2, то можно, например, знак А записать в виде 11000, знак В – в виде 10011 и т.д.

Для передачи данных используют более сложные коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в принятой комбинации импульсов, возникающие от действия помех.

Устройства преобразования сигналов телеграфии и передачи данных в сообщения по принятым комбинациям импульсов и пауз восстанавливают в соответствии с таблицей кода знаки сообщения (буквы, цифры и др.) и выдают их на печатающее устройство либо на экран дисплея.

Рис. 3.10. Представление потока импульсов (а) в виде регулярной (б) и случайной (в) составляющих

Рис. 3.10. Представление потока импульсов (а) в виде регулярной (б) и случайной (в) составляющих

Заметим, что чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования: , где – длительность импульса, с.

В честь французского инженера Ж. Бодо единицу скорости телеграфирования назвали бодом. При длительности импульса = 1 с скорость В = 1 Бод. В телеграфии используются импульсы длительностью 0,02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 Бод. Применяются и другие скорости телеграфирования (например, 75 Бод). Скорости передачи данных существенно выше. Существует аппаратура передачи данных со скоростями 200, 600, 1200 Бод и более.

Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид последовательностей прямоугольных импульсов.

Посмотрите внимательно на рис. 3.10. Можно представить (разумеется, чисто условно) поток импульсов в виде суммы двух последовательностей: регулярной и случайной. Спектр регулярной последовательности дискретный и создает нечетные гармоники тактовой частоты (т.е. частоты следования), а случайная последовательность имеет непрерывный заштрихованный спектр. Эти спектры показаны на рис. 3.11.

Рис. 3.11. Спектры случайной (а) и регулярной (б) составляющей потока импульсов

Рис. 3.11. Спектры случайной (а) и регулярной (б) составляющей потока импульсов

При передаче двоичных сигналов (т.е. 0 и 1) нет необходимости восстанавливать в приемнике импульсы без искажений, т.е. сохранять их форму; для восстановления информации достаточно зафиксировать только знак импульса при двуполярном сигнале либо наличие или отсутствие при однополярном сигнале. Расчеты показывают, что импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости передачи в бодах. Так, для стандартной скорости телеграфирования 50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 Бод (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 2400 Гц.

Для удобства спектры основных сигналов электросвязи сведены в табл. 3.1. Даже беглый взгляд на табл. 3.1 позволяет понять, что для передачи разных видов сигналов требуется различная ширина полосы пропускания системы электросвязи.

Таблица 3.1. Ширина спектров сигналов электросвязи

 

Вид сигнала

Ширина спектра, Гц

Телеграфный

0...100

Передачи данных со скоростью 2 400 Бод

0...2 400

Телефонный

300...3 400

Звукового вещания

50...10 000

Факсимильный – при скорости 120 мин-1 – при передаче газет

0...1 465 0...180 000

Телевизионный

50...6 000 000

 

Контрольные вопросы

  1. На какие простейшие составляющие “раскладывается” периодически повторяющийся прямоугольный импульс?
  2. Чем отличается спектр периодического сигнала от спектра непериодического сигнала?
  3. У какого импульса амплитуда спектральных составляющих убывает быстрее: а) более короткого или более длинного? б) с более крутым фронтом или с более пологим? в) повторяющегося чаще или реже?
  4. Какие частотные диапазоны занимают спектры основных сигналов электросвязи

Список литературы

  1. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей: Учебник для вузов; Под ред. В.П.Бакалова. – М.: Радио и связь, 2000. – 592 с.
  2. Бакалов В.П., Воробиенко П.П., Крук Б.И. Теория электрических цепей. Учебник для вузов: под ред. В.П. Бакалова – М.: Радио и связь. 1998. – 444 с.
  3. Бакалов В.П., Журавлева О.Б., Крук Б.И. Анализ линейных электрических цепей: Учебное пособие для дистанционного обучения. – Новосибирск: СибГУТИ. 2001г.

4. Преобразование аналогового сигнала в цифровой

Цифровые сигналы

Во всем мире сейчас активно развивается цифровая телефония. Качество цифровой телефонной связи значительно выше, чем обычной, поскольку цифровые сигналы меньше боятся всякого рода помех. Цифровой телефон позволяет предоставить нам массу дополнительных услуг. Появляется возможность к одной и той же телефонной линии подключить, казалось бы, внешне совершенно различные устройства – телефонный аппарат и персональный компьютер. Через цифровую телефонную сеть владельцам персональных компьютеров открывается доступ к банкам данных с широким ассортиментом информации.

В наши дома приходит цифровое кабельное телевидение, дающее необыкновенную четкость изображения и сочность красок; на прилавках магазинов мы можем увидеть аппаратуру цифровой звуко- и видеозаписи, обеспечивающую уникальное качество звука и изображения. Что же такое цифровой сигнал? Впервые мы столкнулись с ним, когда обсуждали факсимильный сигнал, полученный с черно-белого изображения, не содержащего полутонов.

Цифровыми сигналами являются телеграфные сигналы и сигналы передачи данных, вырабатываемые компьютерами. Таким образом, можно сказать, что цифровой сигнал – это последовательность импульсов. Если принять условно факт наличия импульса за 1, а факт его отсутствия за 0, то импульсную последовательность

можно представить как чередование двух цифр: 0 и 1. Отсюда и появилось название «цифровой сигнал». Число, которое принимает только два значения: 0 и 1, называется «двоичной цифрой». В переводе на английский это звучит как «binary digit». В практику широко вошло сокращение, составленное из начальных и конечных букв английского словосочетания, т.е. слово «bit», что на английском читается как бит. Итак, одна позиция в цифровом сигнале есть 1 бит; это может быть либо 0, либо 1. Восемь позиций в цифровом сигнале объединяется понятием байт. При передаче цифровых сигналов естественным образом вводится понятие скорости передачи – это количество бит, передаваемых в единицу времени, чаще всего, в секунду.

Дискретизация аналоговых сигналов

По своей природе многие сигналы (телефонные, факсимильные, телевизионные) не являются цифровыми. Это аналоговые, или непрерывные, сигналы. Можно ли «переложить» живую человеческую речь на язык нулей и единиц, сохранив при этом все богатое разнообразие красок человеческого голоса, всю гамму человеческих эмоций? Другими словами, речь идет о том, как заменить непрерывный процесс последовательностью цифр, не потеряв при этом информации о непрерывном процессе.

С подобной проблемой мы сталкиваемся в жизни довольно часто. Если через очень короткие промежутки времени (скажем, через 1с) наносить значения температуры воздуха на график, то получим множество точек, отражающих изменение температуры (рис. 4.1). Таким образом, имеем дело не с непрерывной кривой изменения температуры, а лишь с ее значениями, отсчитанными через определенные промежутки времени. По сути говоря, мы описали некоторый непрерывный процесс последовательностью десятичных цифр. Подобный процесс называется дискретизацией непрерывного сигнала. Невыясненным остался вопрос, как часто следует брать отсчетные значения непрерывной кривой, чтобы отследить все ее изменения. Так, при более длительных промежутках времени между наблюдениями за температурой воздуха не удается отследить все ее быстрые изменения.

Аналогичный подход лежит в процессе дискретизации телефонного сигнала. Если в цепь микрофона (рис. 4.2), где ток является непрерывной функцией времени, встроить электронный ключ и периодически на короткие мгновения замыкать его, то ток в цепи будет иметь вид узких импульсов с амплитудами, повторяющими форму непрерывного сигнала, и представлять собой ничто иное, как дискретный сигнал (см. рис. 4.2). Интервал времени через который отсчитываются значения непрерывного сигнала, называется интервалом дискретизации. Обратная величина (обозначим ее ) называется частотой взятия отсчетов, или частотой дискретизации.

Отсчеты непрерывного сигнала, так же, как и отсчеты температуры, следует брать с такой частотой (или через такой интервал времени), чтобы успевать отследить все, даже самые быстрые, изменения сигнала. Иначе при восстановлении этого сигнала по дискретным отсчетам часть информации будет потеряна и форма восстановленного сигнала будет отличаться от формы исходного (рис. 4.3). Это означает, что звук на приеме будет восприниматься с искажениями. Чтобы разобраться с этим вопросом, начнем с колебания струны. Вы тронули струну, она стала вибрировать и своим движением то сжимать, то разряжать окружающий воздух или, другими словами, то повышать, то понижать его давление. Слои воздуха повышенного и пониженного давления начали разбегаться во все стороны от колеблющегося тела. Образовалась звуковая волна. Нечто похожее наблюдаем, когда бросаем камни в воду и смотрим на расходящиеся кругами волны. Гребни этих волн можно сравнить с областью сжатого воздуха, впадины – с областью разреженного воздуха. Давление звуковой волны, распространяющейся от струны, изменяется во времени по закону синусоиды. Чтобы отследить все ее изменения, очевидно, достаточно брать отсчетные значения в моменты, соответствующие максимумам и минимумам синусоиды т.е. с частотой, превышающей по крайней мере вдвое частоту звукового колебания. Например, если струна совершает 20 колебаний/с (частота 20 Гц), то максимальное звуковое давление будет наблюдаться через каждый 1/20 с, т.е. через 50 мс. Максимумы и минимумы кривой звукового давления разделены интервалами в 25 мс. Значит, отсчетные значения по кривой должны следовать не реже, чем через 25 мс, или с частотой 40 отсчетов/c (40 Гц). Обычно отсчетные значения на кривой берут «с запасом»: не в 2 раза чаще, чем колеблется звук, а, скажем, в 10 раз. В этом случае они очень хорошо передают форму кривой. Интересен случай, когда звуковые волны излучают две одновременно колеблющиеся струны. На рис. 4.4 показаны три варианта: вторая струна колеблется в 2, 3 и 10 раз чаще, чем первая. Давления двух звуковых волн на пластину, помещенную на их пути, складываются. График результирующего давления уже не является синусоидой. Мы видим, что быстрые изменения в этой кривой обусловлены более высокочастотным колебанием (в данном случае колебанием второй струны). Для того чтобы отследить все быстрые изменения результирующего звукового давления, отсчетные значения следует брать с частотой, по крайней мере вдвое превышающей частоту колебания второй струны. В последнем варианте частота взятия отсчетных значений должна превышать 400 Гц. Это означает, что отсчетные значения должны следовать не реже, чем через 1/400 = 0,0025 c = 2,5 мс, а лучше – еще чаще, например через 0,5 мс. При изучении речи мы выяснили, что голосовые связки у человека играют роль струн. Самое высокочастотное колебание этих «струн», которое по рекомендации МСЭ необходимо еще учитывать, имеет частоту 3400 Гц. При переходе от аналогового речевого сигнала к цифровому это значение обычно округляют до4000 Гц. Это значит, что при замене непрерывной кривой электрического тока на выходе микрофона телефонного аппарата отсчетными значениями последние необходимо брать с частотой 8000 Гц или, другими словами, не реже, чем через 1/8000 = 0,000125 c = 125 мкс.

Чтобы восстановить исходный сигнал из дискретного, достаточно пропустить дискретный сигнал через фильтр нижних частот с граничной частотой полосы пропускания F и подавить все «боковые» спектры. На выходе такого фильтра появится исходный непрерывный сигнал. При слишком редкой дискретизации (низкая частота дискретизации и большой интервал дискретизации ) будет иметь место наложение на спектр исходного сигнала «бокового» спектра. Это приведет к искажению формы исходного спектра, и значит, к отличию восстановленного сигнала от исходного. Наоборот, более частая дискретизация позволит легко восстановить непрерывный сигнал из дискретного с помощью несложного фильтра нижних частот. Таким образом, для безыскаженного восстановления непрерывного сигнала из дискретного необходимо частоту дискретизации выбирать не ниже удвоенной ширины его спектра. Для телефонного сигнала, как мы это видим, = = 8 кГц.В 1933 году в работе «О пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи» В.А. Котельников доказал теорему, ставшую основополагающей в теории и технике цифровой связи. Суть этой теоремы состоит в том, что непрерывный сигнал, у которого спектр ограничен частотой F, может быть полностью и однозначно восстановлен по его дискретным отсчетам, взятым с частотой = 2F, т.е. через интервалы времени . Мы не приводим полную математическую формулировку теоремы, а также ее доказательство, а лишь ограничиваемся указанием сути теоремы.

Квантование

Пусть в результате дискретизации непрерывного сигнала s(t) была получена последовательность узких импульсов, которая представляет собой АИМ-сигнал. Амплитуды импульсов равны в этом случае мгновенным значениям сигнала s(t) в моменты , где i = 0, 1, 2, 3, ...; – период следования импульсов, или интервал дискретизации.

Подвергнем полученный АИМ-сигнал квантованию по уровню (рис. 4.5). Для этого диапазон возможных значений амплитуд (т.е. диапазон значений первичного сигнала) делится на отрезки, называемые шагами квантования . Границы этих отрезков являются разрешенными для передачи значений амплитуд импульсов. Таким образом, амплитуды передаваемых импульсов будут равны не мгновенным значениям первичного сигнала, а ближайшим разрешенным уровням. Такое преобразование первичных сигналов можно называть квантованной амплитудно-импульсной модуляцией (КАИМ). Особенностью КАИМ-сигнала является то, что все его уровни можно пронумеровать (а их число хотя и большое, но конечное) и тем самым свести передачу КАИМ-сигнала к передаче последовательностей номеров уровней, которые этот сигнал принимает в моменты . Если шаги квантования одинаковы и не зависят от уровня квантования, то квантование называют равномерным. Возможно неравномерное квантование, при котором шаги квантования различны. В процессе квантования возникает ошибка вследствие того, что передаваемый квантованный сигнал отличается от истинного. Эту ошибку можно рассматривать как специфическую помеху – шум квантования. Последний представляет собой случайную последовательность импульсов (рис. 4.6), максимальное значение амплитуды которых не превышает половины шага квантования. Чем меньше шаг квантования, тем меньше шум, но больше число передаваемых разрешенных уровней. Следующий шаг в преобразовании сигнала состоит в переводе квантованного АИМ-сигнала в цифровой. Эта операция называется кодированием КАИМ-сигнала.

Кодирование

Познакомимся с одним замечательным свойством нашей системы счисления – позиционностью. Изобразим какое-нибудь число, например 777. В нем один и тот же знак «7» участвует 3 раза, но когда он стоит справа, то означает семь единиц, в центре – семь десятков, слева – семь сотен. Таким образом, при записи числа цифра может иметь начертание одно и то же, а цифровые значения – разные, в зависимости от места, позиции, разряда, на котором она стоит. Такой принцип построения чисел называется поместным, или позиционным. Для записи любых сколь угодно больших чисел достаточно десяти цифр! Каждая позиция, или разряд, числа имеет определенный «вес» (единицы, десятки, сотни и т.д.), поэтому число 777 можно расписать как

777 = 7 ? 102 + 7 ? 10 + 7,

т.е. как семь сотен плюс семь десятков плюс семь единиц. Если призвать на помощь алгебру и вместо чисел записать буквы, то можно получить такую общую форму представления числа: или сокращенную – через коэффициенты, если опускать степени числа 10: .

Число 10 является основанием системы счисления. Коэффициенты (число единиц), (число единиц второго разряда, т.е. десятков), (число единиц третьего разряда, т.е. сотен) и т.д. могут принимать значения, не превышающие основания системы: от 0 до 9. В 1665 г. французский математик Б. Паскаль показал, что за основание системы счисления можно принять любое число, а это значит, что каждое число можно представить в виде комбинации степеней не числа 10, какого-либо другого целого числа. Выберем, например, число 7:

Ясно, что значения коэффициентов должны теперь быть не больше нового основания, т.е. 7: они могут принимать значения от 0 до 6. Представим число 777 в семеричной системе, разлагая его по степеням основания 7: .

Если опустить степени числа 7, как мы делаем при записи чисел в десятичной системе, то получим семеричную запись этого числа: (2160)7. Здесь цифра 7 в индексе указывает основание системы. В пятеричной позиционной системе всего пять цифр: 0, 1, 2, 3, 4. В ней число 777 будет представляться количеством «пятерок», «двадцатипяток» и т.д.: .

Посмотрим, как будет представлено число 777 в двенадцатеричной системе. Поскольку в ней должно быть двенадцать цифр, а мы знаем только десять, то придется ввести еще две цифры, обозначив 10, скажем, буквой A, а 11 – буквой B. В результате получим .

Как видите, можно придумать много различных позиционных систем счисления, отличающихся только основаниями. И все они, вообще говоря, равнозначны: ни одна из них не имеет явных преимуществ перед другой!Число 2 – это самое меньшее из чисел, которое можно взять за основание системы счисления. Поэтому в двоичной системе счисления всего две цифры: 0 и 1. Число в двоичной системе запишется так: .

Если в десятичной системе «вес» каждой позиции (или разряда) числа равен числу 10 в некоторой степени, то в двоичной системе вместо числа 10 используют число 2. «Веса» первых 13 позиций (разрядов) двоичного числа имеют следующие значения:

212

211

210

29

28

27

26

25

24

23

22

21

20

4096

2048

1024

512

256

128

64

32

16

8

4

2

1

Попробуем записать уже привычное нам число (777)10 в двоичной системе счисления, представляя его в виде разложения по степеням двойки и отбрасывая потом при записи сами степени:

Итак, в двоичной системе счисления вместо числа 777 приходится писать число 1100001001.При записи числа в двоичной системе каждая позиция занята двоичной цифрой. Вместо двух слов «двоичная цифра» употребляют одно слово: «бит». Мы уже упоминали, что оно произошло от английского «bit», составленного из начальных и конечной букв словосочетания «binary digit», что в переводе с английского означает «двоичная цифра». С помощью одного бита можно записать только число 0 и 1, двух бит – числа от 0 до 3, трех бит – числа от 0 до 7, четырех бит – числа от 0 до 15 и т.д.

Десятичная запись:

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

...

15

16

Двоичная запись:

0

1

10

11

100

101

110

111

1000

1001

1010

1011

...

1111

10000

Чтобы записать числа от 0 до 1 000, потребуется десять бит. В двоичной системе счисления даже сравнительно небольшое число занимает много позиций. Как теперь перевести дискретные значения тока микрофона в цифровой двоичный код? В XVIII веке крупнейший математик Л. Эйлер показал, что с помощью набора гирь 1, 2, 4, 8, и 16 кг можно взвесить любой груз с точностью до 1 кг. Взвешиваемый груз (обозначим его массу через М, кг) математически можно представить как

где каждый коэффициент a = 1, если соответствующую гирю кладем на чашу весов, a = 0, если этой гирей не пользуемся при взвешивании. Таким образом, процедура взвешивания сводится к представлению десятичного числа в двоичной системе счисления. Поясним это на примере. Пусть нам нужно взвесить груз массой 21 кг. Поставим сначала на чашу весов самую большую гирю – массой 16 кг. Поскольку она не перетягивает груз, оставим гирю на чаше ( = 1) и добавим следующую – 8 кг. Ясно, что в этом случае чаша весов с гирями перетянет чашу с грузом. Снимем эту гирю ( = 0) и установим гирю массой 4 кг. Проведя взвешивание до конца, мы увидим, что на весах остались гири массой 16, 4 и 1 кг. Значения коэффициентов дают пятиразрядный двоичный код 10101 числа 21. Механический груз мы взвешивали на механических весах. Считая отсчетное значение тока, появляющееся на выходе электронного ключа, своего рода «электрическим грузом», можно осуществить аналогичное взвешивание, но на этот раз электронным способом. Такие «электронные весы» назвали кодером (от английского соder – кодировщик). Допустим, отсчетное значение тока равно 21 мА. Роль «электрических гирь» в кодере выполняют эталонные токи величиной 16, 8, 4, 2 и 1 мА, которые вырабатываются специальным устройством. Каждая проба – подходит та или иная «гиря» либо нет – производится в строго установленные промежутки времени. Вся процедура взвешивания должна закончиться до прихода с электрического ключа следующего отсчетного значения тока (напомним, для звуков речи это время составляет всего 125 мкс). Итак, сначала отсчетное значение тока сравнивается с эталоном, равным 16 мА, и, поскольку оно больше эталона, на выходе кодера появляется импульс тока, что соответствует двоичной цифре 1. В следующий интервал времени к первому эталонному току добавляется второй величиной 8 мА. Теперь суммарный вес «электрической гири» равен 24 мА. Это больше отсчетного значения, поэтому второй эталонный генератор отключается. На данном интервале времени импульс тока на выходе кодера не появляется, что соответствует двоичной цифре 0. Думаем, читатели без труда завершат процедуру взвешивания. Таким образом, за время взвешивания одного отсчетного значения кодер вырабатывает серию импульсов, полностью повторяющую двоичный код отсчетного значения микрофонного тока. Нельзя не напомнить вновь еще об одном виде искажений, появляющихся при переводе отсчетного значения тока в двоичный код. Так, если кодированию подвергается отсчетное значение 21,7 мА, кодер все равно выдает код 10101, как и в случае целого значения 21 мА. Это и понятно, поскольку «взвешивание» проводилось с точностью до 1 мА – веса самой меньшей «электрической гири». Такое округление чисел в технике называется квантованием, а разница между отсчетным значением тока и величиной, набираемой двоичным кодом, – ошибкой квантования. Однако и искажения, вызванные ошибками квантования, можно если и не исключить совсем, то по крайней мере значительно уменьшить. Пусть, например, самая маленькая «электрическая гиря» будет иметь «вес» 0,125 мА. Тогда, взяв восемь «гирь», соответствующие 16; 8; 4; 2; 1; 0,5; 0,25; 0,125 мА, можно будет «взвешивать» отсчетные значения тока с точностью до 0,125 мА. При этом число 21 представится 8-разрядным двоичным кодом 10101000, а число 21,7 – кодом 10101101, где последние три цифры означают добавку 0,625 к числу 21. Применение же 12-разрядного двоичного кода позволяет вместо числа 21,7 набрать весьма близкое к нему число 21,6921895. Успехи в развитии интегральной микросхемотехники позволили объединить в корпусе одной небольшой микросхемы электронный ключ и кодер. Эта микросхема преобразует непрерывную (часто говорят аналоговую) электрическую величину в двоичный цифровой код и известна под названием аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Выпускаются АЦП с 8-, 10- и 12-разрядными двоичными кодами. Интересно подсчитать, какую скорость имеет цифровой поток, полученный из непрерывного телефонного сигнала путем дискретизации его через 125 мкс и 8-разрядного кодирования. За секунду ток микрофона изменяется 8000 раз. В 8-разрядном кодере каждое измеренное значение тока представляется двоичным словом из 8 бит. Значит, каждую секунду в линию отправляется 8000 ? 8 = 64000 бит, т.е. скорость цифрового потока равна 64 кбит/сек.

Кодовая комбинация из 8 бит, образующая двоичное слово, называется байтом. Символы в каждой кодовой комбинации отделены друг от друга временным интервалом tт, т.е. следует с частотой . Эта частота называется тактовой. Преобразование отсчетов непрерывного сигнала в двоичный код называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). В настоящее время этот способ получения цифровых сигналов из аналоговых наиболее распространен. Системы передачи, использующие данное преобразование сигналов, называются ИКМ системами. В иностранной литературе используется аббревиатура РСМ (от английских слов pulse code modulation, что в переводе как раз и означает импульсно-кодовая модуляция).

Восстановление аналоговых сигналов

Все устройства, предназначенные для демодуляции сигналов, будут рассмотрены при изучении конкретных систем передачи и аппаратуры, входящей в состав этих систем. При приеме сигналов ИКМ для восстановления аналогового сигнала необходимо преобразовать цифровой сигнал (последовательность двоичных импульсов) в квантованный АИМ сигнал (такое преобразование называется декодированием) и затем осуществить операцию демодуляции, т.е. выделения из АИМ-сигнала аналогового сигнала s(t). Итак, при использовании ИКМ выполняются следующие преобразования аналогового сигнала: в пункте передачи – амплитудно-импульсная модуляция, квантование и кодирование; в пункте приема – декодирование и демодуляция квантованного АИМ сигнала. Полученный на приеме аналоговый сигнал отличается от переданного, так как образуется из квантованных импульсов, амплитуды которых равны не мгновенным значениям сигнала s(t), а ближайшим разрешенным значениям. Таким образом, операция квантования вносит в процесс передачи сигнала неустранимую ошибку, которая тем меньше, чем больше уровней квантования. А как узнать, какое десятичное число скрывается под его записью в двоичной системе? Правило простое: под каждым разрядом двоичного числа следует записать его «вес». Те «веса», которые соответствуют единичным разрядам, нужно сложить. Полученная сумма и явится десятичным числом. Вот перед нами число 1001011, записанное в двоичной нумерации. Поступаем согласно сказанному выше:

1

0

0

1

0

1

1

64

32

16

8

4

2

1

Как видим, заинтересовавшее нас число складывается из единицы, двойки, восьмерки и шестидесяти четырех (1 + 2 + 8 + 64). Очевидно, оно равно 75. Попробуйте самостоятельно определить, какому числу соответствует его двоичная запись 10110011. В состав декодера входит преобразователь последовательного кода в параллельный (рис. 4.7), на выходах которого появляется набор единиц и нулей, соответствующий принятой кодовой комбинации. Каждая единица (токовый импульс) поступает на вход сумматора с весом, где увеличивается в 2k раз. На выходе сумматора возникает импульс, амплитуда которого определяется кодовой комбинацией на входе декодера. Например, при прохождении кодовой комбинации 0100110 на первый, четвертый, пятый и седьмой входы сумматора напряжение не подается (бестоковые импульсы), а на второй, третий и шестой входы подается напряжение, которое увеличивается соответственно в 21, 22 и 25 раз. На выходе сумматора появляется напряжение, пропорциональное 21 + 22 + 25 = 38, т.е. квантованный АИМ-сигнал. На следующем шаге необходимо из отсчетных значений тока получить непрерывный ток. Сделать это нам поможет обычный конденсатор небольшой емкости, который при кратковременном воздействии на него тока (т.е. отсчетного значения) мгновенно зарядится и будет удерживать заряд до следующего кратковременного воздействия. Отметим еще раз, что восстановленная таким путем кривая непрерывного тока будет несколько отличаться от той, которая была получена на клеммах микрофона: она будет иметь плоские ступеньки между отсчетными значениями. Можно сказать, что процесс взятия отсчетных значений и последующего восстановления непрерывной кривой тока микрофона сопровождается специфическими искажениями, которые могут повлиять на качество воспроизведения звука. Однако на практике для восстановления тока используют не конденсатор, а более сложные схемы, делающие форму восстановленного тока похожей на форму исходного тока и тем самым сводящие на нет действия указанных искажений.

Контрольные вопросы

1. Что такое цифровой сигнал? 2. С какой частотой следует дискретизировать аналоговый сигнал? 3. Как определить ошибку квантования сигнала? 4. В чем заключается принцип двоичного кодирования сигнала? 5. Как восстановить аналоговый сигнал из цифрового?

Список литературы

1. Крук Б.И., Попов Г.Н. ... И мир загадочный за занавесом цифр: Цифровая связь. – 2-е изд., испр. – Новосибирск: ЦЭРИС, 2001. – 264 с. 2. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей: Учебник для вузов; Под ред. В.П. Бакалова. – М.: Радио и связь, 2000. – 592 с. 3. Журавлева О.Б., Крук Б.И. Дискретные сигналы и цепи: 26 вопросов и ответов: Учебное пособие для дистанционного обучения. – Новосибирск: СибГУТИ, 1999. – 100 с.

5. Линии передачи

Медные кабельные линии

Составной частью системы передачи является линия передачи, по которой распространяются электромагнитные сигналы. В зависимости от конкретных условий, в которых организуется связь, для передачи сигналов используют проводные или радиолинии.

По проводным линиям электромагнитное поле распространяется вдоль непрерывной направляющей среды. К ним относятся воздушные и кабельные линии, волновые, световоды. По радиолиниям сообщения передаются посредством распространения электромагнитных волн в свободном пространстве.

Исторически первыми возникли и применяются до настоящего времени воздушные линии (цепи). Воздушная цепь представляет собой пару изолированных металлических проводов, закрепленную на некотором расстоянии друг от друга, в результате чего роль изолятора между проводами выполняет воздух. Подвешиваются провода на деревянных или железобетонных опорах.

Недостатками воздушных цепей – значительное влияние климатических условий на устойчивость работы системы связи, высокий уровень помех (от высоковольтных линий, контактной сети электрифицированных железных дорог, радиостанций), малый диапазон частот.

Кабель связи представляет собой некоторое количество проводников, изолированных друг от друга. В качестве изоляции используются кабельная бумага или различные разновидности пластмасс. Для предохранения от проникновения влаги проводники заключаются в герметическую оболочку. Сверху накладывают защитные покровы, предохраняющие кабель от механических повреждений.

Пара проводников образует электрическую цепь, по которой передается сигнал. Переход от воздушной цепи к кабельной позволил существенно уменьшить влияние климатических условий на работу систем связи, снизить уровень помех, расширить рабочий диапазон частот. Кабели подразделяются на подземные, подводные и подвесные.

 

Старейшие среди современных кабелей связи – городские телефонные кабели. Да и самой разветвленной кабельной сетью является городская телефонная сеть (не секрет, что бoльшая часть телефонов находится у жителей городов).

 

Городские телефонные кабели бывают разные (рис. 5.1). Они могут содержать от 10 (такие кабели заводят в подъезды домов и подключают к распределительным коробкам, откуда телефонные провода тянутся в каждую квартиру) до 500, 1000 и даже 3000 пар проводов (а такие кабели используют для того, чтобы собрать воедино тянущиеся от жилых массивов к АТС более мелкие кабели). Каждая жила кабеля изолируется кабельной бумагой или бумажной массой, получаемой из целлюлозы. Жилы скручиваются определенным образом вместе и помещаются в прочную свинцовую оболочку. В последние годы, благодаря успехам химии, на смену бумажной изоляции жил и свинцовой оболочке пришли различные пластмассы (полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт). Прокладываются городские телефонные кабели в подземной канализации в асбестоцементных трубах.

Для связи между городами выпускаются специальные междугородные кабели (рис. 5.1) – симметричные и коаксиальные. В отличие от городских кабелей они содержат намного меньше пар проводов: не более одного-двух десятков. Лежат эти кабели прямо в земле. Для повышения механической прочности междугородные кабели «одевают» в броневые покровы (обычно это стальные бронеленты).

Когда по проводнику протекает синусоидальный ток, вокруг движущихся в металле электронов возникают электрическое и магнитное поля. Чтобы убедиться в существовании электрического поля, достаточно поместить вблизи проводника пробный электрический заряд (например, заряженный листок или бусинку). Если поле есть, то заряд сдвинется с места. Обнаружить магнитное поле можно с помощью пробной магнитной стрелки: она будет поворачиваться. Электрическое и магнитное поля часто рассматриваются вместе как единое электромагнитное поле.

Попробуем увеличить частоту синусоидального тока в проводнике. Десятки герц... Сотни герц... Килогерцы... Сотни килогерц. Мы обнаруживаем (естественно, с помощью приборов), что ток с ростом частоты все сильнее и сильнее вытесняется из толщи проводника к его поверхности. Электромагнитное поле вне проводника возрастает, и вот на очень высоких частотах (превышающих сотни и даже тысячи мегагерц) ток полностью вытесняется из проводника. Проводник начинает излучать всю электромагнитную энергию в пространство. Передача ее по проводу прекратилась. Провод превратился в антенну!

Описанное явление – вытеснение тока к внешней поверхности проводника – получило у специалистов название поверхностного эффекта. Существует довольно простое объяснение поверхностного эффекта (рис. 5.2).

 

В 30-х годах прошлого века английский физик М. Фарадей (1791–1867) обнаружил, что в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, возникает ток. Все дело в том, что наш проводник оказался помещенным в собственное магнитное поле и под его воздействием в толще проводника образовалось множество замыкающихся по кольцу вихревых токов. У поверхности проводника эти токи направлены так же, как и основной ток, и поэтому увеличивают его. В толще же проводника вихревые токи оказываются направленными против основного тока и, следовательно, уменьшают этот основной ток.

 

Мы рассмотрели один провод, тогда как для передачи сигналов используются два провода – прямой и обратный (чтобы цепь тока замкнулась). Каждый из проводов образует свое электромагнитное поле. Их взаимодействие дает несколько более сложную картину поля, однако эффект излучения поля вне проводов остается практически неизменным – с ростом частоты излучение увеличивается.

В городских телефонных кабелях под одной «крышей» – оболочкой – собрано большое число пар проводов. Представим себе, что цифровые сигналы (импульсы) передаются только по одной паре проводов, по одной цепи (а по другим парам в это время ничего не передается). Тем не менее и в остальных «нерабочих» парах можно зафиксировать те же самые сигналы. Правда, очень слабые. И чем дальше «нерабочая» пара расположена от «рабочей», тем слабее в ней сигналы. Однако чем выше скорость передачи импульсов, тем увереннее мы будем регистрировать в «нерабочих» парах эти импульсы. Виной тому увеличивающееся на высоких частотах электромагнитное излучение. При большой скорости передачи влияние одной цепи на другую может быть столь велико, что когда по второй цепи будут передаваться «свои» сигналы, их будет очень трудно отделить от «чужих».

Вот эти-то взаимные влияния между цепями и не дают возможность беспредельно увеличивать скорость передачи импульсов по городским телефонным кабелям. Практически она 2 Мбит/с. Отсюда вывод: такие кабели не позволяют обмениваться видеопрограммами, ведь при передачи подвижного изображения биты «мчатся» со скоростью в 50 раз большей.

Иное дело междугородный коаксиальный кабель! Один проводник коаксиальной пары – обычный сплошной провод, а другой (по которому ток «возвращается» обратно) – полый медный цилиндр (рис. 5.3). Сплошной проводник помещен внутрь полого. Отсюда и название – коаксиальная пара, что означает имеющая общую ось (coaxis – соосный). Чтобы строго выдержать соосность проводников, пространство между ними заполняют изолирующим материалом (сплошным полиэтиленом, полиэтиленовыми шайбами и т.п.). Придумал такую конструкцию пары проводников еще в 1912 г. профессор Петербургского электротехнического института П.Д. Войнаровский (1886–1913), а использовать ее в кабелях связи предложил в 1934 г. американский изобретатель С.А. Щелкунов.

Коаксиальная пара – это поистине замечательное изобретение! Она не излучает электромагнитную энергию в пространство, а следовательно, не будет влиять на соседние цепи связи. Это имеет принципиально важное значение, поскольку позволяет повысить скорость передачи цифр.

Ток во внутреннем проводнике с ростом частоты также вытесняется на его поверхность. Этот процесс не отличается от описанного выше. Магнитное поле внутреннего проводника наводит в металлической толще внешнего проводника вихревые токи. На наружной стороне полого проводника эти вихревые токи направлены против основного тока («срабатывает» знакомое из школьного курса правило буравчика) и тем самым уменьшают, ослабляют его. Таким образом, ток в полом цилиндре вытесняется не наружу, а внутрь коаксиальной пары. Этот эффект ученые назвали эффектом близости. Он-то и является причиной, по которой электромагнитное поле концентрируется внутри коаксиальной пары и не излучается вне ее.

C ростом частоты действие эффекта близости увеличивается и поле все сильнее и сильнее концентрируется между внутренним и внешним проводниками. Именно поэтому по коаксиальным парам потоки информации могут «нестись» с колоссальной скоростью, превышающей сотни миллионов бит в секунду.

Междугородные симметричные кабели имеют такую же конструкцию пар, как и городские телефонные (два скрученных, изолированных проводника). Однако за счет небольшого количества пар и более тщательной их изоляции удается ослабить влияние между цепями и повысить тем самым скорость цифрового потока. По междугородным кабелям связи цифры передаются со скоростью порядка 8 Мбит/с.

Радиолинии

Что представляет собой радиоволна? Обратимся к проводнику, по которому протекает ток, изменяющийся во времени подобно синусоиде. Вокруг проводника с током создается переменное магнитное поле. Его интенсивность в каждой точке пространства будет меняться по такому же закону синусоиды. Переменное магнитное поле рождает в пустом пространстве переменное электрическое поле (тоже меняющееся в каждой точке пространства по синусоидальному закону). Обнаружить это поле можно с помощью другого проводника: электроны в нем придут в движение, появится переменный синусоидальный ток. В свою очередь меняющееся электрическое поле вновь рождает магнитное поле, а оно – электрическое и т.д. Причем возникающие электрические и магнитные поля, распространяясь, охватывают все новые и новые области пространства. Чем дальше расположена точка пространства от проводника с током, тем позднее достигнут ее колебания полей.

Взаимодействие электрического и магнитного полей не есть нечто обособленное, независимое друг от друга. Оно – проявление единого целого, которое носит название электромагнитного поля.

В физике изменяющееся во времени, т.е. движущееся, пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины называется волной. Волны мы наблюдаем при бросании камешков в воду. Волну можно пустить по натянутой веревке. Звуковые волны испускает колеблющаяся струна. Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле образует электромагнитную волну.

Самые разные по своей природе волны имеют одну и ту же общую характеристику – длину волны. Пояснить ее можно на простом и знакомом примере движения волны на поверхности воды. Длина волны – это расстояние между соседними гребнями. Время, за которое один гребень сменяет другой, составляет период колебания волны Т. Если знать скорость с, с какой происходит эта смена, то легко вычислить расстояние между гребнями, т.е. длину волны, как произведение скорости на время: l = сТ. Величина, обратная периоду колебания волны, – это частота колебания f = 1/T. Поэтому l = с/f.

Скорость распространение электромагнитной волны равна скорости света с = 300 000 км/с. Следовательно, ток, колеблющийся с частотой, например 300 000 Гц, создает электромагнитную волну длиной 1 км, а с частотой 300 000 000 Гц – 1 м.

В диапазоне радиоволн – ультракоротковолновом – размещаются волны длиной от 10 м до 0,3 мм. Это очень широкий диапазон. Поэтому ультракороткие волны подразделяют на метровые, деци-, санти- и миллиметровые. Первые из них занимают частоты 30...300 МГц, а последние – частоты 30000...1000000 МГц. Для таких сверхвысоких частот (принято сокращение СВЧ) введены специальные обозначения: гигагерцем (ГГц) называют каждую тысячу мегагерц, а терагерцем (ТГц) – каждую тысячу гигагерц. Таким образом, миллиметровым волнам соответствуют частоты 30 ГГц...1 ТГц.

Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы и почти не поглощаются ею. Они ведут себя подобно лучам света: пронизывают ионосферу и уходят в космос. В атмосфере Земли существует всего два «окна». Одно из них – в области видимого света. Им человечество пользуется уже тысячи лет, изучая звезды в телескоп. Второе – «радиоокно

» в области УКВ. Оно обнаружено только в XX в. благодаря развитию техники радиосвязи. Именно с помощью этого «окна» осуществляется связь с космическими кораблями.

Из-за «прямолинейного» характера распространения ультракоротких волн связь на них возможна только до тех пор, пока антенна приемника «видит» антенну передатчика. Если на пути волны встречается препятствие (высокий дом, гора, лес), то связь становится невозможной.

Системы вещания – радио- и телевизионного – служат для доставки информации от одного ее источника к большому числу потребителей. В системах же связи информацию нужно доставлять от каждого конкретного источника к каждому конкретному потребителю. Подходят ли для этого радиоволны? Ведь их можно принять в любой точке земного шара.

Вывод один: энергия радиоволн не должна рассеиваться в пространстве, ее нужно сконцентрировать в очень узкий луч. Однако хорошо концентрирует энергию только антенны достаточно больших по сравнению с длиной волны размеров. Это напоминает оптику, где размеры зеркал и линз во много раз превышают длину световой волны.

Вот еще одно неоспоримое преимущество ультракоротких волн: для них легко сделать не очень большие и исключительно направленные антенны, которые, условно говоря, фокусируют, «собирают» волну.

Вы обращали внимание, как концентрируется луч света в электрическом фонарике? Лампочка помещается в фокусе зеркального отражателя. Подобно этому рупор, излучающий электромагнитную волну, помещают в фокусе параболической антенны (рис. 5.4). Она как рефлектор собирает электромагнитные волны в узкий параллельный пучок лучей и направляет его на приемную антенну. Принимаемые волны в свою очередь «стягиваются» металлическим зеркалом приемной антенны на рупор и через рупор и волновод направляются к приемнику.

Итак, уже не трудно представить себе основные контуры радиолинии, работающей на УКВ. Передатчик – в основе его лежит специальный квантовый генератор, использующий внутреннюю энергию атомов, и вырабатывает СВЧ-колебания, которые по волноводу передаются в антенну. Посылаемый в эфир радиолуч достигает приемной антенны и по волноводному тракту добирается до приемника. А не мало ли это – всего один луч между двумя пунктами? Ведь тот же коаксиальный кабель содержит несколько коаксиальных пар, и по каждой из них можно передавать цифровые потоки с огромными скоростями – сотни мегабит в секунду. Следует заметить, что «пропускная способность» у УКВ-луча во много раз больше, чем у коаксиальной пары. Скорость цифрового потока, как вы помните, зависит от частотного диапазона, в котором работает линия связи. А у радиолинии на УКВ он значительно шире, значит эти волны могут перенести как мощные «тяжеловозы» большее количество бит в одну секунду – свыше тысячи мегабит.

Что же касается увеличения числа лучей, то делают так: несколько передатчиков, генерирующих волны различных длин, заставляют работать на общую антенну. Антенна, таким образом, излучает одновременно несколько лучей с различными длинами волн. В приемной антенне каждая волна отфильтровывается и точно в соответствии со своей длиной поступает в свой приемник. Говорят, что каждый такой луч образует ствол радиолинии. Обычно число стволов не превышает 4–5.

В 1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией вступила в строй радиолиния на ультракоротких волнах. Она имела протяженность 150 км. Чтобы перекрыть это расстояние, через 50 и 100 км были построены две промежуточные «релейные» станции, которые принимали ослабленные радиоволны, «заменяли» их новыми и посылали дальше. Сама радиолиния была названа радиорелейной. Первая радиорелейная линия в нашей стране была построена в 1953 г. между Москвой и Рязанью. Однако еще в начале 30-х годов советские инженеры М.И. Греков и В.М. Большеверов провели опыты по направленной радиосвязи на дециметровых волнах между Москвой и Люберцами.

Современная радиорелейная линия (РРЛ) состоит из двух основных и цепочки промежуточных радиорелейных станций (рис. 5.5). Каждая станция – это приемник, передатчик и высокая мачта (или башня) с антеннами. Для мачт выбирают возвышенные участки местности. С каждой из них видны две соседние мачты. Расстояние между промежуточными станциями обычно составляет 40...70 км. Протяженность линии может быть несколько тысяч километров. Радиоволны узким направленным лучом идут от одной станции к другой, принимаются там приемником, усиливаются передатчиком и отправляются к следующей станции.

Разновидностью радиорелейных линий являются спутниковые линии передачи, в которых роль ретранслятора выполняет не наземная промежуточная станция, а спутник связи (точнее, приемопередающий ретранслятор, помещенный на нем). На земле строятся оконечные станции с параболическими антеннами и устройствами наведения на антенну спутника (рис. 5.6). Спутниковые линии передачи являются широкополосными. Спутниковые системы позволяют передавать телевизионные программы в отдаленные районы страны значительно дешевле, чем по наземным радиорелейным или кабельным линиям, а также организовать связь с труднодоступными районами, к которым протягивать наземные линии сложно и дорого, а иногда и просто невозможно.

Кроме описанных существуют и другие радиолинии (например, тропосферные, метеорные и др.).

Волоконно-оптические кабельные линии

По световоду распространяется ... «невидимый» свет. Это может показаться несколько неожиданным, тем более, что в рекламных журналах можно увидеть красочные фотографии, на которых свет эффектным веером льется из стеклянных нитей – оптических волокон. Но это не так!

А разве свет бывает невидимым? Если быть точным, то следует сказать, что светом называют электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Длина волны этого излучения 0,4 – 0,75 мкм. Но часто физики называют светом и невидимые электромагнитные волны, длины которых лежат далеко за пределами этого интервала: 0,01 – 340 мкм.

Сейчас в технике связи по оптическим волокнам широко используется длина волны 0,85 мкм, которая находится за зримым диапазоном. Чем это вызвано? Чуть позднее мы ответим на данный вопрос, а пока взгляните на оконное стекло. Вам кажется, что ничего более прозрачного для света придумать нельзя? Однако если сделать из этого стекла нить и ввести в нее луч лазера (например, гелий-неонового, l = 0,63 мкм), то даже при достаточно короткой ее длине свет настолько ослабится, что не будет излучаться из противоположного торца нити. Значит, обычное стекло не так уж прозрачно, как хотелось бы, и луч в нем, «спотыкаясь», не доходит до финиша. Действительно, пачка из нескольких стекол кажется уже не прозрачной, а зеленой, а торец ее – вообще черным.

Прозрачность стекол зависит от наличия в нем примесей различных элементов. Чем меньше примесей, тем стекло прозрачней. При изготовлении световодов из стекла нужно обеспечить очень высокую степень его очистки. Получить сверхчистое стекло удалось совсем недавно. Это сделал в 1970 г. инженер американской фирмы «Corning glass company» по фамилии Капрон. Он и его сотрудники изготовили тонкую стеклянную нить очень высокой (по тем временам) степени прозрачности: в такой нити свет на расстоянии в 1 км ослабляется в 100 раз.

Дальнейший прогресс в технологии получения сверхпрозрачных оптических волокон позволил уже в 1972–1973 гг. уменьшить ослабление света: теперь на таком же расстоянии он ослаблялся только в 3 раза. В лучших образцах современных световодов, изготовленных из сверхчистого кварцевого стекла, интенсивность света на длине 1 км уменьшается всего в 1,05 раза.

Как получают сверхчистое стекло? Это очень трудоемкий процесс. Чтобы иметь о нем хотя бы отдаленное представление, мы расскажем, как делается стекло из кварца.

Кварц – это оксид кремния (SiO2). При температуре выше 1710°С кварц плавится и переходит в жидкое состояние. Можно было бы варить из кварца стекломассу и затем вытягивать из нее волокно. Однако в данном случае трудно избавиться от примесей и изготовить сверхчистое стекло, поэтому поступают следующим образом. Сначала получают с помощью химической реакции «газообразный» кварц (или, еще говорят, его газовую фазу), в таком состоянии примесей в кварце почти нет. Затем путем охлаждения осаждают его в твердом виде на внешней или внутренней поверхности цилиндрического стержня. Этот метод так и называют – химическое осаждение из газовой фазы.

Рассмотрим случай (рис. 5.7), когда осаждение кварца происходит на внешней поверхности стержня (его называют затравочным). В горелку наподобие бунзеновской подают газовую смесь: горючий газ – для создания высокотемпературного пламени; газ в виде соединения кремния с хлором (хлорид SiCl4) – как основной «держатель акций» кремния; кислород (О2) – для получения реакции окисления хлорида. В жарком пламени горелки (до 1600°С) кремний и кислород воссоединяются, и рождаются мелкие порошкообразные частицы высокочистого кварцевого стекла (SiO2), а отделившийся в самостоятельный газ хлор (2Cl2) улетучивается через вытяжной колпак.

На расстоянии 15 см от горелки вращается и перемещается вдоль нее затравочный стержень, к поверхности которого и прилипают эти порошкообразные частицы. За 1 мин на стержне осаждается 0,5...1,0 г стекла. Когда толщина слоя достигает нужного размера, процесс останавливается и стеклянную заготовку снимают с затравочного стержня. Получается стеклянная трубка, а нужна сплошная цилиндрическая заготовка. Как быть? Что дальше делать?

Следующая стадия процесса состоит в нагревании трубчатой заготовки пламенем приблизительно до 1900°С. За счет сил поверхностного натяжения, возникающих в размягченной трубке, происходит «схлопывание» (есть такой специальный термин) трубчатого цилиндра в сплошной. Полученную стеклянную заготовку вытягивают в тонкое оптическое волокно. Например, из заготовки 1 м и диаметром 1 см можно вытянуть стеклянную нить диаметром 100 мкм и длиной 10 км.

Конечно, описанный способ изготовления оптического волокна не единственный, и материалы для него используются разные, не только кварц. Мы ограничились описанием (да и то в самых общих чертах) процесса, разработанного американской фирмой «Corning glass», чтобы читатель смог составить представление о технологии производства прозрачных стекол для световодов.

И все же, как ни стараются сделать стекло сверхчистым, свет в нем все равно ослабляется. Ослабление света происходит по двум причинам: он рассеивается за пределами стеклянной нити и поглощается в ней молекулами и атомами «вредных» примесей, находящихся в стекле. Установлено, что рассеяние света зависит от длины волны передаваемого излучения. Чем короче длина волны, тем выше рассеяние света.

Если посмотреть на график ослабления света в стеклянном волокне (рис. 5.8), построенный для различных длин волн, то на нем можно увидеть так называемое окно прозрачности, в котором ослабление сравнительно небольшое.

Следует сказать, что в технике связи ослабление измеряют обычно не в «разах», а в специальных единицах – «белах» (в честь изобретателя телефона А.Г. Белла). Чтобы получить «белы», нужно прологарифмировать «разы». Эти единицы особенно удобны, когда речь идет об ослаблении в огромное число раз. Например, если ослабление в «разах» составляет миллион, то в «белах» – это всего 6 (lg 1 000 000 = 6). Ослабление в 1 000 раз соответствует 3 Б (lg 1 000 = 3). Дальше все понятно: 100 раз – это 2 Б, 10 раз – 1 Б. Перевод в белы величины «3 раза» даст 0,5 Б, а величины «1,05 раза» – 0,02 Б. Для практики бел – слишком крупная единица, поэтому чаще используют более мелкую – децибел (1 Б = 10 дБ подобно тому, как 1 м = 10 дм).

Таким образом, и завоевания в области прогрессивных стеклотехнологий можно в полной мере оценивать децибелами (на сегодня ослабление света, или потери его интенсивности, в волокне составляет 0,2 дБ/км).

Однако взглянем еще раз на «окно прозрачности». Оно охватывает длины волн, расположенные в диапазоне ближнего инфракрасного излучения (0,85...1,8 мкм), т.е. в области «невидимого» света. Правда, внутри окна для некоторых излучений (0,95; 1,24; 1,39 мкм) наблюдаются всплески ослабления. Это вызвано тем, что колебания света «попадают в такт» (в резонанс) с колебаниями ионов «вредных» гидроксильных групп ОН – непрозрачной компоненты стекла, от которой, как правило, не удается избавиться даже при изготовлении сверхчистых стекол. Возникает резонансное поглощение света ионами этих групп.

Теперь становится понятным, почему в световодах предпочитают иметь дело с волнами невидимого света, за исключением, конечно, тех волн, которые сильно поглощаются.

Известно, что скорость света v в прозрачном веществе меньше скорости света с = 300 000 км/с в вакууме. Отношение с/v обозначили буквой n и назвали показателем преломления света в веществе. Но разве можно сломать световой луч? Оказывается можно. Опустите в стакан с водой ложку (рис. 5.9). На границе раздела между воздухом и водой ложка покажется вам сломанной. Это случилось потому, что на границе воздуха и воды световые лучи из-за разных скоростей распространения (в воде скорость в 1,33 раза меньше, чем в воздухе) преломились.

Итак, когда луч света попадает на границу раздела двух веществ с показателями преломления и (у воздуха этот показатель равен 1), возникают отраженный луч (помните, «угол падения равен углу отражения»?) и преломленный лучи. Первый, отражаясь от поверхности, остается в веществе, а вот второй выходит за его пределы. Для вещества – это потери, рассеяние света.

В оптике существует формула, по которой, зная показатели преломления n1 и n2 веществ и угол q падения (отражения) луча, можно найти, под каким углом qпр он преломляется:

.

Конечно, при передаче света по волокну хотелось бы, чтобы свет только отражался от границы и не рассеивался за пределы вещества в виде преломленных лучей. Это начинает происходить с того момента, когда угол qпр достигает 90°: наступает полное отражение. Приведенная выше формула позволяет вычислить, под каким углом луч должен падать при этом на границу раздела веществ. Например, волокно из стекла с показателем n1 = 1,46, помещенное в воздухе (n2 = 1), будет полностью отражать те световые лучи, которые попадают на его боковую поверхность под углом q > 45°.

Не следует забывать, что свет вводят в торец волокна. Здесь картина иная: на боковую поверхность волокна будет падать луч, преломленный его торцом. И падать он должен так, чтобы полностью отражаться от боковой поверхности (см. рис. 5.9). Возникает вопрос: под каким же углом надо вводить луч в волокно? Оказывается, что в стеклянных волокнах, показатель преломления которых равен или больше 1,46, все световые лучи, попадающие на торец, направляются вдоль волокна и свет не рассеивается. К ним относятся и волокна из кварцевого стекла, показатель преломления которых как раз равен 1,46.

Однако, «голые» волокна в оптических кабелях не используются. И вот по какой причине. Для сохранения оптических свойств волокна в условиях эксплуатации необходимо защищать его поверхность от влаги и от истирания во время операций намотки и изготовления кабеля. Кроме того, голые стеклянные волокна при образовании на их поверхности микротрещин могут самопроизвольно обрываться; это связано с концентрацией механических напряжений на поверхности волокна. Поэтому стеклянную нить помещают внутрь защитного пластмассового покрытия. Чтобы не нарушить условия распространения световой волны в волокне (пластмасса это не воздух), его делают из двух слоев стекла: внутренний слой образует сердцевину волокна, а внешний слой является оболочкой. Показатель преломления оболочки делают ниже показателя преломления сердцевины, так что практически все световые лучи распространяются внутри сердцевины.

Сделать двухслойное волокно с различными показателями преломления не так уж сложно. Когда на затравочном стержне наращивают слой кварцевого стекла, в нужный момент (т.е. при получении его толщины, соответствующей сердцевине волокна) в газовую смесь, подаваемую в горелку, добавляют присадки, которые изменяют показатель преломления следующего слоя –оболочки. Таким путем можно получить и волокно, состоящее из нескольких слоев с различными показателями преломления.

Оптические волокна, у которых показатель преломления меняется скачком (ступенькой) при переходе от сердцевины к оболочке (или к оболочкам), назвали ступенчатыми.

Обычно показатели преломления сердцевины и оболочки различаются незначительно. Например, если показатель преломления сердцевины n1 = 1,465, то показатель преломления оболочки n2 = 1,460. Расчет по приведенной ранее формуле показывает, что в сердцевину войдут не все лучи, а только те из них, которые подходят к торцу под небольшим углом. Если к тому же сделать сердцевину очень тонкой, скажем 5...10 мкм (это тоньше человеческого волоса), то по ней сможет распространяться всего один луч или, одна мода. Весь же волоконный световод вместе с оболочкой имеет стандартный диаметр – 125 мкм. Такой световод называется одномодовым (рис. 5.10, в). В него лучше направлять острый луч полупроводникового лазера (рис. 5.11), т.к. рассеянный поток света от светодиода ввести в тонкую сердцевину очень трудно.

На практике широко применяются также волокна с толстой сердцевиной – 50...80 мкм (внешний их диаметр оставляют неизменным – 125 мкм). С такими световодами могут уже без особых сложностей «работать» недорогие и изготавливаемые в массовом количестве светодиоды. В связи с тем, что в толстую сердцевину волокна могут войти (и будут распространяться по ней) сразу много лучей (или мод), а не один, как в одномодовом волокне, световод такой конструкции получил название многомодового (рис. 5.10, а).

У читателя может сложиться впечатление, что использовать многомодовое волокно гораздо выгоднее, чем одномодовое: и высокая точность изготовления сердцевины не требуется, и дорогостоящий источник света (полупроводниковый лазер) не нужен, и меньшие сложности возникают при соединении волокон друг с другом и волокна с источником (можно обойтись без специальных разъемов, изготовленных с очень высокой точностью и потому стоящих очень дорого). Однако это не так. У многомодовых светодиодов есть один существенный недостаток, сводящий на нет все их преимущества.

Представьте себе, что по такому волокну передаются импульсы с очень высокой скоростью, например 1 Гбит/с (миллиард бит в секунду). Каждому импульсу соответствует очень короткая вспышка света длительностью 1 нс (миллиардная доля секунды – ее трудно даже себе представить! ). Так должно быть. И так было бы, если бы вдоль волокна распространялся всего один луч. Но в многомодовом волокне распространяется много лучей: один из них проходит более короткий путь – вдоль оси сердцевины, а другие, которым приходится отражаться от боковой поверхности бесконечное число раз, – самый длинный путь. И это разница в пути возрастает с увеличением длины волокна.

За счет опоздавших к «выходу на сцену» лучей световой импульс «размажется» во времени. Сложится такая ситуация: уже давно пора передавать следующий импульс, а еще не «погасли» вспышки света от предыдущего. Чтобы этого не случилось, придется уменьшать скорость передачи до тех пор, пока вспышки света не будут четко отделены одна от другой интервалами времени.

Ограничение скорости передачи цифровой информации – вот основной недостаток многомодовых светодиодов. Предельная скорость передачи по ним – 20 Мбит/с. Зато по одномодовым световодом можно «гнать» информацию со скоростью 100 Гбит/с, т.е. в 5000 раз быстрее.

Для того чтобы реализовать достоинства многомодовых световодов и в то же время повысить скорость передачи информации по ним, ученые предложили делать световоды не ступенчатыми (т.е. не со скачкообразным изменением показателей преломления сердцевины и оболочки), а, как говорят специалисты, градиентными – с плавным изменением показателя преломления сердцевины от одного края до другого (рис. 5.10, б). Такой маневр позволяет в какой-то мере выровнять время хода различных лучей и уменьшить «размывание» (специалисты говорят: дисперсию) световых импульсов. Скорость передачи по таким волокнам возрастает по сравнению со ступенчатыми волокнами в 100 раз, т.е. до 2 Гбит/с. При изготовлении градиентных волокон нужно следить за тем, чтобы количество присадок в газообразной смеси горелки, «отвечающих» за показатель преломления, при осаждении слоя сердцевины непрерывно менялось по нужному закону.

Итак, мы познакомились с различными типами оптических волокон. Но волокна не применяются отдельно. Их объединяют в оптические кабели. По внешнему виду они очень походят на электрические и могут содержать от нескольких десятков до нескольких сотен волокон.

Оптические кабели ни в чем не уступают электрическим! Их можно прокладывать в земле и под водой, подвешивать на опорах, протягивать в кабельных канализациях. Они легко изгибаются – световоды не ломаются даже тогда, когда радиус изгиба очень мал, меньше 1 см; они прочны на разрыв – само волокно из-за его однородности оказалось крепче стальной струны того же диаметра, да и в кабель вводятся специальные упрочняющие (армирующие) элементы; хорошо защищены от влаги и сырости – иначе бы стекло помутнело и изменило свои оптические свойства. Оптические кабели во многом превосходят электрические! Они имеют бoльшую пропускную способность. При одинаковой пропускной способности они в 5–6 раз тоньше и в 10 раз легче электрических. Оптическим кабелям не страшны удары молний, их не разъедает коррозия; на них не влияют ни радиостанции, ни метрополитен; в них не рождаются взаимные помехи. А сколько дефицитной меди экономят эти кабели! Между тем запасы кварцевого стекла в природе практически не ограничены. Без риска ошибиться предречем: за ними будущее.

Сейчас оптические кабели переживают свой «младенческий возраст», но чуть ли не каждый день они находят себе новые применения: связывают между собой города и континенты, соединяют АТС разных районов города, приходят в квартиры жителей.

Контрольные вопросы

Какова конструкция городских (междугородных) медных кабелей связи?

Какие типы радиолиний вы знаете?

Как получают оптическое волокно?

Какие существуют типы оптических волокон?

Каким образом цифровой сигнал вводится в оптическое волокно?

В чем преимущества оптических кабелей по сравнению с медными?

Список литературы

Крук Б.И., Попов Г.Н. …И мир загадочный за занавесом цифр: Цифровая связь. – 2-е изд., испр. – Новосибирск: ЦЭРИС, 2001. – 264 с.

Белоруссов Н.И. Электрические кабели, шнуры и провода. Справочник. – М.: Энергоатомиздат. 1988. – 536 с.

Семенов А.Б. и др. Структурированные кабельные системы. – М.: Компьютер Пресс, 1999. – 421 с.

Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: ЭКО-Трендз, 1998. – 266 с.

Скляров О.К. Современные волоконно-оптические системы передачи. – М.: СОЛОН-Р, 2001. – 237 с.

6. Виды модуляции

Принципы передачи сигналов электросвязи

Перенос сигнала из одной точки пространства в другую осуществляет система электросвязи. Электрический сигнал является, по сути, формой представления сообщения для передачи его системой электросвязи.

Источник сообщения (рис.6.1) формирует сообщение а(t), которое с помощью специальных устройств преобразуется в электрический сигнал s(t). При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передаче изображения – электронно-лучевая трубка, при передаче телеграммы – передающая часть телеграфного аппарата.

Чтобы передать сигнал в системе электросвязи, нужно воспользоваться каким-либо переносчиком. В качестве переносчика естественно использовать те материальные объекты, которые имеют свойство перемещаться в пространстве, например, электромагнитное поле в проводах (проводная связь), в открытом пространстве (радиосвязь), световой луч (оптическая связь). На рис. 6.2 показано использование шкалы частот и волн различных типов для различных видов связи.

Таким образом, в пункте передачи (рис.6.1) первичный сигнал s(t) необходимо преобразовать в сигнал v(t), удобный для его передачи по соответствующей среде распространения. В пункте приема выполняется обратное преобразование. В отдельных случаях (например, когда средой распространения является пара физических проводов, как в городской телефонной связи) указанное преобразование сигнала может отсутствовать.

Доставленный в пункт приема сигнал должен быть снова преобразован в сообщение (например, с помощью телефона или громкоговорителя при передаче речи, электронно-лучевой трубки при передаче изображения, приемной части телеграфного аппарата при передаче телеграммы) и затем передан получателю.

Передача информации всегда сопровождается неизбежным действием помех и искажений. Это приводит к тому, что сигнал на выходе системы электросвязи и принятое сообщение могут в какой-то мере отличаться от сигнала на входе s(t) и переданного сообщения a(t). Степень соответствия принятого сообщения переданному называют верностью передачи информации.

Для различных сообщений качество их передачи оценивается по-разному. Принятое телефонное сообщение должно быть достаточно разборчивым, абонент должен быть узнаваемым. Для телевизионного сообщения существует стандарт (хорошо известная всем телезрителям таблица на экране телевизора), по которому оценивается качество принятого изображения.

Количественной оценкой верности передачи дискретных сообщений служит отношение числа ошибочно принятых элементов сообщения к числу переданных элементов – частость ошибок (или коэффициент ошибок).

Амплитудная модуляция

Обычно в качестве переносчика используют гармоническое колебание высокой частоты – несущее колебание. Процесс преобразования первичного сигнала заключается в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения первичного сигнала (т.е. в наделении несущего колебания признаками первичного сигнала) и называется модуляцией.

Запишем гармоническое колебание, выбранное в качестве несущего, в следующем виде:

. (6.1)

Это колебание полностью характеризуется тремя параметрами: амплитудой V, частотой w и начальной фазой j. Модуляцию можно осуществить изменением любого из трех параметров по закону передаваемого сигнала.

Изменение во времени амплитуды несущего колебания пропорционально первичному сигналу s(t), т.е. V(t) = V + kAM s(t), где kAM – коэффициент пропорциональности, называется амплитудной модуляцией (АМ).

Несущее колебание с модулированной по закону первичного сигнала амплитудой равно: v(t) = V(t)cos(wt + j). Если в качестве первичного сигнала использовать то же гармоническое колебание (но с более низкой частотой W) s(t) = ScosWt, то модулированное колебание запишется в виде (для упрощения взято j = 0): v(t) = (V + kAMScosWt)coswt.

Вынесем за скобки V и обозначим DV = kAMS и МАМ = = DV/V. Тогда

. (6.2)

Параметр МАМ = DV/V называется глубиной амплитудной модуляции. При МАМ = 0 модуляции нет и v(t) = v0(t), т.е. получаем немодулированное несущее колебание (2.1). Обычно амплитуда несущего выбирается больше амплитуды первичного сигнала, так что МАМ 1.

На рис. 6.3 показана форма передаваемого сигнала (а), несущего колебания до модуляции (б) и модулированного по амплитуде несущего колебания (в).

Произведя в (6.2) перемножение, получим, что амплитудно-модулированное колебание

состоит из суммы трех гармонических составляющих с частотами w, w + W и w – W и амплитудами соответственно V, MAMV/2 и MAMV/2. Таким образом, спектр амплитудно-модулированного колебания (или АМ-колебания) состоит из частоты несущего колебания и двух боковых частот, симметричных относительно несущей, с одинаковыми амплитудами (рис. 6.4, б). Спектр первичного сигнала s(t) приведен на рис. 6.4, а.

Если первичный сигнал сложный и его спектр ограничен частотами и (рис. 6.4, в), то спектр АМ-колебания будет состоять из несущего колебания и двух боковых полос, симметричных относительно несущей (рис. 6.4, г).

Анализ энергетических соотношений показывает, что основная мощность АМ колебания заключена в несущем колебании, которое не содержит полезной информации. Нижняя и верхняя боковые полосы несут одинаковую информацию и имеют более низкую мощность.

Угловая модуляция

Можно изменять во времени пропорционально первичному сигналу s(t) не амплитуду, а частоту несущего колебания:

, (6.3)

где – коэффициент пропорциональности; величина – называется девиацией частоты (фактически это максимальное отклонение частоты модулированного сигнала от частоты несущего колебания).

Такой вид модуляции называется частотной модуляцией. На рис. 6.5 показано изменение частоты несущего колебания при частотной модуляции.

При изменении фазы несущего колебания получим фазовую модуляцию

, (6.4)

где – коэффициент пропорциональности; – индекс фазовой модуляции.

Между частотной и фазовой модуляцией существует тесная связь. Представим несущее колебание в виде

, (6.5)

где j – начальная фаза колебания, а Y(t) – его полная фаза. Между фазой Y(t) и частотой w существует связь:

. (6.6)

Подставим в (6.6) выражение (6.3) для w(t) при частотной модуляции:

.

Величина называется индексом частотной модуляции.

Частотно-модулированное колебание запишется в виде:

. (6.7)

Фазо-модулированное колебание с учетом (6.4) для j(t) следующее:

. (6.8)

Из сравнения (6.7) и (6.8) следует, что по внешнему виду сигнала v(t) трудно различить, какая модуляция применена – частотная или фазовая. Часто оба эти вида модуляции называют угловой модуляцией, а МЧМ и МФМ – индексами угловой модуляции.

Несущее колебание, подвергнутое угловой модуляции (6.7) или (6.8), можно представить в виде суммы гармонических колебаний:

Здесь М – индекс угловой модуляции, принимающий значение МЧМ при ЧМ и МФМ при ФМ. Амплитуды гармоник в этом выражении определяются некоторыми коэффициентами, значения которых при различных аргументах приводятся в специальных справочных таблицах. Чем больше М, тем шире спектр модулированного колебания.

Таким образом, спектр модулированной несущей при угловой модуляции даже при гармоническом первичном сигнале s(t) состоит из бесконечного числа дискретных составляющих, образующих нижнюю и верхнюю боковые полосы спектра, симметричные относительно несущей частоты и имеющие одинаковые амплитуды (рис. 6.6).

В случае, если первичный сигнал s(t) имеет форму, отличную от синусоидальной, и занимает полосу частот от до , то спектр модулированного колебания при угловой модуляции будет иметь еще более сложный вид.

Иногда отдельно рассматривают модуляцию гармонического несущего колебания по амплитуде, частоте или фазе дискретными первичными сигналами s(t), например телеграфными или передачи данных. На рис. 6.7 показан дискретный первичный сигнал (а), несущее колебание, модулированное по амплитуде (б), частоте (в) и фазе (г).

Модуляцию гармонического несущего колебания первичным сигналом s(t) называют непрерывной, так как в качестве переносчика выбран непрерывный периодический сигнал .

Сравнение различных видов непрерывной модуляции позволяет выявить их особенности. При амплитудной модуляции ширина спектра модулированного сигнала, как правило, значительно меньше, чем при угловой модуляции (частотной и фазовой). Таким образом, налицо экономия частотного спектра: для амплитудно-модулированных сигналов можно отводить при передаче более узкую полосу частот. Как будет показано дальше, это особенно важно при построении многоканальных систем передачи.

Импульсная модуляция

Часто в качестве переносчика используют периодическую последовательность сравнительно узких импульсов. Последовательность прямоугольных импульсов одного знака характеризуется параметрами (рис. 6.8): амплитудой импульсов V; длительностью (шириной) импульсов ; частотой следования (или тактовой частотой) , где Т – период следования импульсов ( ); положением (фазой) импульсов относительно тактовых (отсчетных) точек. Отношение называется скважностью импульса.

По закону передаваемого первичного сигнала можно изменять (модулировать) любой из перечисленных параметров импульсной последовательности. При этом модуляция называется импульсной.

В зависимости от того, какой параметр модулируется первичным сигналом s(t), различают: амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), когда по закону передаваемого сигнала (рис. 6.8, а) изменяется амплитуда импульсов (см. рис. 6.8, б); широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), когда изменяется ширина импульсов (рис. 6.8, в); частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ) – изменяется частота следования импульсов (см. рис. 6.8, г); фазо-импульсную модуляцию (ФИМ) – изменяется фаза импульсов, т.е. временнoе положение относительно тактовых точек (см. рис. 6.8, д).

Модуляцию ФИМ и ЧИМ объединяют во временно-импульсную (ВИМ). Между ними существует связь, аналогичная связи между фазовой и частотной модуляцией синусоидального колебания.

Рис. 6.10. Спектр АИМ-сигнала

В качестве примера на рис. 6.10 показан спектр АИМ сигнала при модуляции импульсной последовательности сложным первичным сигналом s(t) с полосой частот от 0 до W. Он содержит спектр исходного сигнала s(t), все гармоники тактовой частоты (т.е. частоты и т.д.) и боковые полосы частот около гармоник тактовой частоты.

Спектры сигналов ШИМ, ЧИМ и ФИМ имеют еще более сложный вид.

Импульсные последовательности, изображенные на рис. 6.8, называются последовательностями видеоимпульсов. Если позволяет среда распространения, то видеоимпульсы передаются без дополнительных преобразований (например, по кабелю). Однако по радиолиниям передать видеоимпульсы невозможно. Тогда сигнал подвергают второй ступени преобразования (модуляции).

Модулируя с помощью видеоимпульсов гармоничное несущее колебание достаточно высокой частоты, получают радиоимпульсы, которые способны распространятся в эфире. Полученные в результате сочетания первой и второй ступеней модуляции сигналы могут иметь названия АИМ–АМ, ФИМ–АМ, ФИМ–ЧМ и др.

Сравнение импульсных видов модуляции показывает, что АИМ имеет меньшую ширину спектра по сравнению с ШИМ и ФИМ. Однако последние более устойчивы к воздействию помех. Для обоснования выбора метода модуляции в системе передачи необходимо сравнить эти методы по различным критериям: энергетическим затратам на передачу сигнала, помехоустойчивости (способности модулированных сигналов противостоять вредному воздействию помех), сложности оборудования и др.

Контрольные вопросы

1. Какова структура устройства передачи сообщений?

2. В чем состоит принцип амплитудной (частотной, фазовой) модуляции?

3. Чем отличается непрерывная модуляция от импульсной?

4. Как осуществляется восстановление исходного сигнала из модулированного?

Список литературы

1. Системы электросвязи: Учебник для вузов; Под ред. В.П.Шувалова. – М.: Радио и связь, 1987. – 512 с.

2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2000. – 462 с.

7. Методы коммутации в сетях электросвязи

Организация связи в распределенных сетях базируется на принципах коммутации и реализуется в узлах, соединяющих два или несколько входящих и исходящих каналов в требуемых направлениях. В целом задачу распределения информационных потоков выполняет система коммутации, состоящая из собственно сети, коммутационных станций или узлов коммутации (УК), системы подключения пользователей и оконечных пунктов (ОП). Наиболее важную роль в ней играют УК, обеспечивающие установление, поддержание и разъединение соединений между терминалами (телефонными аппаратами, компьютерами и т.п.), каждому из которых присвоен адрес (номер).

Известны два основных принципа коммутации: непосредственное соединение и соединение с накоплением информации. При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в УК каналов с соответствующими адресу исходящими каналами. При соединении с накоплением сообщений сигналы из входящих в УК-каналов сначала записываются в запоминающем устройстве, откуда через определенный промежуток времени поступают в исходящие каналы.

Необходимость в соединении с накоплением возникает в силу разных причин. Главной из них является то, что в момент прихода сигнала по входящему в УК каналу, требуемый исходящий канал может оказаться занятым передачей информации от другого источника.

В таком случае возникают альтернативные решения: первое – уведомить источник сообщений о невозможности установления требуемого соединения в данный момент, второе – запомнить входящее сообщение и передать его в исходящий канал после его освобождения от передачи предыдущего сообщения. Заметим, что системы, построенные по первому принципу, получили название систем с отказами, а построенные по второму принципу – систем с ожиданием. Необходимо иметь в виду, что поскольку получение источником сообщений (ИС) отказа в установлении соединения не освобождает его от необходимости передачи сообщения, то ИС оказывается вынужденным повторять попытки установления соединения до получения положительного результата. Так как подлежащая передаче информация все это время хранится в памяти ИС, то различие между рассматриваемыми принципами коммутации заключается не в том, что в первом случае запоминающее устройство отсутствует, а в том, что оно находится в ИС (в первом случае), т.е. децентрализованно, а во втором случае – в УК, т.е. централизованно. Это различие в месте и способе хранения существенным образом влияет на услуги, оказываемые абонентам сети с различными методами распределения информации.

Принцип непосредственного соединения реализуется в системе коммутации каналов (КК). Под коммутацией каналов понимается совокупность операций по соединению каналов для получения сквозного канала, связывающего через узлы коммутации один ОП с другим. При этом выражение «соединение каналов» следует понимать не только в смысле физического соединения, но и более широко – как занятие, резервирование средств передачи и коммутации для пары взаимодействующих ОП во время сеанса связи. Таким образом, при коммутации каналов сначала организуется сквозной канал передачи сообщений между взаимодействующими абонентами через узлы коммутации, а затем осуществляется передача сообщений.

До тех пор пока взаимосвязанные абоненты не сообщат о своем решении ликвидировать установленное соединение, выделенные ресурсы сети находятся в их монопольном владении независимо от того, используются ли они в данный момент или нет.

Такой режим имеет определенное достоинство, связанное с тем, что после организации соединения абоненты могут вести передачу в любое время независимо от нагрузки, поступающей от других абонентов. Кроме того, передачи осуществляются с фиксированной задержкой, т.е. может быть реализован режим передачи в реальном масштабе времени, что особенно важно при работе в режиме диалога (переговоров двух абонентов или обмене информацией между двумя компьютерами).

Однако этот метод имеет и недостатки, главным из которых является плохое использование ресурсов сети, в частности каналов, если взаимодействующие абоненты недостаточно активны и между передачами сообщений наблюдаются длительные паузы. В реальных системах передачи сообщений доля пауз может быть достаточно большой. Даже в телефонных каналах речь занимает менее половины времени, а при передаче данных при диалоговом обмене человека и компьютера полезная нагрузка составляет единицы процентов от выделенной пропускной способности.

Для повышения эффективности использования пропускной способности трактов сети в таких диалоговых системах и были разработаны методы коммутации, при которых пропускная способность сети не закрепляется на все время сеанса связи двух абонентов, а представляется им лишь по мере необходимости при появлении у них сообщений для передачи.

Коммутацией с накоплением называется совокупность операций при приеме на УК сообщения или его части, накопления и последующей передачи сообщения или его части в соответствии с содержащимся в нем (ней) адресом.

В сети с КК (рис. 7.1) процесс передачи состоит из следующих операций:

 

– вызывающий абонент Абn с помощью вызывного устройства посылает по абонентской линии в узел КК заявку на соединение с абонентом Абm, содержащую условный адрес вызываемого абонента;ппаратура коммутации узла КК по полученной заявке осуществляет соединение абонентской линии Аб.линn с абонентской линией Аб.линm, если абоненты принадлежат одному узлу КК, или соединительной линией между узлами, к которым принадлежат абоненты (сквозной канал может быть организован через несколько промежуточных узлов КК, где осуществляется аналогичная коммутация);

– после организации сквозного канала связи абонент Абm получает из узла КК сигнал вызова, а абонент Абn – сигнал установления соединения;

– происходит передача информации между абонентами, при этом обмен может быть одно- и двусторонним, так как обычно коммутируются двусторонние каналы связи;

– после завершения сеанса передачи информации и получения от абонента сигнала отбоя аппаратура коммутации узлов КК разрушает ранее установленные соединения каналов.

При отсутствии свободного канала либо его неисправности на любом из участков в заданном направлении или отсутствии свободных станционных устройств в УК соединение абонентов не может быть установлено и узел коммутации посылает Абn сигнал отказа в обслуживании (сигнал занятости). Для установления соединения Абn должен повторить заявку на соединение. Такой способ обслуживания, при котором вызов (заявка на соединение), поступивший в момент отсутствия свободных линий, или станционных устройств, получает отказ (теряется), называется обслуживанием с потерями.

При системе коммутации с накоплением (КН) ОП имеет постоянную прямую связь со своим УК (иногда с несколькими) и передает на него информацию. Затем эта информация поэтапно передается через узлы коммутации другим абонентам, причем в случае занятости исходящих каналов информация запоминается в узлах и передается по мере освобождения каналов в нужном направлении. Известны две разновидности системы с накоплением: система коммутации сообщений (КС) и система коммутации пакетов (КП). В сети с КС (см. рис. 7.1) процесс передачи следующий:

 

– вызывающий абонент Абn передает в узел коммутации подлежащее передаче сообщение вместе с условным адресом абонента Абm;

– в узле КС сообщение запоминается и по его адресу определяется канал, по которому оно должно быть передано;

– если канал к соседнему узлу КС свободен, то сообщение немедленно передается на соседний узел КС, в котором повторяется та же операция;

– если канал к соседнему узлу КС занят, то сообщение хранится в устройствах памяти вплоть до освобождения канала;

– хранящиеся сообщения устанавливаются в очередь по направлениям передачи с учетом категории срочности.

Такой способ обслуживания, при котором заявка, поступившая в момент отсутствия свободных линий или приборов, ожидает их освобождения, называется обслуживанием с ожиданием.

Метод КС нашел применение на телеграфных сетях общего пользования.

Метод коммутации пакетов (см. рис. 7.1) по своей идеологии совпадает с методом КС и отличается лишь тем, что длинные сообщения передаются не целиком, а разбиваются на относительно короткие части – пакеты. Различают два способа (режима) передачи пакетов: режим виртуальных соединений и датаграммный.

Очевидно, что у каждого из рассмотренных методов коммутации имеется своя область применения, обусловленная его особенностями. Отсюда следует целесообразность сочетания разных методов коммутации на сетях, объединяющих большое число абонентов с отличающимися друг от друга величинами нагрузки, характером ее распределения во времени, объемами сообщений, используемой оконечной аппаратурой. На таких сетях при небольшой средней нагрузке и передаче сообщений большими массивами в небольшое число адресов доля потери времени на установление соединения сравнительно невелика и предпочтительнее использовать систему с КК. При передаче же многоадресных сообщений, необходимости обеспечения приоритетности сообщениям высокой категории срочности и при большой загрузке абонентских установок более эффективно использовать систему с КС. При передаче коротких сообщений в интерактивном (диалоговом) режиме наиболее целесообразно использовать КП.

В заключение заметим, что выбор методов коммутации – достаточно сложная оптимизационная задача. Она решается исходя из требований к транспортной сети, которые в свою очередь определяются особенностями трафика, классом пользователей и показателями качества их обслуживания.

Контрольные вопросы

1. Какие методы коммутации используются в сетях связи?

2. В чем отличие метода коммутации сообщений и метода коммутации пакетов?

Список литературы

1. Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк Л.М. Теория передачи сигналов. – М.: Радио и связь. 1986. – 304 с.

2. Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов. – М.: Сов. радио, 1979. – 278 с.

3. Липкин И.А. Основы статистической радиотехники, теории информации и кодирования. – М.: Сов. радио, – 1978. – 240 с.

4. Передача дискретных сообщений. / В.П. Шувалов, Н.В. Захарченко, В.О. Шварцман и др.; Под ред. В.П. Шувалова. Учеб. для вузов. – М.: Радио и связь, 1990. – 464 с.

5. ГОСТ 17657-79. Передача данных. Термины и определения.

6. Дузаров О. Протокол сжатия данных для модемов V.42bis // Модемы: Разработка и использование в России. Технология электронных коммутаций. – М., 1996. – Т.62.

7. Кловский Д.Д. Передача дискретных сообщений по радиоканалам. – М.: Радио и связь, 1982. – 304 с.

Системы связи / В.Н. Васильев, А.П. Буркин, В.А. Свириденко: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. школа., 1987. – 280 с.

8. Телефонная связь

Требования, предъявляемые к телефонным службам

Пользователи предъявляют следующие требования к телефонным службам:

1) прозрачный физический канал из конца в конец (от одной абонентской установки до другой) должен предоставляться на требуемое время сеанса;

2) физический канал (в дальнейшем – канал) из конца в конец может состоять из одного или нескольких звеньев, соединенных в узлах коммутации (УК) последовательно;

3) звенья могут быть образованы каналами тональной частоты (КТЧ) систем передачи (СП) с частотным разделением каналов (ЧРК) или каналами СП с временным разделением каналов (ВРК);

4) каналы сети с КК общего пользования (ОП) являются общим ресурсом, используемым всеми пользователями;

5) длительность сеанса передачи информации должна зависеть исключительно от пользователя;

6) сеть должна поддерживать целостность физического канала из конца в конец (в современных цифровых сетях, использующих специальную подсеть сигнализации, обеспечивается восстановление канала при его несанкционированном разрушении);

7) для создания канала из конца в конец сеть должна обеспечить обмен сигнализацией по способу «от звена к звену» (элементами сигнализации являются абонентская, внутристанционная и межстанционная; в состав сигналов системы сигнализации входят линейные, адресные (регистровые) и информационные);

8) качество предоставления сетевых ресурсов должно оцениваться долей блокировок (потерь), блокировки возникают при занятости ресурсов, требуемых пользователем, или допустимым временем ожидания.

Предоставление канала «из конца в конец» эффективно не только для передачи речевой информации, но и для массовых данных: массивов большого объема (файлов), факсимильных сообщений, цифровых видеосигналов. Такие данные создают пользовательские установки с непрерывным потоком данных, готовых к передаче.

Телефонные сети предоставляют пользователям тракт для передачи информации с задержкой в 10–20 секунд, определяемой временем набора номера вызываемого абонента и установления соединения каналов на станциях и узлах.

Сигнализация в телефонной сети

Во время установления соединения передаются сигнальные сообщения между пользовательской установкой и узлом коммутации (УК), куда она включена, и между УК. Пример сигнализации в телефонной сети показан на рис. 8.1. Сигнальные сообщения могут передаваться двумя способами. Традиционной в телефонных сетях является децентрализованная сигнализация. При таком способе сигнальные сообщения передаются по тому же каналу, который используется для передачи информации пользователя (речевой или данных) или по специальному сигнальному каналу, проложенному параллельно информационному. В цифровых сетях используется так называемая централизованная сигнализация, сущность которой состоит в том, что сигнальные сообщения многих пользователей передаются по общему для них каналу сигнализации (ОКС). В ОКС сообщения передаются в форме пакетов постоянной или переменной длины.

На рис. 8.1 показана последовательность передачи сигналов в стыке «абонент-сеть» и при межстанционной связи. В телефонных сетях необходимо передавать три вида сигналов в процессе установления и разъединения физических соединений: линейные (л), определяющие состояние устройств сети; адресные (а), определяющие маршрут в сети к оконечному устройству вызываемого абонента; информационные (и) или тональные, оповещающие абонентов об этапах (фазах) установления соединения.

Алгоритм установления соединения в телефонной сети

Любая станция должна уметь интерпретировать поступающие линейные и адресные сигналы и генерировать необходимые сигналы для взаимодействия с другими элементами сети. Процесс обработки вызовов включает следующие операции:

 

1) обнаружение изменения состояния любой абонентской или соединительной линии. Изменение состояния может быть связано с сигналами адресной информации или линейными. Адресные сигналы могут передаваться импульсами постоянного тока, тональными сигналами набора номера или многочастотными сигналами;

2) генерирование выходных сигналов. С помощью этих сигналов абоненты оперативно оповещаются о процессе соединения или разъединения и обеспечивается взаимодействие при межстанционной связи;

3) выбор пути (маршрута) через коммутационное поле станции;

4) установление разговорного тракта в коммутационном поле и его разъединение.

Обычная последовательность процессов на станции (независимо от типа – электромеханическая, электронная, цифровая) при успешном соединении такова:

 

а) обнаружение запроса ресурсов станции от абонента или соединительной линии (канала);

б) поиск требуемых ресурсов (например, приёмника цифр набора номера);

в) оповещение абонента о предоставлении ресурсов (например, информационным сигналом «ответ станции»);

г) приём и накопление цифр номера, прекращение передачи сигнала «ответ станции»;

д) передача линейных и адресных сигналов в соединительную линию или канал межстанционной связи;

е) установление разговорного тракта в коммутационном поле станции;

ж) определение состояния линии вызываемого абонента;

з) генерирование посылки вызова (ПВ), если линия свободна;

и) генерирование сигнала «контроль посылки вызова» (КПВ);

к) обнаружение ответа вызываемого абонента, прекращение ПВ и КПВ.

Система обслуживания вызовов (заявок)

Если на УК не создаются очереди ожидания освобождения каналов, то имеет место система обслуживания с отказами. В таких сетях (или на участках сетей) качество предоставления услуг оценивается вероятностью отказа. На УК некоторых телефонных сетей, например междугородных и международных, для отдельных категорий пользователей организуют очереди ожидания освобождения каналов. Обычно количество мест ожидания для одного направления связи невелико, а время ожидания ограничено десятками секунд. На УК, где организуются очереди, качество предоставления услуг оценивается вероятностью ожидания более заданного времени.

Место телефонной сети общего пользования РФ в международном телекоммуникационном пространстве

Положение телефонной сети общего пользования (ТФ–ОП) в современном телекоммуникационном пространстве определяется двумя параметрами: телефонной плотностью (ТП) и количеством основных телефонных аппаратов (ОТА). Под ОТА понимается количество основных абонентских линий, соединенных с АТС. По количеству ОТА Россия занимает шестое место в мире (после США – 143 млн., Японии – 59 млн., Германии – 35 млн., Франции – 33 млн. и Англии – 32 млн.). По ТП Россия замыкает четвертый десяток стран мира. Самую низкую ТП в первой десятке имеет Испания (36 %). Телефонная плотность является интегральным показателем развития любой страны. Она отражает состояние сети связи и косвенно характеризует качественный уровень сети. С ростом ТП практически во всех странах наблюдаются следующие изменения: переход от аналоговых систем передачи и коммутации к цифровым, расширяется количество служб и предоставляемых услуг, усложняются терминалы пользователей (они становятся многофункциональными), сеть эволюционирует от аналоговой к аналого-цифровой, затем к цифровой и интеллектуальной.

Услуги, предоставляемые общегосударственной системой автоматизированной телефонной связи

Общегосударственная система автоматизированной телефонной связи (ОГСТфС) предназначена для удовлетворения населения и предприятий в передаче сообщений пользователей как в пределах страны, так и при выходе на международную телефонную сеть. ОГСТфС предоставляет два вида услуг: услуги доставки (передачи) информации и специальные. К услугам доставки информации относятся: передача сообщений – речевых, факсимильных, электронной почты, данных. Эти услуги предоставляются техническими службами, использующими физические ресурсы сети. К специальным услугам относят информационно-справочные, заказные и дополнительные. Их предоставляют службы сервиса автоматически или с помощью оператора. К службам сервиса Госкомитета РФ по связи и информатизации относятся, например, такие:

 

– справочная местной телефонной сети (предоставляет справки о номерах телефонов абонентов местной сети),

– справочная точного времени,

– заказная междугородной телефонной сети МТС (принимает и оформляет заказы на междугородные и международные телефонные переговоры),

– справочная междугородной и международной сети,

– заказная телеграфа (принимает по телефону тексты телеграмм),

– заказная ремонта местной телефонной сети,

– заказная ремонта таксофонов.

Дополнительные услуги (их также называют дополнительными видами обслуживания ДВО) могут предоставляться общесетевыми службами или службой той станции, куда подключена линия абонента, программно-аппаратными средствами станции или сети. К ДВО относятся, например, такие:

 

– сокращенный набор номера вызываемого абонента,

– передача входящего вызова на другой аппарат (переадресация),

– предоставление возможности получить справку во время разговора с одним из пользователей (с возможностью возврата к прежнему собеседнику без повторного набора его номера),

– конференц-связь трех и более пользователей,

– прямой вызов (соединение без набора номера).

Контрольные вопросы

1. Подвергаются ли обработке сообщения пользователей в телефонных сетях?

2. Каким показателем оценивается качество предоставления сетевых ресурсов в телефонных сетях?

3. Назовите виды сигналов, передаваемых между пользовательской установкой и сетью или между станциями телефонной сети.

4. Назовите отличия централизованной сигнализации от децентрализованной.

5. Поясните процесс обработки вызова на станции телефонной сети при успешном соединении.

6. Охарактеризуйте место ТФ–ОП РФ в международном телекоммуникационном пространстве.

7. Охарактеризуйте службы сервиса Министерства связи РФ.

8. Приведите примеры ДВО, предоставляемых службами станции или телефонной сети.

Список литературы

1. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – М.: Наука, 1964. – 576 с.

2. Концепция развития связи Российской Федерации / Под ред. В.Б. Булгака и Л.Е. Варакина. – М.: Радио и связь, 1995. – 224 с.

3. Мизин И.А. О концепции создания Российской общегосударственной и региональных интегрированных сетей передачи информации // Электросвязь. – 1997. – № 12. – с. 2–9.

4. МККТТ. Синяя книга. Телефонная служба и ЦСИС. – Качество обслуживания, управление сетью и расчет нагрузки. Рекомендации Е.401 – Е.880. IX ПЛЕНАРНАЯ АССАМБЛЕЯ. – Мельбурн. – 1988. – Т. II – вып. II.3.

5. Эллдин А., Линд Г. Основы теории телетрафика. – М.: Связь, 1972. – 199 с.

9. Документальная электросвязь

Сети телеграфной связи

Телеграфная сеть России состоит из следующих трех коммутируемых сетей:

 

1) общего пользования (ОП), по которой передаются телеграммы, принятые в городских отделениях связи (ГОС), районных узлах связи (РУС) или непосредственно на телеграфных узлах и доставляемые адресатам (учреждениям, предприятиям, частным лицам);

2) абонентского телеграфирования (АТ), по которой передаются телеграммы или организуются телеграфные переговоры между установленными у абонентов этой сети оконечными абонентскими установками;

3) международного абонентского телеграфирования «Телекс», по которой передаются телеграммы или организуются телеграфные переговоры между оконечными установками абонентов этой сети, находящихся в нашей стране и за ее рубежом.

Кроме перечисленных, в состав телеграфной сети страны входит сеть некоммутируемых (арендованных) каналов.

Сеть общего пользования. Сеть общего пользования предусматривает организацию по всей стране отделений связи, куда отправители сдают телеграммы и которые обеспечивают доставку телеграмм непосредственно получателю. Телеграмма может быть адресована в любой населенный пункт страны, где имеются отделение или узел связи.

Сеть абонентского телеграфирования. Телеграфная связь общего пользования не в полной мере удовлетворяет запросы предприятий и учреждений, нуждающихся в оперативной связи с получением незамедлительных обратных сообщений. Телеграммы, как правило, накапливаются, прежде чем курьер предприятия доставляет их в отделение связи. Процесс передачи и последующей доставки телеграмм адресату также требует определенного времени. Большое число телеграмм, доставляемых в отделение связи к концу рабочего дня от предприятий и учреждений, создает значительные пики нагрузки на сети ОП, что замедляет прохождение телеграмм от отправителя до адресата.

Перечисленные недостатки системы ОП отсутствуют в системе абонентского телеграфирования (АТ), в основу которой положен принцип максимального приближения услуг телеграфа к предприятиям и учреждениям. Это достигается установкой оконечных телеграфных аппаратов непосредственно в предприятиях и учреждениях. Предприятие, имеющее такой аппарат, включенный через соединительную линию в коммутационные станции сети АТ, становится абонентом этой сети, которому предоставляются возможности:

 

– получения по немедленной системе соединения с любым другим абонентом этой сети и ведения с ним телеграфного переговора в режиме поочередной двухсторонней связи;

– передачи телеграмм другим абонентам сети АТ независимо от присутствия обслуживающего персонала у приемного аппарата;

– соединения со станционным аппаратом своего узла коммутации для передачи сообщения абонентам, не включенным в сеть АТ (например, абонентам сети ПС);

– приема информации, поступившей от абонента другой сети через местный узел коммутации.

Развитие сети АТ приводит к значительной разгрузке сети общего пользования и в первую очередь от транзитной коррес­понденции. В существенной степени снимаются пики нагрузки, определяющиеся телеграммами, поступившими от предприятия к концу рабочего дня.

Разновидность абонентского телеграфа– международный або­нентский телеграф «Телекс», предназначенный для обеспечения документальной связью абонентов, передающих сообщения в другие страны. На сети «Телекс» набор номера абонента обычно осуществляется с клавиатуры телеграфного аппарата.

При этом телеграфный аппарат вызывающего абонента включается сразу же после сигнала вызова. Набор номера вызываемого абонента осуществляется путем передачи на узел коммутации стартстопных комбинаций. Все сигналы, поступающие со станции на аппарат абонента, также передаются стартстопными сигналами («Ответ станции», «Соединение», «Занято» и др.).

Основы факсимильной связи

Факсимильная связь - область электросвязи, которая занимается передачей неподвижных изображений по каналам электрической связи, называется факсимильной связью.

Принципы факсимильной передачи сообщений.

Передаваемое изображение – оригинал – разбивается на элементарные площадки. Яркость этих площадок при отражении (или пропускании) падающего на них светового потока преобразуется в электрические импульсы, которые в определенной последовательности передаются по каналу связи. На приеме эти электрические сигналы в той же последовательности преобразуются в соответствующие элементы изображения на каком-либо носителе записи. В результате получается копия изображения (факсимиле).

Любое изображение можно рассматривать как совокупность большого числа элементов, способных в различной степени отражать падающий на них свет. Образование элементарных площадок (растр-элементов) происходит за счет перемещения по поверхности изображения светового луча, создаваемого светооптической системой. Процесс перемещения луча называется разверткой, в результате действия которой изображение разбивается на строки. Отраженный световой поток попадает на фотоэлектрический преобразователь, выходной электрический сигнал которого повторяет форму входного светового сигнала. Узлы передающей аппаратуры, обеспечивающие развертку изображения и фотоэлектрическое преобразование, объединяются в группу анализирующих устройств.

В приемном аппарате осуществляется обратное преобразование переданных электрических сигналов в той же последовательности, что и на передаче. Соответствующие электрические (или преобразованные световые) сигналы вызывают окрашивание элементарных площадок на поверхности носителя записи. В результате записанное построчно изображение – копия переданного. Совокупность устройств, осуществляющих эти преобразования, объединяется в группу синтезирующих устройств.

Какое бы изображение не передавалось по каналу связи, сигнал на выходе фотоэлектрического преобразователя является аналоговым, т.е. непрерывным по уровню и времени видеосигналом. В аналоговых аппаратах факсимильной связи этот сигнал после усиления переносится в область высоких частот и непосредственно передается в линию связи.

В цифровых факсимильных системах аналоговый сигнал подвергается квантованию, дискретизации по времени и кодированию. После этих преобразований цифровой сигнал по своей структуре ничем не отличается от аналогичных сигналов систем передачи данных. Современные факсимильные аппараты – как правило, цифровыми.

Контрольные вопросы

1. Что такое телеграфная сеть общего пользования?

2. Какие возможности предоставляет сеть абонентского телеграфа и сеть Телекс?

3. Перечислите основные направления развития документальной электросвязи.

4. Поясните сущность факсимильной передачи сообщений.

5. В чем состоит основной недостаток факсимильного способа передачи данных и в чем его достоинства?

Список литературы

1. Живлюк К.С. Принципы модернизации телеграфных связей // Вестн. связи. – 1997. – № 2.

2. Концепция развития документальной электросвязи. – М.: Министерство связи Российской Федерации, 1995.

3. Альтергот А.В., Панфилов Д.И., Шаронин С.Г. Факсимильная связь на базе компьютерной телефонии // Сети. – 1997. – № 1. – С. 58–64.

4. Передача дискретных сообщений: / В.П. Шувалов, Н.В. Захарченко, В.О. Шварцман и др.; Под ред. В.П. Шувалова. Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1990. – 464 с.

10. Единая автоматизированная сеть связи и Взаимоувязанная сеть связи

Взаимоувязанная сеть связи Российской Федерации

Взаимоувязанная сеть связи Российской Федерации представляет собой комплекс технологически сопряженных сетей связи общего пользования и ведомственных сетей электросвязи на территории Российской Федерации, обеспеченный общим централизованным управлением, независимо от ведомственной принадлежности и форм собственности.

Развитие и совершенствование взаимоувязанной сети связи Российской Федерации осуществляются с учетом технологического единства всех сетей и средств электросвязи в интересах их комплексного использования, повышения эффективности и устойчивости функционирования.

Государство в соответствии с федеральной программой развития взаимоувязанной сети связи Российской Федерации за счет средств федерального бюджета и средств бюджетов субъектов Российской Федерации оказывает поддержку предприятиям связи в реализации федеральных и региональных программ, проведении мероприятий по повышению надежности взаимоувязанной сети связи Российской Федерации и созданию мобилизационного резерва аппаратуры связи и кабельной продукции, обеспечивая развитие всех видов сетей связи, входящих в указанную сеть.

Журнал "Радио", номер 3, 1999г., Автор: В. Москвитин, В. Шеватов, г. Москва

Невозможно назвать, наверное, такую страну, которая не стремилась бы в последние годы стать членом Глобального информационного сообщества, т. е. войти в единое информационное пространство. Россия также активно ведет работы по созданию национальной информационной телекоммуникационн инфраструктуры и ее интеграции в Европейское и глобальное информационное сообщество.

Еще в 1995 г. была определена научнотехническая политика развития Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России, представляющей собой комплекс технологически сопряженных сетей связи общего пользования и ведомственных сетей, предназначенных для предоставления услуг связи на территории страны. ВСС базируется на комплексе руководящих документов "Основные положения развития ВСС России на перспективу до 2005 года", утвержденных в 1995 г.

ВСС России сегодня - это, как уже отмечалось, сети общего пользования, ведомственные сети и сети связи в интересах управления, обороны, безопасности и охраны правопорядка. При этом главная составляющая ВСС - сети связи общего пользования, открытые для всех физических и юридических лиц на территории России, в услугах которых этим лицам не может быть отказано. Такие сети отличаются широкой разветвленностью, охватывают всю территорию страны, обслуживают население, органы управления народным хозяйством, обороной, а также любых других потребителей без каких-либо ограничений. Они обладают наибольшей устойчивостью по сравнению с другими сетями. По своей значимости, с точки зрения обеспечения интегральных потребностей страны, они имеют статус федеральных сетей.

К сетям связи общего пользования относятся сети телефонной, документальной электросвязи и сети распределения программ теле- и радиовещания. Ответственность за их функционирование возлагается федеральным законом "О связи" на федеральные органы исполнительной власти в области связи.

Ведомственные сети - это сети электросвязи министерств, ведомств, федеральных органов исполнительной власти, промышленных объединений и предприятий, создаваемые для обеспечения производственных и специальных нужд и имеющие выход на сети связи общего пользования.

Сети связи для нужд обороны, безопасности и охраны правопорядка в Российской Федерации создаются на базе каналов сетей связи общего пользования и ведомственных сетей, предоставляемых спецпотребителям на арендной основе. При этом ведомственные сети и сети связи, организованные в интересах управления, обороны, безопасности и охраны правопорядка представляют собой сети ограниченного пользования и технологически взаимодействуют с сетями общего пользования. Под взаимодействием следует понимать совместное их функционирование с целью выполнения общих задач, решаемых с помощью сетей электросвязи.

Организационно ВСС — это совокупность взаимоувязанных сетей электросвязи, находящихся в ведении различных операторов связи как юридических лиц, имеющих право предоставлять услуги электросвязи.

В зависимости от масштаба сетей, находящихся в ведении операторов, их общегосударственной значимости различают операторов сетей федерального, зонового или местного значения.

ВСС, как система связи, представляет собой иерархическую трехуровневую систему. Первый уровень — первичная сеть передачи, представляющая некоммутируемые каналы передачи для вторичных сетей; второй уровень — вторичные сети, т. е. коммутируемые и некоммутируемые сети связи (телефонные, документальной электросвязи и др.), а третий уровень - это системы электросвязи или службы электросвязи, представляющие пользователям конкретные услуги связи. Телефонная связь, передача данных, телеграфная связь, передача газет, распределение программ телевизионного и звукового вещания - все эти системы электросвязи общего пользования входят в структуру ВСС.

Основная задача ВСС — транспортная, т. е. передача сообщений от его источника к получателю. Конечным результатом функционирования ВСС являются услуги связи, предоставляемые пользователям. Показатели, характеризующие функционирование ВСС, - скорость и своевременность доставки сообщений пользователям; достоверность сообщений (соответствие принятого сообщения переданному); надежность и устойчивость связи, т.е. способность сети выполнить транспортную функцию с заданными эксплуатационными характеристиками в повседневных условиях, а также при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. Системы связи могут обеспечить защиту информации от ряда угроз ее безопасности (блокирование, несанкционированный доступ на отдельных элементах сети и др.). Ответственность за общее решение вопросов безопасности информации (обеспечение свойств конфиденциальности, целостности и доступности) возлагается на пользователя (собственника информации).

Устойчивость сети связи - это ее способность сохранять работоспособность в условиях воздействия различных дестабилизирующих факторов. Она определяется надежностью, живучестью и помехоустойчивостью сети. Для повышения устойчивости сетей ВСС используются различные меры: оптимизация топологии сетей связи для упрощения их адаптации к условиям, возникающим в результате воздействия различных дестабилизирующих факторов, включая геополитические; рациональное размещение сооружений связи на местности с учетом зон возможных разрушений, наводнений, пожаров; применение специальных мер защиты сетей и их элементов от влияния источников помех различного характера; развитие систем резервирования; внедрение автоматизированных систем управления, организующих работу по перестройке и восстановлению сетей, поддержанию их работоспособности в различных условиях и др.

Структура Взаимоувязанной сети связи

В историческом плане все виды электросвязи длительный период развивались независимо друг от друга, в результате чего сформировались несколько независимых сетей. Вместе с тем, сети общего пользования (Министерства связи) не справлялись с требуемыми объемами передачи сообщений, требуемых для нормального экономического развития страны, и поэтому ряд министерств и ведомств стали создавать свои сети для удовлетворения собственных нужд. Такая техническая политика привела к еще большему разобщению технических средств, а эффективность совокупности сетей в масштабах страны оставалась низкой.

Уже в начале 60-х годов стало ясно, что перспективным направлением развития связи должно стать объединение сетей.

Можно выделить следующие предпосылки для объединения сетей: унификация методов преобразования, необходимость передачи сигналов в совпадающих направлениях, сходство функций систем передачи и коммутации.

В 70-х годах было принято решение о создании Единой автоматизированной сети связи (ЕАСС) Союза ССР. Работа по созданию сети ЕАСС не была завершена и прекратилась в связи с развалом СССР.

В настоящее время этот проект, отражая изменение геополитической ситуации и новые революционные достижения в области связи, носит название Взаимоувязанная сеть связи России.

Основными требованиями к ВСС являются надежность и экономичность.

Определенные технические средства ВСС участвуют в процессе передачи не зависимо от вида передаваемых сообщений. Совокупность этих элементов образует первичную сеть (ПС) ВСС. В состав ПС входят сетевые узлы, сетевые станции и линии передачи.

Структура ПС учитывает административное деление страны. Территория страны поделена на зоны. Признак зоны - единая 7-значная нумерация. Как правило зоны совпадают с территориями областей. В соответствии с этим делением ПС состоит из отдельных частей:

 

* местные ПС (МСП) - ограничены территорией города или сельского района;

* внутризоновые ПС (ВЗПС) - охватывает территорию зоны и обеспечивает соединение местных сетей внутри зоны;

* магистральная ПС (СМП) - соединяет зоновые сети.

Каждая сеть связи, входящая в ВСС, помимо технических средств первичной сети использует устройства, присущие этой сети. Вторичная сеть (ВС) ВСС - совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сообщений определенного вида.

В состав ВС входят: оконечные абонентские устройства, абонентские линии (АЛ), коммутационные устройства и каналы, выделенные из ПС для организации данной ВС.

История развития ЕАСС

Единая автоматизированная сеть связи (ЕАСС) сыграла большую роль в развитии электросвязи и информатизации страны. На ее основе решались сложнейшие задачи по передаче и распределению различных видов информации для народного хозяйства, населения и обороны. На базе ЕАСС и Государственной сети вычислительных центров (ГСВЦ) формировалась Общегосударственная система сбора и обработки информации для учета, планирования и управления народным хозяйством (ОГАС), объединявшая отраслевые и территориальные автоматизированные системы управления (АСУ) основных министерств, ведомств и союзных республик.

До 60-х годов в большинстве промышленно развитых стран сети связи развивались по традиционным направлениям: телефония, телеграфия, радиосвязь и телерадиовещание. С появлением полупроводников и микросхем началось создание многоканальных кабельных и радиорелейных линий с пропускной способностью в несколько тысяч типовых каналов тональной частоты (ТЧ) с полосой 4 кГц и несколько широкополосных телевизионных каналов с полосой до 6 МГц. В 1959 г. были введены в эксплуатацию две подводные трансатлантические кабельные линии телефонной связи между США, Великобританией и Францией емкостью 48 каналов ТЧ каждая. Все это позволило увеличить объемы передаваемой информации на национальных сетях и на международном уровне.

Кроме общенациональных систем связи общего пользования получили развитие производственно-технологические системы связи для управления железнодорожным, авиационным, морским и трубопроводным транспортом. По этим сетям наряду с обычными видами информации передавались сигналы телеконтроля и телеуправления в цифровой форме.

По мере совершенствования средств вычислительной техники появились сети передачи и обработки данных сначала с использованием типовых каналов и трактов телефонных и телеграфных сетей, а затем с помощью специализированных сетей передачи данных. Первая попытка создания сети с пакетной коммутацией была сделана в Национальной физической лаборатории в Великобритании в 1966 г., а в 1968 г. в США была начата разработка сети с пакетной коммутацией Arpanet, ставшей предтечей Internet.

Потоки разнообразной информации по общегосударственным и корпоративным сетям все увеличивались. Начался процесс совместного использования каналов, трактов, коммутационных средств и других технических сооружений для повышения технико-экономических характеристик своих сетей. Возникла идея организационно-технического объединения сетей связи независимо от видов собственности. Ядром такого объединения стали или общегосударственные сети, как в СССР, Франции, Англии, ФРГ, или фирменные, как в США, где сеть компании AT&T обеспечивала почти 80% связи страны.

Судя по опубликованным данным, основные принципы создания Единой сети связи (ЕСС) впервые в мире выдвинул известный советский ученый академик АН СССР А. А. Харкевич в статье "Информация и техника" (журнал "Коммунист", 1962, № 12), вошедшей в 3-томный сборник его трудов (М., Наука, 1975). В этой статье А. А. Харкевич обосновал основные пути организационно-технического объединения сетей, предугадав важность цифровых методов передачи и коммутации различных видов информации в цифровой форме. ЕСС, по его мнению, должны представлять собой крупнейший инженерный комплекс, который объединит всю существующую сеть связи и будет развиваться путем планомерного ее наращивания в органическом взаимодействии с системой вычислительных, управляющих и справочных центров.

Надо отметить, что органическая увязка сетей связи с сетями ЭВМ, намеченная А. А. Харкевичем, переросла в идею создания на ее базе ОГАС, выдвинутую позже академиком В. М. Глушковым.

В 1963 г. по предложению АН СССР и Минсвязи СССР создание ЕАСС постановлением ЦК КПСС и СМ СССР было возложено на Минсвязи СССР, при котором был образован Межведомственный координационный совет (МВКС) под председательством министра связи генерал-полковника Н. Д. Псурцева. С 1975 по 1980 гг. МВКС возглавлял министр связи В. Талызин, с 1980 по 1989 гг. А. Шамшин, с 1989 по 1991 г. К. Первышин, в 1991 г. Г. Кудрявцев.

Д. Псурцев МВКС согласовывал основные принципы построения ЕАСС, этапы ее развития, необходимые НИОКР, объемы производства оборудования. Большое внимание уделялось разработке и утверждению норм и правил, обеспечивающих надежность сети и высокое качество передаваемой информации. Эти нормы и правила соответствовали рекомендациям международных организаций по электросвязи.

Научные основы развития ЕАСС и конкретные объемные показатели разрабатывались в комплексных проектах под руководством Центрального научно-исследовательского института связи (ЦНИИС) Минсвязи СССР. Первый проект ЕАСС был завершен в 1965 г. С. А. Аджемов, руководитель проекта, начальник ЦНИИС, вложил много идей и труда на первых этапах развития ЕАСС.

В последующие годы комплексные планы составлялись на каждую пятилетку. С 1980 г. прогноз развития связи в СССР дополнялся "Комплексными программами научно-технического прогресса СССР" на 1980-2000 гг., на 1986-2005 гг. и на 1991-2010 гг. Общее руководство программами осуществлял первый вице-президент АН СССР, дважды Герой социалистического труда, академик А. Котельников. Раздел "Связь, телевидение и радиовещание" разрабатывался проблемной комиссией под председательством министров связи Н. В. Талызина и В. А. Шамшина. Эти программы составлялись с учетом необходимости соблюдения определенного баланса между достижениями научно-технического прогресса в области связи и в сопряженных отраслях промышленности с экономическими возможностями государства. На основании всех этих материалов в директивах съездов КПСС, начиная с XXII в 1966 г., по пятилетним планам указывались основные задачи по развитию связи в СССР.

В решениях XXIII съезда было записано: "Усилить работу по созданию единой автоматизированной системы связи, обеспечивающей бесперебойную и надежную передачу всех видов информации. Увеличить протяженность междугородных каналов в 2,5 раза, емкость телефонной сети в 1,8, расширить сеть радиовещательных и телевизионных станций, использовать искусственные спутники Земли для организации связи на большие расстояния".

На XXIV съезде в 1971 г. отмечалось, что будет продолжено создание ЕАСС, развертывание телевизионного многопрограммного вещания через спутники на всю территорию страны. Кроме того, впервые было дано задание по развитию автоматизированных систем управления, вычислительных центров и об объединении их в Единую общегосударственную систему сбора и обработки информации для учета и планирования (ОГАС). XXV съезд в 1976 г. утвердил задания по дальнейшему развитию ЕАСС и организации на ее базе общегосударственной сети передачи данных (ОГСПД).

Историю ЕАСС целесообразно рассматривать совместно с историей ГСВЦ и ОГАС. Все эти системы стали базой для появления новых направлений, обеспечивающих развитие информатики на пороге XXI века - века глобального информационного сообщества.

Принципы создания ОГАС и ГСВЦ в СССР возникли в 1962 г. на базе идей академика В. М. Глушкова о "безбумажной информатике", обобщенных в его последнем фундаментальном труде "Основы безбумажной информатики" (М., Наука, 1982). Уже в 1964 г. под его руководством был разработан первый эскизный проект Единой государственной сети вычислительных центров (ЕГСВЦ, позднее ГСВЦ), предназначенной для перестройки на основе безбумажной технологии организационно-экономического управления на всех уровнях (от отдельных предприятий и учреждений до Госплана СССР). До своей кончины в 1982 г. В. М. Глушков отдавал много сил развитию в стране ОГАС, ГСВЦ и специализированных сетей ЭВМ. Ряд интересных научно-технических идей в этой области изложены в книге В. М. Глушкова, Л. А. Калиниченко и др. "Сети ЭВМ" (М., Связь, 1977).

В дальнейшем до 1991 г. продолжалась планомерная работа по созданию ОГАС, ГСВЦ, ЕАСС и ОГСПД. Эти системы, несмотря на появившиеся известные трудности в социально-экономическом развитии СССР, обеспечивали научное прогнозирование и оперативное управление сложнейшим народно-хозяйственным комплексом страны. Валовый национальный продукт возрастал на 1-2% в год, перебоев с выплатой зарплаты и пенсий никогда не было. Росли инвестиции во все основные отрасли народного хозяйства. Объективный анализ получаемой от ОГАС информации и прогнозы "Комплексной программы научно-технического прогресса СССР" показывали реальные пути стабилизации и улучшения социально-экономической системы страны в рамках существующей политической системы.

С 1991 г. после развала СССР и начала "радикальной экономической реформы" по построению новой (капиталистической) общественной системы возникли новые формы собственности, новые экономические связи, нарушилась территориальная целостность страны, а с ней и структура ЕАСС и ОГАС. Если администрации стран СНГ сумели в определенной степени сохранить взаимосвязь своих сетей и нашли пути взаимодействия в рамках созданного Регионального содружества в области связи (РСС), то средства ОГАС разделились между странами СНГ и практически обслуживают только внутренние потребности.

В Российской Федерации остались основные сети и технические средства ЕАСС в рамках Взаимоувязанной сети связи страны (ВСС). В соответствии с "Федеральным законом о связи", принятым Государственной Думой 20 января 1995 г., Указом Президента "О совершенствовании структуры федеральных органов исполнительной власти" от 17 марта 1997 г. № 249 и Постановлением правительства "Вопросы Государственного комитета Российской Федерации по связи и информатизации" от 1 июля 1997 г., № 775 управление и развитие ВСС возложено на Госкомсвязи (ныне - Министерство Российской Федерации по связи и информатизации) и входящую в его состав Государственную комиссию по электросвязи (ГКС). Структура и функции ГКС близки к структуре и функциям бывшего МВКС при Минсвязи СССР.

Для прогнозирования оптимальных путей развития ВСС очень важно изучать и анализировать историю ЕАСС. Если по принципиальным организационным вопросам кардинальных изменений за относительно короткие промежутки времени не было, то структура сетей и особенно их технические средства изменялись достаточно быстро в связи научно-техническим прогрессом в области радиоэлектроники и вычислительной техники.

С 1957 г. после запуска в СССР первого искусственного спутника Земли настала эра развития спутниковых систем связи (ССС). В 1965 г. в СССР спутник "Молния-1" и сеть наземных станций "Орбита" (главный конструктор - заместитель министра связи Н. В. Талызин) начали ретрансляцию телевизионных передач в удаленные точки страны и передачу телефонных сообщений. В этом же году вступила в эксплуатацию международная коммерческая ССС Intelsat на спутнике, разработанном в США.

К 1975 г. линии связи на коаксиальных кабелях достигли своих предельных возможностей. В США на магистральных направлениях устанавливалась система L-5 на 20-парном коаксиальном кабеле с системой частотного уплотнения емкостью 10 800 каналов ТЧ с общей пропускной способностью 108 000 каналов. По этим линиям можно передавать также десятки телевизионных сигналов и одновременно десятки тысяч каналов ТЧ. По широкополосным трактам этих систем проходят цифровые потоки со скоростью в несколько десятков мегабит в секунду. Однако расстояние между усилителями в этих системах составляло всего 1,5 км, что требовало относительно сложной системы электропитания и контроля.

В СССР основные магистральные кабельные линии связи к этому времени оснащались многоканальными системами передачи К-192ОП и К-3600 на 4, 6 и 8-парных коаксиальных кабелях с пропускной способностью от 3840 до 14 400 каналов ТЧ или несколько телевизионных каналов. На практике по одной из таких систем осуществляется передача телефонии и телевизионных сигналов в соотношениях, определяемых потоками информации. Началась разработка системы передачи на 10 800 каналов (К-10800) с пропускной способностью до 50 тыс. каналов ТЧ по 8-парному коаксиальному кабелю. Надо сказать, что создания отечественного аналога 20-парного коаксиального кабеля не предусматривалось, так как появилась перспектива перехода к многоканальным оптическим кабельным линиям связи, обладающим лучшими технико-экономическими характеристиками и лучше приспособленными для передачи цифровой информации с высокими скоростями.

Несмотря на большие успехи в развитии многоканальных коаксиальных систем передачи продолжались разработки новых радиорелейных линий (РРЛ) связи, которые более экономично решали вопросы построения распределительной сети телевещания и требовали меньших затрат при сооружении и эксплуатации в ряде районов страны со сложными природными условиями (горы, болото, тайга и т. п.). Например, связь вдоль БАМа и в прилегающих экономических районах осуществляется с помощью радиорелейной линии. Отечественные РРЛ типа "Рассвет-2", "Восход", "Дружба" (совместная разработка с Венгрией) показали хорошие результаты при эксплуатации. Начавшаяся в этот период разработка унифицированных радиорелейных систем КУРС в диапазонах 2, 4, 6 и 8 ГГц обеспечила применение РРЛ на магистральных и зоновых сетях ЕАСС для многоканальной телефонии, передачи телевидения и цифровых потоков 2,048 и 8,448 Мбит. Позднее были предложены РРЛ для более скоростных цифровых потоков.

Первый крупный этап работ по созданию ЕАСС завершился к 1980 г. Сложившаяся структура ЕАСС и ее организационно-технические принципы нашли отражение в книге "Основные принципы Единой автоматизированной сети связи", подготовленной специалистами МВКС под редакцией В. А. Шамшина (М., 1980, Связь). Теоретические и научно-технические вопросы ЕАСС и взаимодействующих с ней сетей ЭВМ были обобщены в книгах: Давыдов Г. Б., Рогинский В. Н., Толчан А. Р. Сети электросвязи (М., 1977, Связь) и Глушков В. М., Калиниченко Л. А. и др. Сети ЭВМ (М., 1977, Связь). Большую роль в пропаганде итогов и перспектив развития связи в СССР сыграли уникальные научно-технические сборники под редакцией известного ученого и организатора связи д. т. н., профессора А. Д. Фортушенко: "60 лет Радио" (1955 г.), "70 лет Радио" (1965 г.), "80 лет Радио" (1975 г.), "90 лет Радио" (1985 г). Сборник "100 лет Радио" (1995 г.) под редакцией академика РАН В. В. Мигулина и заслуженного работника культуры РФ А. В. Гороховского подвел итоги столетней работы отечественных ученых и инженеров в области связи и других отраслей радиоэлектроники.

Структура ЕАСС к 1980 году

В соответствии с назначением ЕАСС в нее входят общегосударственные и ведомственные системы связи (кроме систем связи по управлению внутрипроизводственными технологическими процессами).

Структура ЕАСС выбрана таким образом, чтобы для передачи всех видов сообщений в максимальной степени использовать общие средства передачи. Эти средства передачи могут удовлетворять требованиям различных сетей связи (телефонных, телеграфных, передачи данных, телевизионного и звукового вещания и других) только в рамках единой сети каналов и трактов, которая в ЕАСС получила название первичной сети.

Любая сеть, предназначенная для передачи определенного вида сообщений и использующая типовые каналы и тракты первичной сети, обозначается как вторичная сеть. В организационном плане с учетом предоставляемых услуг и служб на базе вторичных сетей образуются общегосударственные системы: телефонной связи (ОГСТфС), телеграфной связи (ОГССТгС), передачи данных (ОГСПД), распределения телевизионных программ (ОГСРТП), распределения программ звукового вещания (ОГСРПЗВ). Предполагалось, что в дальнейшем могут появляться и другие вторичные системы связи.

На этом этапе развития ЕАСС основным типовым каналом был аналоговый канал тональной частоты (ТЧ) с полосой пропускания 300-3400 Гц. Такая полоса была выбрана для передачи телефонного сообщения с достаточно высоким качеством. На основе канала ТЧ методом частотного уплотнения создаются типовые групповые тракты:

Число каналов ТЧ Полоса частот, кГц
Первичный 12 60-108
Вторичный 60 312-552
Третичный 300 812-2044
Четверичный 900 8,5-12,4 МГц

В полосе частот всех этих групп можно образовывать широкополосные каналы для передачи других видов информации: звукового вещания с полосой до 15 кГц, факсимильной передачи газетных полос в пункты децентрализованного печатания с полосой до 240 кГц, сигналов телевидения и звукового сопровождения в полосе 0,05-6000 кГц и цифровых трактов с номинальными скоростями 0,512; 2,048; 8,448; 34,368 и 139,264 Мбит/с.

Практически цифровые тракты в аналоговых кабельных системах передачи не нашли применения, так как появились кабельные цифровые системы передачи с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), такие, как ИКМ-12, ИКМ-30, ИКМ-120 и ИКМ-480, в которых аналоговый сигнал ТЧ с использованием ИКМ преобразовывался в основной цифровой канал со скоростью 64 кбит/с с последующим объединением в потоки 2,048; 8,448 и 34,368 Мбит/с. Только для радиорелейных систем КУРС была разработана аппаратура для передачи в одном радиостволе цифрового потока 8,448 Мбит/с, а при одновременной передаче 720 каналов ТЧ цифрового потока 2,048. Такое решение совместно с кабельными системами ИКМ позволяло на этом этапе расширить подачу цифровых потоков потребителям.

На базе канала ТЧ предусматривалась организация дискретных каналов на скорости от 50 до 200 бит для телеграфной сети и низкоскоростной сети передачи данных ПД-200 и каналов от 600 до 9600 бит/с для передачи информации с помощью модемов по арендованным каналам ТЧ.

Ведомственные сети должны были создаваться в тех случаях, когда специальные требования отдельных министерств и ведомств (по надежности, условиям эксплуатации, структуре сети и др.) не могут быть удовлетворены общегосударственными вторичными сетями. Однако при создании ведомственных сетей обязательно их организационно-техническое единство с общегосударственными сетями.

Ведомственные сети организуются на собственных системах передачи и на арендованных каналах и групповых трактах общегосударственной первичной сети и сетей других ведомств, удовлетворяющих требованиям ЕАСС. Ведомственные системы передачи разрабатываются в ряде случаев как комбинированные системы, обеспечивающие образование типовых каналов и групповых трактов ЕАСС и специализированных каналов и трактов для передачи и распределения сигналов контроля и телеуправления технологическими процессами. Такие комбинированные системы наиболее часто применяются на сетях железнодорожного транспорта и на магистральных нефтепроводах и газопроводах.

ОГСПД

Общегосударственная система передачи данных разрабатывалась как организационно-техническая совокупность средств связи ЕАСС, обеспечивающая нужды ОГАС и в определенной степени специализированных сетей ЭВМ.

До 1990 г. для передачи данных использовались следующие вторичные сети ЕАСС:

 

* телефонная сеть общего пользования (ТФОП) со скоростью до 1200 бит/с при суммарной нагрузке в час наибольшей нагрузки (ЧНН) в среднем 0,1 эрл, но не более 0,15 эрл (6-9 мин) при ошибках 1х10-3-5х10-3;

* сеть абонентского телеграфирования (сеть АТ-50) со скоростью 50 бит/с при коэффициенте ошибок порядка 10-3 и продолжительностью сеанса в ЧНН 0,2 эрл (12 мин);

* сеть передачи данных с коммутацией каналов ПД-КК со скоростью до 200 бит/с и с большими допустимыми нагрузками. Для этой сети применяется специальный абонентский пункт АП-2 (ЕС-8502), разработанный в рамках серии ЕС ЭВМ для телеобработки данных;

* сеть арендованных некоммутируемых каналов связи: телеграфные на скорости 50, 100 и 200 бит/с; каналы ТЧ на скорости 9600 бит/с с адаптивным модемом; широкополосные каналы первичной сети со скоростью в несколько десятков тысяч бит в секунду со специализированными модемами. По этим каналам можно передавать непрерывно большие массивы информации. Временной режим работы определяется самим арендатором;

* выделенная сеть "И" со скоростью передачи по телефонному каналу до 2400 бит/с.

Запланированные работы на период 1980-1990 гг. по созданию ПД-КК на скорости до 2400 бит/с и сети с коммутацией пакетов не были реализованы - не удалось разработать эффективные электронные центры коммутации. Новые сети передачи данных на современных технических средствах начали появляться после 1992-1993 гг. на базе Взаимоувязанной сети связи России, правопреемнице ЕАСС СССР.

Основные направления развития ЕАСС в 1980-1990 гг.

Основные принципы Единой автоматизированной сети связи (редакция 1980 г.) в последующие годы были дополнены следующими руководящими документами:

 

* Основные положения дальнейшего развития ЕАСС (основные направления создания цифровых сетей ЕАСС. Применение и развитие цифровых средств связи). МВКС, 1982;

* Руководящий документ "Общие требования к ведомственным сетям в части их увязки с общегосударственными сетями ЕАСС". Кн. 1, 2, МВКС, 1982;

* Руководящий документ по общегосударственной системе автоматизированной телефонной связи (ОГСТфС). Кн. 1, 2. МВКС, 1988;

* Основные положения по организации электросвязи в сельской местности. Кн. 1, 2. Министерство связи СССР, 1988.

Все эти документы учитывали результаты эксплуатации ЕАСС и научно-технический прогресс в области связи. К этому времени получили развитие цифровые методы передачи и коммутации, началась эра внедрения волоконно-оптических линий связи, получили дальнейшее развитие спутниковые системы связи и телерадиовещания. В абонентских устройствах более широко стали применять интегральные схемы и микропроцессоры, обеспечивающие расширение их функциональных возможностей.

В идеологии построения сетей связи огромную роль сыграли идеи построения так называемых "открытых сетей" с семиуровневыми протоколами взаимодействия абонент - сети - абонент. Оформилась концепция интегральной цифровой сети связи (ИЦСС, в международной транскрипции - ISDN, Integrated Services Digital Network) с основным цифровым каналом с пропускной способностью 64 кбит/с, с цифровыми линиями передачи методом импульсно-кодовой модуляции с электронными коммутационными станциями с программным управлением. Системы телеобработки на базе ЭВМ серий ЕС и СМ заложили основы построения отечественных сетей ЭВМ, взаимоувязанных с сетями ЕАСС.

К сожалению, все этапы развития ЕАСС отставали от рекомендуемых "Комплексной программой научно-технического прогресса" по структуре сети, объемам передаваемой информации и техническому уровню применяемых средств связи. Основная причина - малый объем финансирования НИОКР и промышленного производства. Основные мощности Министерства промышленности средств связи (МПСС), Министерства радиопромышленности (МРП) и Министерства электронной промышленности (МЭП) были загружены оборонными заказами.

В 1989 г. ЕАСС (справочник "СССР в цифрах". М., Финансы и статистика, 1990) имела 39,7 млн. телефонных аппаратов при средней телефонной плотности 12 ТФ аппаратов на сто жителей, а в США - 80 ТФ (каждая семья имела телефон независимо от места жительства). Междугородная связь была автоматизирована у нас на 75%, а в США - 100%. Крайне медленно развивались сети передачи данных общего пользования. Несколько лучше обстояло дело с развитием телерадиовещания: население имело 90 млн. телевизоров, 84 млн. радиоприемников и 115 млн. точек радиопроводной сети.

Развитию спутниковых систем связи и особенно спутниковых систем телерадиовещания способствовали упомянутая ранее система "Орбита" со спутниками "Молния", первая система в мире непосредственного телевизионного вещания "Экран" на маленькие наземные приемные станции. Система "Экран" разрабатывалась под руководством известных отечественных специалистов А. Д. Фортушенко, В. П. Минашина, В. А. Шамшина и И. С. Цирлина и была введена в действие в 1976 г. Несколько позднее была предложена система "Москва" на базе многофункционального многоствольного спутника "Горизонт" с небольшими наземными станциями с антенной всего 2,5 м. В одном стволе этой системы можно передавать сигнал ТВ, два звуковых сигнала и сигнал изображения газетных полос.

Известный переломный период в истории СССР и России с 1991 г. со сложными политическими и социально-экономическими процессами затормозил на определенное время планомерное развитие ЕАСС в границах бывшего СССР. Каждое суверенное независимое государство в рамках СНГ было вынуждено скорректировать ряд принципов развития своих сетей связи с учетом территориальных изменений, финансовых и технических возможностей.

Большое влияние на развитие сетей и средств связи России и других стран СНГ сыграла политика приватизации, демонополизации, привлечение иностранных инвесторов и ориентация на закупку средств связи у известных зарубежных фирм. В ряде случаев это способствовало более быстрому внедрению современных систем мобильной связи, оптических многоканальных кабельных линий, новейших электронных АТС и центров коммутации для сетей типа Интернет. При этом резко уменьшились заказы на отечественные средства связи, обладающие, к сожалению, более низкими техническими характеристиками из-за резкого снижения государственного финансирования НИОКР и развития новейших технологий.

В системном и нормативном плане Министерству РФ по связи и информатизации и его НИИ и проектным институтам удалось удержать достаточно высокий уровень концепции построения и развития Взаимоувязанной сети связи (правопреемнице ЕАСС). Однако приватизация, демонополизация, частые изменения структуры управления отраслью связи не дали ожидаемых результатов - большинство программ типа "Народный телефон" и другие из года в год не выполняются. Особые трудности возникли с развитием спутниковых систем связи и телефонизации сельской местности и сельскохозяйственных предприятий. Реальные достижения и неудачи современного развития электросвязи России можно будет оценить примерно к 2005-2010 гг.

В заключение следует еще раз отметить, что комплексный подход к проектированию, строительству и эксплуатации ЕАСС в тесном взаимодействии с отечественной промышленностью средств связи и электронной промышленностью позволили построить и эксплуатировать одну их крупнейших систем связи в мире, помогавшую обеспечивать первоочередные нужды населения, промышленности и особенно обороной системы СССР.

11. Радиосвязь, радиовещание и телевидение

Принципы построения спутниковых систем связи

Искусственные спутники Земли (ИСЗ) связного назначения широко используются для передачи различных сообщений, организации ТВ, телефонных, телеграфных и других каналов связи.

Основной принцип создания спутниковых систем связи заключается в размещении ретрансляторов на ИСЗ. Следовательно, спутниковая система связи представляет собой РРЛ с одной промежуточной станцией, размещенной на ИСЗ. При построении спутниковых систем связи используются идеи и принципы, реализуемые в РРЛ.

По способу ретрансляции сигнала спутниковые системы делят на системы с пассивной и активной ретрансляцией.

Система, которая работает без бортовой аппаратуры, называется системой связи с пассивным спутником, или системой с пассивной ретрансляцией. В этом случае сигналы, посланные с Земли, отражаются поверхностью ИСЗ обратно без предварительного усиления. В качестве пассивных спутников могут использоваться как специальные отражатели различной формы (в виде сферических баллонов, объемных многогранников и др.), так и естественный спутник Земли – Луна. При достаточном усилении земных антенн и высокой чувствительности приемника земной станции (ЗС) этот метод радиосвязи может найти применение в системах с малой пропускной способностью. Пропускная способность подобных систем связи при современном уровне техники не превышает двух – трех телефонных сообщений.

Система радиосвязи при наличии бортовой аппаратуры называется системой с активной ретрансляцией сигнала, или системой с активным спутником. При этом энергоснабжение бортового ретранслятора осуществляется от солнечных батарей, находящихся на ИСЗ. Активная ретрансляция является основной в современных системах передачи. Для примера рассмотрим структурную схему дуплексной связи между двумя ЗС при активной ретрансляции сигнала (рис. 11.1). В данном случае передаваемый в одном направлении сигнал подводится к модулятору 9 ЗС 8, в результате чего осуществляется модуляция колебаний с несущей частотой . Эти колебания от передатчика 10 подводятся к антенне 11 и излучаются в сторону ИСЗ, где принимаются бортовой антенной 7 ретранслятора 1. Далее колебания с частотой поступают на разделительный фильтр 6, усиливаются приемником 2, преобразуются в частоту и поступают к передатчику 3 бортового ретранслятора. С выхода передатчика 3 колебания с частотой через РФ подводятся к бортовой антенне и излучаются в сторону Земли. Эти колебания принимаются антенной 19 ЗС 15, подводятся к приемнику 20 и детектору 21, на выходе которого выделяется сигнал .

 

Передача от ЗС 15 к ЗС 8 сигнала происходит на частоте аналогичным образом, причем на бортовом ретрансляторе осуществляется преобразование колебаний с несущей частотой в колебания с частотой .

ЗС соединяются с узлами коммутации сети связи (например, с междугородной телефонной станцией – МТС), с источниками и потребителями программ телевидения, звукового вещания с помощью наземных соединительных линий.

Очень распространенным и экономически выгодным является использование связных ИСЗ для организации ТВ и радиовещания. В нас­тоящее время под спутниковым ТВ и радиовещанием понимается как передача ТВ сигналов (со звуковым сопровождением), так и радиовещательных звуковых сигналов от одного или нескольких земных передатчиков, связанных с центрами формирования ТВ и радиопрограмм, через ИСЗ на сеть земных приемных установок и распределение этих программ с целью доведения их до абонентов (телезрителей или радиослушателей) с помощью наземных средств связи (ретрансляторов различной мощности, СКТВ, средств коллективного и индивидуального приема). Как правило, в зоне обслуживания связным ИСЗ располагается сеть приемных ЗС различных типов. Для обеспечения высокого качества принимаемых ТВ и звуковых сигналов в спутниковых системах связи из-за очень больших расстояний между ЗС и ИСЗ принимают следующие меры:

 

1) увеличивают мощность передатчика ЗС до 5…10 кВт;

2) усложняют приемопередающие антенны ЗС;

3) используют малошумящие усилители (смесители на входе приемников);

4) повышают эффективность приема с ЧМ за счет увеличения девиации частоты.

В зависимости от типа ЗС и назначения системы спутниковой связи различают следующие службы радиосвязи:

 

- фиксированная спутниковая служба (ФСС) – служба радиосвязи между ЗС, расположенными в определенных фиксированных пунктах, при использовании одного или нескольких спутников;

- подвижная спутниковая служба – между подвижными ЗС с участием одного или нескольких ИСЗ;

- радиовещательная спутниковая служба (РВСС) – служба радиосвязи, в которой сигналы спутниковых ретрансляторов предназначены для непосредственного приема населением. При этом непосредственным считается как индивидуальный, так и коллективный прием на сравнительно простые и недорогие установки с абонентским качеством. В нашей стране к ФСС относятся системы «Орбита-2», «Экран», «Москва»; РВСС только создается.

Краткая характеристика сетей мобильной (подвижной) радиосвязи

В последние годы наблюдается резкий рост числа пользователей радиосетей как у нас в стране, так и за рубежом. В ряде случаев такие сети целесообразно создавать не только для обеспечения связи между подвижными объектами, где таким сетям нет альтернативы, но и для организации связи между стационарными объектами. Достоинства радиосетей (беспроводных сетей) перечислены в табл. 11.1.

 

Во многих случаях окупаемость беспроводных сетей составляет 1–2года. В то же время срок окупаемости проводных значительно выше. Проводные сети экономически нецелесообразны на местностях с малой плотностью населения, например в случае, когда требуется обеспечить телефонную связь с удаленной от райцентра фермой. В настоящее время доминирующее положение на рынке подвижной радиосвязи занимают:

 

- профессиональные (частные) системы подвижной связи;

- системы персонального вызова;

- системы беспроводных телефонов;

- системы сотовой связи общего пользования.

Первые системы подвижной радиосвязи создавались и развивались в интересах государственных организаций, коммерческих структур, скорой помощи, милиции и т.п. В принятой за рубежом классификации эти системы относятся к так называемым профессиональным системам подвижной радиосвязи PMR (Professional Mobile Radio). Как правило, PMR имеют радиальную или радиально-зоновую структуру сети.

В профессиональных системах подвижной радиосвязи наиболее эффективное использование выделенного частотного ресурса обеспечивается в системах со свободным доступом абонентов к общему частотному ресурсу, получивших название транкинговых (от англ. trunk – магистраль, шина). Различают транкинговые системы с последовательным (сканирующим) поиском свободного канала связи и с выделенным каналом управления. Сканирующий транкинг характеризуется значительным временем установления канала связи и может быть рекомендован при небольшом количестве каналов (до 5–8).

Системы персонального радиовызова (СПРВ) гармонично сопрягаются с системами радиосвязи и передачи данных. Персональный радиовызов (пейджинг) – услуга электросвязи, обеспечивающая беспроводную одностороннюю передачу информации в пределах обслуживаемой зоны. По своему назначению СПРВ можно разделить на частные (ведомственные) и общего пользования.

Частные СПРВ обеспечивают передачу сообщений в локальных зонах или на ограниченной территории в интересах отдельных групп пользователей. Как правило, передача сообщений в таких СПРВ осуществляется с пультов управления диспетчерами без взаимодействия с ТФ ОП.

Под системами персонального радиовызова общего пользования понимается совокупность технических средств, через которые с помощью ТФ ОП происходит передача в радиоканале сообщений ограниченного объема.

Основными компонентами коммерческого успеха этих систем являются: широкая зона обслуживания в масштабах страны с возможностью межнационального взаимодействия; низкие тарифы и арендная плата; простота передачи сообщений и удобство пользования; малые габариты приемников СПРВ и длительный срок непрерывной работы с одним источником.

Системы беспроводных телефонов были первоначально ориентированы на резидентное использование, т.е. в условиях офисов и квартир. Позже они стали развиваться как системы общего пользования, обеспечивающие поддержку услуг общего доступа.

Такие системы уже сейчас составляют определенную конкуренцию макросотовым сетям, которые будут более детально рассмотрены ни­же.

Сети связи с подвижными объектами могут иметь радиальную, радиально-зоновую и сотовую структуру сети.

Радиальные системы основаны на использовании одной центральной наземной радиостанции, имеющей значительный радиус действия (до 50…100 км). При радиально-зоновой структуре сети область обслуживания делится на зоны, в каждой из которых используется радиальный принцип передачи сигналов.

Радиальным сетям присущ ряд недостатков, основными из которых являются ограниченность зоны обслуживания, нерациональное использование имеющегося частотного ресурса, невозможность существенного увеличения числа обслуживаемых абонентов из-за появления взаимных помех. Для передачи информации в радиальных системах выделяется диапазон частот . В этом диапазоне организуются каналы с полосой пропускания . Тогда число каналов N в диапазоне :

Очевидно, что число каналов N и будет определять число абонентов, пользующихся радиосвязью.

Для преодоления ограничений на число каналов в условиях ограниченного частотного ресурса была предложена сотовая идеология построения сетей радиосвязи, позволяющая использовать одни и те же частоты в нескольких ячейках (сотах), отстоящих друг от друга на расстояние, зависящее от размеров соты.

Идея сотовой телефонной связи такова (рис. 11.2). Пло­щадь, подлежащая теле­фо­ни­зации, покрывается сетью базовых приемопередатчиков (Base Transceiver Station – BТS). При этом чувствительность и излучаемая мощность базовой станции гораздо выше, чем чувствительность и мощность излучения мобильной станции (Mobile Station – MS), что позволяет сделать сами телефоны достаточно компактными и использовать источники питания ограниченной емкости. При перемещении MS через границу зоны обслуживания BS (соты) должно обеспечиваться автоматическое (и незаметное для абонента) переключение обслуживания с одной базовой станции на другую. Переключение осуществляет центр коммутации подвижной сети (Mobile Service Switching Center – MSC). Центр коммутации подвижной связи (MSC) имеет выход на коммутируемую телефонную сеть общего пользования (PSTN – Public Switched Telephone Network).

Если представить зону обслуживания абонентов сотовой сети как окружность с радиусом (рис. 11.3), то площадь этой зоны будет площадь соты (шестиугольника) равна , где – радиус рабочей зоны BS, тогда число сот L определяется по формуле (11.1) Очевидно, что число BS равно числу сот, так как на каждую соту приходится одна базовая станция.

Соты группируются в кластеры. В одном кластере находится с базовых станций, работающих в неповторяющихся диапазонах частот, каждая из BS обеспечивает I каналов. Общее число каналов в кластере равно cI, а общая полоса, занимаемая этими каналами,

(11.2)

где – полоса пропускания одного канала.

Так как в зоне обслуживания радиосвязью размещается L/c кластеров, работающих в повторяющихся диапазонах частот, то при том же ресурсе частот число каналов в сотовых сетях радиосвязи увеличивается в L/c раз по срав­не­нию с радиальными системами радиосвязи.

Для увеличения числа абонентов надо стараться уменьшить число сот в кластере. Минимальное значение с равно 2. На рис. 11.3 приведена архитектура сотовой сети с с = 7. На практике с определяют по формуле (11.3)

где D – расстояние между базовыми станциями, использующими одни и те же рабочие частоты. Это расстояние выбирается так, чтобы помехи от BSi одного кластера в зоне обслуживания BSi* соседнего кластера не превышали допустимой величины. Частоты BSi и BSi* совпадают.

Более эффективной считается система, которая в выделенном спектре частот обслуживает большее количество MS. Из анализа выражений (11.2) и (11.3) следует, что увеличение доступных абонентам каналов при заданных и с может быть достигнуто путем уменьшения радиуса соты R. Уменьшение радиуса соты позволит уменьшить коэффициент повторяемости с, получить большие значения отношений сигнал – помеха на входе MS, но приведет к росту числа переключений MS между базовыми станциями, что увеличивает нагрузку на устройства управления BS и MS, а также число перерывов в связи. Таким образом, уменьшение размеров соты обеспечивает повышение эффективности использования спектра радиочастот, но повышает требование к обеспечению непрерывности связи с MS.

При проектировании сотовых сетей помимо перечисленных выше факторов следует учитывать данные о нагрузке, поступающей от абонента. Так, считается, что во время наибольшей нагрузки типичный абонент делает 1 вызов в час, средняя длительность сеанса связи 90 с. Таким образом, нагрузка от абонента

эрланга,

где n – число вызовов в час наибольшей нагрузки, Т – длительность сеанса связи.

Во время сеанса связи в среднем требуется одно переключение на другую сотовую зону. На один вызов, получаемый абонентом, он сам инициирует два вызова. Менее 10 % вызовов – это вызовы от подвижного к подвижному телефону.

При средней длительности сеанса связи 90 с пропускная способность одного канала составляет 40 вызовов в час. Следовательно, если в среднем абонент делает один вызов в час, то один канал может обслужить 40 абонентов в час. Очевидно, что и коммутатор сотовой системы должен в час наибольшей нагрузки обрабатывать 40 вызовов в час от каждого канала. Приведенные оценки являются максимальными теоретическими оценками. Более реалистичные оценки составляют примерно 75 % от теоретических.

Сотовая идеология систем подвижной связи начала разрабатываться в 70-х годах. Однако внедрение сотовых систем началось только после того, как были найдены способы определения текущего местоположения абонентов и обеспечения непрерывности связи при перемещении абонента из одной соты в другую.

Различают аналоговые и цифровые сотовые системы подвижной связи. Известно девять основных стандартов аналоговых систем. Один из них – NMT (Nordic Mobile Telephone System) принят в качестве федерального стандарта для России.

Однако аналоговые системы уже не удовлетворяют современному уровню развития информационных технологий из-за ряда недостатков, главные из которых несовместимость стандартов, ограниченная зона действия, низкое качество связи, отсутствие засекречивания передаваемых сообщений и взаимодействия с цифровыми сетями с интеграцией служб и пакетной передачи данных. Пик числа абонентов аналоговых сетей приходится на 1994 г. В настоящее время в мире наблюдается снижение числа пользователей аналоговых сетей.

В 80-х годах в Европе, Северной Америке и Японии приступили к интенсивному изучению принципов построения перспективных цифровых систем и сегодня уже разработаны три стандарта таких систем, один из них, GSM-900, принят в качестве федерального для цифровых сотовых сетей России.

Внедрение сетей подвижной радиотелефонной связи в России началось в 60-х годах с вводом в действие отечественного оборудования системы «Алтай-1». В первых десятилетиях эти сети предназначались в основном для организации оперативной связи должностным лицам органов государственного и административно-хозяйственного управления.

По мере изменения в России социальных и экономических условий появилась необходимость расширения сетей радиотелефонной связи, повышения качественных показателей услуг, предоставляемых этими сетями. Решение этой задачи в настоящее время можно обеспечить только путем использования передовых зарубежных технологий и инвестирования работ по созданию в стране систем сухопутной подвижной радиосвязи общего пользования (СПР-ОП).

Транкинговые системы радиосвязи (ТСР) являются развитием систем низовой полудуплексной радиосвязи и по ряду признаков могут быть соотнесены с сотовыми системами связи. В отличие от обычных систем с постоянно закрепленными частотными каналами в ТСР применяется динамическое распределение каналов. Термин «транкинг», принятый в сфере профессиональной радиосвязи, означает метод свободного доступа большого числа абонентов к ограниченному числу каналов (пучку, стволу или, по зарубежной терминологии, – транку). Поскольку в какой-либо момент времени не все абоненты активны, необходимое число каналов значительно меньше общего числа абонентов.

Когда радиоабонент транкинговой системы осуществляет вызов, система назначает ему один из имеющихся свободных каналов. При этом статистика активности обычно такова, что небольшого количества выделенных каналов достаточно для обслуживания значительного числа абонентов. В отличие от обычных систем радиосвязи ТСР характеризуются следующими признаками:

 

- экономное использование радиоспектра;

- наличие одной или нескольких базовой радиостанций и системы управления;

- возможность выхода в другие сети, в частности в телефонную сеть общего пользования;

- увеличение зоны обслуживания путем создания многозоновой сети;

- передача данных и телеметрической информации;

- множество сервисных возможностей.

Перечисленные выше признаки характерны и для сотовых систем связи. Однако в отличие от сотовых транкинговые системы в первую очередь ориентированы на задачи, связанные с оперативным управлением. Список потребителей здесь чрезвычайно широк – подразделения железных и автомобильных дорог, предприятия энергетического комплекса, администрации всех уровней, учреждения городского хозяйства, правоохранительные органы, отряды МЧС, коммерческие структуры и т.д.

В сравнении с сотовыми системами к преимуществам ТСР, позволяющим отдать им предпочтение при организации оперативной связи, следует отнести:

 

- гибкую систему вызовов – индивидуальный, групповой, вещатель­ный, приоритетный, аварийный и др.;

- гибкую систему нумерации – от коротких двух- или трехзначных до полноценных городских номеров;

- малое время установления соединения – менее секунды, против нескольких секунд в сотовых системах;

- возможность работы в группе;

- наличие (в ряде систем) режима непосредственной связи между двумя абонентскими радиостанциями без участия базовой;

- экономичность – по стоимости оборудования и по эксплуатационным расходам ТСР в несколько раз экономичнее сотовых систем.

Сравнивая сотовые и транкинговые системы, необходимо отметить, что при внешней структурной схожести они существенно отличаются по ряду функциональных особенностей и системных возможностей. Если первые ориентированы на потребителей обычных телефонных услуг и окупаются в регионах с высокой плотностью населения (порядка тысячи и более абонентов в зоне), то вторые прежде всего являются средством оперативной и производственно-техноло­ги­ческой связи и рентабельны при на порядок меньшем числе абонентов.

Следует заметить, что сами термины «сотовые» или «транкинговые системы» малоинформативны с точки зрения выявления их отличий. Так, в сотовых системах используется метод динамического распределения каналов, т.е. транкинг, и наоборот, современные многозоновые транкинговые системы содержат ряд «родовых» признаков сотовых систем. Эти термины сложились исторически и обозначают системы мобильной радиосвязи, которые развивались своими путями, решая разные задачи.

Телевизионные системы

Оконечным устройством, принимающим ТВ изображение, является зрительная система человека. Поэтому для рационального построения ТВ систем необходимо учитывать свойства и характеристики зрения.

Зрительная система состоит из приемника светового излучения – глаза, нервных волокон, преобразующих и передающих зрительную информацию в мозг человека, и зрительных участков коры головного мозга, в которых происходит расшифровка информации и формирование зрительного образа.

Важнейшей характеристикой зрения, определяемой структурой сетчатки глаза, является разрешающая способность, т.е. способность глаза различать мелкие детали. Количественно она оценивается величиной, обратной минимальному углу, под которым две светящиеся точки наблюдаются раздельно. При нормальном зрении разрешаемый угол составляет примерно 1?, в этом случае изображение рассматриваемых точек попадает на отдельные колбочки. Ограниченная величина разрешающей способности глаза позволяет воспроизводить конечное число элементов в ТВ изображениях.

Глаз человека обладает инерционностью, т.е. способностью сохранять зрительное ощущение в течение некоторого времени после прекращения его воздействия. Инерционность зрения используется для получения слитного восприятия движения при последовательной передаче неподвижных изображений. Этот принцип используется в ТВ. Слитность движения наступает при передаче 16–20 изображений в секунду, однако при этом глаз ощущает еще мелькания яркости при смене изображений. С увеличением частоты смен изображений мелькания яркости уменьшаются, а затем становятся незаметными. Частота, при которой глаз перестает воспринимать мелькания яркости, называется критической частотой мельканий (fкр) Критическая частота мельканий зависит от средней яркости изображения (L) и определяется следующим эмпирическим выражением:

.

Для яркости современных ТВ экранов, равной примерно 100…200 кд/м2, fкр»45 – 48 Гц.

Структура передающей сети телевизионного вещания

Для ТВ вещания используются метровый и дециметровый диапазоны волн электромагнитных колебаний, соответствующие очень высоким и ультравысоким частотам, которые для удобства называются ультракороткими волнами, или УКВ.

Сигналы ТВ программ передаются абонентам (телезрителям) в основном с помощью наземной ТВ передающей сети, систем кабельного телевидения (СКТВ) и системы непосредственного ТВ вещания (НТВ), использующей связные искусственные спутники Земли (ИСЗ), находящиеся на геостационарной орбите (ГСО).

Наземная ТВ передающая сеть состоит из телецентров, работающих совместно с радиотелевизионными передающими станциями (РТПС), ТВ ретрансляторов и технических средств передачи ТВ сигналов на большие расстояния. Телецентры представляют собой комплексы радиотехнической аппаратуры, помещений и служб, необходимых для создания ТВ программ. С телецентров сформированные ТВ сигналы непосредственно передаются на РТПС. К настоящему времени в России используются 350 РТПС с передатчиками мощностью 1 кВт и более, причем 300 из них являются многопрограммными, и 10 000 РТПС с передатчиками мощностью менее 1 кВт, из которых около 4000 многопрограммные. Основным назначением ТВ ретрансляторов является обеспечение более равномерного покрытия густонаселенной территории ТВ вещанием. ТВ ретрансляторы требуются, как правило, в двух случаях: во-первых, вне зоны уверенного приема основной мощности РТПС и, во-вторых, внутри зоны в местах, в которых по географическим причинам сигнал основной станции ослаблен и не обеспечивает удовлетворительного качества приема. Около 1000 ретрансляторов имеют передатчики мощностью более 1 кВт, а 12 000 – передатчики мощностью менее 1 кВт. Причем около 10 000 ретрансляторов имеют спутниковые приемные антенны.

Распределение сигналов ТВ программ на большие расстояния по территории России осуществляется с помощью разветвленной сети радиорелейных линий (РРЛ) и спутниковых систем связи «Орбита», «Экран», «Москва». Причем наземная распределительная сеть включает в себя свыше 300 тыс. канало-километров РРЛ.

В состав современной сети ТВ вещания нашей страны входят также около 85 млн. телевизоров.

Организовано ТВ вещание по зональному принципу с поочередным повторением передачи центральных программ для каждой из пяти существующих зон со сдвигом во времени на 2 ч.

С целью классификации выделенная для ТВ вещания полоса частот электромагнитных колебаний условно разбита на пять частотных диапазонов, в которых может быть размещено 74 радиоканала:

 

1-й диапазон 48,5…66 МГц (радиоканалы 1 и 2);

2-й диапазон 76…100 МГц (радиоканалы 3–5);

3-й диапазон 174…230 МГц (радиоканалы 6–12);

4-й диапазон 470…582 МГц (радиоканалы 21–34);

5-й диапазон 582…960 МГц (радиоканалы 35–82).

Следует заметить, что между вторым и третьим радиоканалами расположена полоса частот, отведенная для ОВЧ ЧМ, т.е. для УКВ ЧМ вещания, равная 7 МГц (66…73 МГц).

Выбор нижней границы 1-го диапазона определяется тем, что для упрощения конструкции ТВ приемников и снижения частотных искажений при выделении полного ТВ сигнала из радиосигнала необходимо, чтобы несущая частота изображения в несколько раз превышала максимальную частоту спектра модулирующего ТВ сигнала МГц. Кроме того, частотный диапазон примерно до 40 МГц практически полностью занят для целей радиовещания и радиосвязи и других радиослужб. Верхняя граница 5-го частотного диапазона ограничена длинами радиоволн, на которых начинают сказываться значительное их поглощение в атмосфере и влияние ее неоднородностей – дождя, тумана и т.д.

Принципы телевизионной развертки

ТВ система представляет собой совокупность оптических, электронных и радиотехнических устройств, используемых для передачи на расстояние движущихся изображений.

Передача изображений осуществляется электрическим способом, т.е. оптическое изображение в начале передачи преобразуется в электрический сигнал, передаваемый по каналу связи, который затем в месте приема вновь преобразуется в оптическое изображение.

Для ТВ системы, когда изображение воспринимается наблюдателем, степень точности воспроизведения изображения ограничивается физиологическими характеристиками зрения: разрешающей способностью глаза, его контрастной чувствительностью и инерционностью зрительного восприятия. Поэтому при передаче изображение условно разбивается примерно на 500 000 элементарных площадок, называемых элементами изображения. ТВ система должна передавать информацию о яркости каждого элемента. При одновременной передаче сигналов яркости всех элементов в ТВ потребовалось бы число каналов, равное числу элементов изображения, что практически невозможно. Поэтому в ТВ используется последовательная передача сигналов яркости элементов изображения, называемая разверткой. Процесс развертки заключается в периодическом движении развертывающих элементов по передаваемому и воспроизводимому изображениям. В настоящее время для развертки используется электронный луч передающей и приемной ТВ трубок. Способ перемещения электронных лучей по плоскости изображений может быть любым. Однако для правильного воспроизведения изображения закон движения электронных лучей при передаче и приеме изображений должен быть строго одинаковым, т.е. необходимо соблюдать. синхронность и синфазность разверток

В ТВ принята линейно-строчная развертка, при которой по всей площади изображения движение развертывающего элемента осуществляется по двум взаимно перпендикулярным направлениям: по горизонтали – вдоль оси x и по вертикали по – оси y. За счет движения электронного луча по горизонтали прочерчиваются параллельные прямые линии, называемые строками. Движение от начала к концу строки образует прямой ход развертки, а возвращение развертывающего элемента от конца предыдущей строки к началу следующей называется обратным ходом, который необходим для подготовки к развертке следующей строки. В результате перемещения по вертикали, создаваемого кадровой разверткой, все строки располагаются одна под другой и образуют геометрическую фигуру, называемую растром.

Если все строки растра прочерчиваются последовательно одна под другой, то такая развертка называется прогрессивной. При прогрессивной развертке за один период кадровой развертки происходит передача неподвижного изображения, называемого кадром.

Закон движения развертывающего элемента вдоль оси х как функция времени x = f(t) изображается в виде кривой пилообразной формы (рис. 11.5, а). Чтобы строчки растра были параллельными и располагались одна под другой, характер движения по вертикали также делается линейным. При этом строчки растра оказываются несколько наклоненными по отношению к горизонтальной границе ТВ изображения, что при большом числе строк разложения практически незаметно. Закон движения развертывающего элемента по вертикали как функция времени y = f(t) аналогичен закону движения по горизонтали и также является пилообразным (см. рис. 11.5, б). Аналогично строчной кадровая развертка имеет прямой и обратный ходы.

Число строк разложения определяется разрешающей способностью глаза и оптимальным углом рассматривания ТВ изображения. Чтобы строчная структура изображения не была заметной, отечественным ТВ стандартом принято число строк z, равное 625, при условии, что наблюдатель находится на расстоянии 5h (пяти высот ТВ экрана). В этом случае зритель будет воспринимать ТВ изображение в вертикальной плоскости под оптимальным углом 15°. Выбранное число строк характеризует четкость ТВ изображения в вертикальном направлении, т.е. способность воспроизводить мелкие детали по вертикали.

В перспективных системах телевидения для обеспечения максимальной комфортности зрителей предлагается рассматривать ТВ изображение с расстояния 3h, т.е. под углом 20° в вертикальной плоскости. Для слияния строчной структуры ТВ изображений и повышения вертикальной четкости при таком расстоянии рассматривания требуется увеличение числа строк разложения в каждом кадре практически в 2 раза. Системы с увеличенным числом строк разложения получили название ТВ систем высокой четкости (ТВЧ).

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте основные принципы построения спутниковых систем связи.

2. Приведите структурную схему спутниковой системы передачи, поясните назначение элементов схемы.

3. Какие сообщения передаются по спутниковым линиям связи?

4. Какие основные службы радиосвязи организуются в спутниковых системах?

5. Каковы преимущества беспроводных сетей по сравнению с проводными?

6. Перечислите основные виды систем подвижной радиосвязи.Что дает использование сотовой структуры в сетях подвижной радиосвязи?

7. Какова основная особенность транкинговых систем мобильной связи?

8. Каковы основные преимущества транкинговых систем по сравнению с сотовыми?

9. Перечислите основные характеристики зрительного анализатора.

10. Каким способом осуществляется развертка ТВ изображения?

11. Из каких условий определяется число строк разложения ТВ изображения?

12. Чему равняется частота смены кадров в ТВ системе?

13. Какими способами ТВ программы доводятся до телезрителей?

14. В каких диапазонах радиоволн ведется ТВ вещание?

15. Как обеспечивается совместная работа большого количества ТВ станций?

16. С какой целью осуществляется смещение несущих частот передающих ТВ радиостанций?