84768

СРЕДСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Для передачи электрических и оптических сигналов применяются электрические ЭЛС и волоконно-оптические ВОЛС линии связи соответственно. Передача электромагнитных сигналов осуществляется через радиолинии РЛС и спутниковые линии связи СЛС.

Русский

2015-03-21

599.62 KB

3 чел.

Лекция 5

2. СРЕДСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

2.1 Основные понятия

Телекоммуникация - передача данных на большие расстояния.

Средства телекоммуникации - совокупность технических, программных и организационных средств для передачи данных на большие расстояния.

Телекоммуникационная сеть - множество средств телекоммуникации, связанных между собой и образующих сеть определённой топологии (конфигурации). Телекоммуникационными сетями являются (рис.32):

• телефонные сети для передачи телефонных данных (голоса);

• радиосети для передачи аудиоданных;

• телевизионные сети для передачи видеоданных;

• цифровые (компьютерные) сети или сети передачи данных (СПД) для передачи цифровых (компьютерных) данных.

Рис. 32

Данные в цифровых телекоммуникационных сетях формируются в виде сообщений, имеющих определенную структуру и рассматриваемых как единое целое.

Данные (сообщения) могут быть:

• непрерывными;

• дискретными.

Непрерывные данные могут быть представлены в виде непрерывной функции времени, например, речь, звук, видео. Дискретные данные состоят из знаков (символов).

Передача данных в телекоммуникационной сети осуществляется с помощью их физического представления - сигналов.

В компьютерных сетях для передачи данных используются следующие типы сигналов (рис.33):

• электрический (электрический ток);

• оптический (свет);

• электромагнитный (электромагнитное поле излучения — радиоволны).

Для передачи электрических и оптических сигналов применяются электрические (ЭЛС) и волоконно-оптические (ВОЛС) линии связи соответственно.

Рис. 33

Передача электромагнитных сигналов осуществляется через радиолинии (РЛС) и спутниковые линии связи (СЛС).

Сигналы, как и данные, могут быть:

• непрерывными;

• дискретными.

При этом, непрерывные и дискретные данные могут передаваться в телекоммуникационной сети либо в виде непрерывных, либо в виде дискретных сигналов.

Процесс преобразования (способ представления) данных в вид, требуемый для передачи по линии связи и позволяющий, в некоторых случаях, обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие из-за помех при их передаче, называется кодированием. Примером кодирования является представление данных в виде двоичных символов. В зависимости от параметров среды передачи и требований к качеству передачи данных могут использоваться различные методы кодирования.

Линия связи - физическая среда, по которой передаются информационные сигналы, формируемые специальными техническими средствами, относящимися к линейному оборудованию (передатчики, приемники, усилители и т.п.).

Линии связи можно разбить на 2 класса:

• кабельные (электрические и волоконно-оптические линии связи);

• беспроводные (радиолинии).

На основе линий связи строятся каналы связи.

Канал связи представляет собой совокупность одной или нескольких линий связи и каналообразующего оборудования, обеспечивающих передачу данных между взаимодействующими абонентами в виде физических сигналов, соответствующих типу линии связи.

При передаче сигнала через некоторую среду передачи (линия связи, некоторое устройство) происходит изменение сигнала (усиление или ослабление), обусловленное техническими и физическими свойствами среды передачи.

Усиление и ослабление (отношение энергий или мощностей) некоторой физической величины - сигнала (напряжения, тока, мощности, энергии поля и т.д.) измеряют в децибелах (дБ) - логарифмических единицах усиления (ослабления):

,

где и  - значения мощности (энергии) соответственно входного и выходного сигналов.

Отношение  называется коэффициентом передачи.

Величина  , выраженная в децибелах, называется коэффициентом усиления, если  , и коэффициентом затухания, если . На практике обычно знак минус перед коэффициентом затухания опускают и определяют часто коэффициент затухания как положительную величину.

Сигналы, как и данные, могут быть:

• непрерывными (аналоговыми) - в виде непрерывной функции времени (изменение тока, напряжения, электромагнитного поля излучения);

• дискретными (цифровыми) - в виде импульсов тока, напряжения, света.

Полосой пропускания (частот) канала (линии) связи называется диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения.

2.2 Системы связи на основе непрерывных и дискретных каналов

Система связи - совокупность среды передачи (канала связи), оконечного оборудования (терминальное устройство) источника и получателя данных (сообщения), характеризующаяся определенными способами преобразования передаваемого сообщения в сигнал и восстановления сообщения по принятому сигналу.

Система связи в общем случае включает в себя (рис.34):

• источник сообщения (ИС);

• передающее устройство (ПУ), включающее в себя преобразователь сообщения в первичный сигнал (ПСПС), реализующий кодирование и передатчик (П), преобразующий первичный сигнал в линейный сигнал для передачи по линии связи (модуляция);

• приемное устройство (ПрУ), включающее в себя приемник (Пр), преобразующий линейный сигнал, поступающий из линии связи, в первичный сигнал (демодуляция) и преобразователь первичного сигнала в сообщение (ППСС), реализующий декодирование;

• получатель сообщения (ПС).

Рис. 34

На линию связи воздействуют внутренние шумы и внешние помехи, искажающие передаваемые сигналы. Способность системы противостоять вредному воздействию помех называется помехоустойчивостью. Линия связи может содержать усилители и регенераторы. Усилитель, обычно используемый в аналоговых системах связи, просто усиливает сигнал вместе с помехами и передаёт дальше. Регенератор («переприёмник»), используемый в цифровых системах связи, восстанавливает сигнал без помех и заново формирует линейный сигнал.

Конкретная структура системы связи зависит от вида передаваемых данных. Для передачи дискретных данных, представленных в двоичном виде, используются двоичные системы связи как с непрерывными (аналоговыми), так и с дискретными (цифровыми) каналами связи.

Каноническая схема системы связи на основе непрерывного (аналогового) канала связи для передачи двоичных сигналов, представленная на рис.35. содержит ИДС - источник двоичных сигналов; М — модулятор; Ф - фильтры; ДМ — демодулятор; ПДС - приёмник двоичных сигналов.

Рис. 35

Фильтры выполняют функции корректирующих устройств, обеспечивая требуемые динамические или частотные свойства передаваемого сигнала:

• при передаче - преобразование сигнала, передаваемого в ЛС, таким образом, чтобы он обладал определенными свойствами;

• при приеме - выделение полезного сигнала на фоне помех.

Примером непрерывно канала связи может служить телефонный канал, называемый каналом тональной частоты (ТЧ), с полосой пропускания 3100 Гц. Строгое ограничение полосы пропускания канала ТЧ связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях и реализуется с помощью фильтров, отсекающих частоты менее =300 Гц и более =3400 Гц.

Каноническая схема системы связи на основе дискретного (цифрового) канала связи, представленная на рис.36, содержит УС - устройство сопряжения с каналом связи; УЗО - устройство защиты от ошибок; УПС - устройство преобразования сигналов.

Рис. 36

2.3 Классификация и характеристики каналов связи

Классификация каналов связи представлена на рис.37.

Рис. 37

В зависимости от типа передаваемых данных каналы связи делятся на непрерывные, предназначенные для передачи непрерывных (аналоговых) сигналов, и дискретные, предназначенные для передачи дискретных (цифровых) сигналов.

В зависимости от направления передачи данных различают каналы связи:

• симплексные, в которых данные передаются только в одном направлении;

• дуплексные, представляющие собой два симплексных канала, в которых данные могут передаваться в один и тот же момент времени в двух направлениях - прямом и обратном;

• полудуплексные, в которых данные могут передаваться поочерёдно в прямом и обратном направлении.

Каналы связи могут быть всегда доступны для передачи данных за счёт постоянно существующего соединения между абонентами. Такие каналы называются выделенными или некоммутируемыми.

Альтернативой им являются коммутируемые или временные каналы связи, передача данных по которым возможна только после установления соединения между абонентами, причём канал существует только в течение времени передачи данных (сеанса связи).

Двухточечный канал связи строится по принципу «точка-точка», то есть связывает только двух абонентов. Многоточечный канал связи строится по принципу «точка-многоточка» и обеспечивает передачу данных от одного абонента к нескольким абонентам, например так, как это происходит при конференцсвязи.

В качестве основных характеристик каналов связи используются следующие величины.

1. Скорость модуляции [бод] - число интервалов модуляции передаваемого сигнала в секунду (число переключений, сделанных за секунду); величина, обратная единичному интервалу: .

2. Пропускная способность канала связи [бит/с или bps] - предельная скорость передачи данных - количество данных, которое может быть передано по каналу связи за единицу времени.

Предельная пропускная способность непрерывного (аналогового) КС зависит от полосы пропускания  и SNR - отношения мощности сигнала  к мощности шума (помех)  и может быть рассчитана по формуле Шеннона:

Как следует из формулы Шеннона, пропускная способность канала связи может быть повышена за счёт увеличения полосы пропускания  или увеличения отношения сигнал/шум, причём более эффективным является первый способ, поскольку логарифмическая зависимость пропускной способности С от отношения  делает второй способ менее эффективным и более трудоёмким.

При передаче данных по телефонному каналу с полосой пропускания =3,1 кГц (=0,3 кГц; =3,4 кГц) с использованием модемов основной способ повышения пропускной способности состоит в увеличении отношения сигнал/шум. С учётом того, что максимальное значение SNR в аналоговом телефонном канале составляет примерно 3000, получим предельную пропускную способность С около 34 кбит/с, что согласуется со стандартным значением 33600 бит/с. Более высокие скорости передачи могут быть обеспечены только при условии передачи данных по цифровым телефонным линиям связи, причём на пути передачи должны находиться только цифровые телефонные станции.

Пропускная способность дискретного КС, построенного на основе непрерывного канала, без учета шума на линии может быть вычислена по формуле Найквиста:

где - длительность единичного интервала;  - число значащих позиций в коде (количество различимых состояний информационного параметра).

Реальная скорость передачи по каналу связи, измеряемая как количество данных, передаваемое за единицу времени (бит/с), обычно меньше пропускной способности и зависит от параметров каналообразующей аппаратуры и способа организации передачи данных.

3. Достоверность передачи данных - вероятность искажения бита из-за воздействия помех и наличия шумов в канале связи (обычно для КС без дополнительных средств защиты составляет от  до ); иногда используется единица измерения BER (Bit Еrrоr Rate) — интенсивность битовых ошибок.

2.4 Многоканальные системы связи

Системы связи, в которых по одной линии связи осуществляется одновременная независимая передача сигналов между несколькими парами абонентов, называются многоканальными.

Использование общей линии для осуществления многоканальной связи называется уплотнением линии, а соответствующие технические средства - аппаратурой уплотнения.

Схема многоканальной системы связи приведена на рис.38, где основными устройствами являются: устройство уплотнения (УУ), объединяющее в единый поток поступающие от передающих устройств (ПУ) сообщения, формируемые источниками сообщений (ИС), и устройство разделения (УР), выделяющее из единого потока данных сообщения, поступающие в приемные устройства (ПрУ) и предназначенные соответствующим получателям сообщений (ПС).

Технология разделения среды передачи данных между несколькими парами пользователей называется мультиплексированием. В результате мультиплексирования в одном физическом канале создается группа логических каналов.

Рис. 38

В компьютерных сетях используются следующие методы мультиплексирования:

• частотное мультиплексирование;

• временное мультиплексирование;

• волновое мультиплексирование.

Частотное мультиплексирование (Frequency Division Multiplexing - FDM) состоит в формировании в пределах полосы пропускания  физического канала (линии связи) нескольких логических каналов , связывающих соответственно пользователей . Каждый такой логический канал занимает полосу (рис.39).

Для исключения влияния друг на друга сигналов, передаваемых по соседним логическим каналам, между ними формируется частотный промежуток  , служащий границей между каналами.

Рис. 39

Примерами частотного мультиплексирования могут служить радиовещание и сотовая связь.

Временное мультиплексирование (Time Division Multiplexing - TDM) заключается в поочерёдном предоставлении взаимодействующим пользователям на небольшой промежуток времени, называемый временным слотом, всей пропускной способности канала.

В качестве такого временного слота может служить интервал времени, необходимый для передачи одного байта, кадра или пакета.

Временное мультиплексирование появилось и разрабатывалось для цифровых сетей связи.

На рис.40 иллюстрируется временное мультиплексирование, обеспечивающее параллельную передачу данных между четырьмя парами пользователей: , для передачи одного байта каждой паре пользователей в строго определённой последовательности предоставляется временной слот: слот 1 для передачи байта от , слот 2 - от , слот 3 - от , слот 4 - от .

Четыре таких слота, содержащие по одному байту для каждой пары пользователей, образуют цикл. Циклы последовательно повторяются до тех пор, пока не закончится передача данных. Если в цикле отсутствуют данные для передачи от пользователя  , то соответствующий слот  остаётся пустым и не может быть занят другим пользователем. Это необходимо для того, чтобы на приёмной стороне демультиплексор (ДМП) мог корректно разделять поступающий поток байтов по номеру слота и направлять каждый байт именно тому пользователю, которому он предназначен.

Рис. 40

Рассмотренный метод временного мультиплексирования называется статическим или синхронным, поскольку каждый байт от пользователей  занимает строго определённый слот в каждом цикле.

Очевидно, что недостатком синхронного мультиплексирования является снижение реальной пропускной способности канала связи в тех случаях, когда в пределах цикла не все временные слоты заняты, причём чем больше слотов не занято, тем ниже реальная пропускная способность канала.

Альтернативой синхронному временному мультиплексированию служит статистическое или асинхронное мультиплексирование, отличающееся тем, что слоты не привязаны строго к конкретной паре пользователей. Это означает, что при отсутствии данных для передачи у какого-то пользователя, очередной слот не остаётся пустым, а предоставляется другому пользователю. Таким образом, за счёт сокращения простоев реальная пропускная способность канала связи оказывается выше, чем при синхронном мультиплексировании.

Для того чтобы на приёмной стороне ДМП мог направить поступившие в очередном слоте данные именно тому пользователю, которому они предназначены, необходимо, чтобы эти данные имели некоторый идентификатор (например, адрес), определяющий конкретного пользователя-получателя. Это означает, что такой метод временного мультиплексирования, используемый например в АТМ-сетях, предполагает в качестве содержимого слота не байт, а некоторый блок данных, называемый в АТМ-сетях ячейкой и содержащий идентификаторы отправителя и получателя.

Волновое мультиплексирование (Wavelength Division Multiplexing – WDМ), называемое также спектральным уплотнением, используется в волоконно-оптических линиях связи. По своей сути, волновое мультиплексирование представляет собой частотное уплотнение на очень высоких частотах (сотни ТГц).

На рис.41 показана передача данных по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) от четырёх пользователей  к пользователям  соответственно.

Для одновременной передачи по одной и той же линии связи используются разные длины волн:  или, что то же самое, разные частоты светового диапазона. На передающей стороне оптические лучи объединяются с помощью оптического сумматора (ОСм) в единый световой поток . На приёмной стороне оптический разделитель (ОР) выделяет оптические сигналы по известной длине волны и направляет их соответствующим пользователям.

Рис 41

Технология WDM появилась в начале 90-х годов прошлого века. Первые реализации позволяли передавать одновременно данные по 8 спектральным каналам со скоростью 2,5 Гбит/с по каждому каналу. Затем появились реализации, содержащие 16, 32, 40 и более спектральных каналов со скоростями 10 Гбит/с по каждому каналу. Увеличение числа логических каналов привело к появлению оптических магистралей нового поколения, построенных по технологии уплотнённого волнового мультиплексирования - DWDM (Dense WDM), отличающегося от WDM значительно меньшим расстоянием между длинами волн.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68722. ОРФОЭПИЧЕСКИЕ НОРМЫ РУССКОГО ЛИТЕРАТУРНОГО ЯЗЫКА 44.03 KB
  Орфоэпия (от греческих слов: orthos - прямой, правильный и epos - речь) - это совокупность правил, устанавливающих единообразное произношение. Орфоэпия указывает, как должны произноситься те или иные звуки в определенных фонетических положениях, в определенных сочетаниях с другими звуками, а также в определенных...
68723. Традиционалистский и техногенный типы цивилизационного развития 25.5 KB
  Понятие цивилизации впервые возникло в 18 веке во Франции для обозначения общества, в котором господствует свобода, равенство и братство. Позднее в исторической и философской литературе под цивилизацией стали понимать различные культурно-исторические типы обществ, объединявших несколько государств...
68724. Инновационный рынок 20.58 KB
  Классификация научных организаций по секторам науки Сектор Содержание Государственный Организации министерств и ведомств которые осуществляют управление государством и удовлетворение потребностей общества в целом: государственная оборона общественный порядок здравоохранение культура социального обеспечения и пр.
68725. Закономерности глобализации мировой экономики и ее воздействие на функционирование национально-государственных систем. Теоретическая проблема экономической безопасности 48 KB
  Одним из ключевых процессов развития мировой экономики на грани ХХ ХХI веков является прогрессирующая глобализация т. Интернационализация хозяйственной деятельности это усиление взаимосвязи и взаимозависимости экономик отдельных стран влияние международных экономических отношений...
68727. Эпоха Возрождения как канун становления классической науки 40 KB
  В городах стали возникать светские центры науки и искусства деятельность которых находилась вне контроля церкви. В формировании мышления этой эпохи огромное влияние сыграло наследие античной науки. Особенности науки эпохи Возрождения: 1 антисхоластическая направленность взглядов и сочинений...