Системы передачи информации

Современная методология исследований требует рассматривать любой объект как систему, т.е. совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Для реализации процесса передачи информации в настоящее время человечество в основном использует различные радиотехнические устройства, образующие некую систему передачи информации. Система передачи информации (СП) это совокупность технических средств, объединенных в единую технологическую цепочку и использующих общий физический принцип обработки и передачи сигналов, а также определенный порядок взаимодействия отдельных элементов между собой (спутниковая, сотовая, телефонная системы и т.д.).

Очень часто в производственно-хозяйственной деятельности используется термин «система связи». Под системой связи будем понимать совокупность средств, способов и принципов организации связи.

В общем, любая СП включает в себя следующие основные элементы: передающую аппаратуру (передатчик), приемную аппаратуру (приемник) и линию связи (ЛС). В качестве приемной и передающей части СП выступают разнообразные технические устройства связи, которые формируют сигналы, а также осуществляют их обработку и передачу. ЛС является физическим соединителем передатчика и приемника. Под линией связи следует понимать среду передачи сигнала, а также совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сигнала по этой среде.

Для передачи информации абоненты используют технические средства, формирующие и передающие электрические сигналы. Эти радиотехнические устройства каким-то образом должны быть способны взаимодействовать друг с другом. Цепочку оборудования (передатчик и приемник) и среда распространения сигнала, которые будет использоваться для передачи информации в совокупности образуют канал связи (КС).

В зависимости от того, в какой форме будет передаваться электрический сигнал, КС делятся на аналоговые и цифровые (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Разновидности КС по форме передаваемого сигнала

Аналоговые КС являются наиболее распространенными по причине длительной истории их развития и простоты реализации. Цифровые КС перспективны и в настоящее время находят все большее практическое применение для передачи всех видов сообщений, они постепенно заменяют аналоговые КС.

Любой канал по аналогии с сигналом характеризуется временем передачи сигнала по каналу (T_k), полосой пропускания (F_k) и динамическим диапазоном (D_k) [1]. Полосой пропускания КС называют диапазон частот сигналов, возможный для передачи по КС с допустимым уменьшением энергетики сигнала. Под динамическим диапазоном понимают логарифмическое отношение мощности сигнала (Р_с) к мощности помех (Р_п), присутствующих в канале:

D_k = 10lg (P_с / P_п).

Обобщенной же характеристикой КС служит его емкость (V_k), которая определяет условие неискаженной передачи сигналов:

V_k = T_k · F_k · D_k.

Количественной характеристикой КС является пропускная способность канала (С_k), которая численно равна максимальному количеству информации, возможному для передачи по каналу за единицу времени, т.е. максимальной скорости передачи информации:

С_k = F_k · log₂ (1 + P_c/P_ш).

Единицей измерения пропускной способности КС (скорости передачи информации) служит «Бит/с». Логично заключить, что чем шире полоса частот канала и больше отношение сигнал/шум, тем канал лучше.

Каналы связи, используемые для передачи информации, имеют полосу пропускания F_k = 0,3-3,4 кГц. Данный диапазон частот, является эффективно передаваемой полосой частот речевого сообщения. Эта полоса пропускания принята за стандартную при построении ряда систем передачи информации, а каналы с этой полосой пропускания получили название каналов тональной частоты (КТЧ).

Как правило, каналы имеют двухпроводное или четырехпроводное окончание. Для краткости их называют, соответственно, двухпроводными и четырехпроводными (рис. 1.9).

а б

Рис. 1.9. Абонентское окончание каналов связи: а) четырехпроводное, б) двухпроводное

Четырехпроводные КС имеют два провода для передачи сигнала и еще два провода для приема сигнала. Преимуществом таких каналов является практически полное отсутствие или малое влияния друг на друга сигналов, передаваемых во встречных направлениях.

Двухпроводные КС позволяют использовать два провода, как для пере­дачи, так и для приема сигналов. Двухпроводные КС требуют решение задачи разделения принимаемого и передаваемого сигналов. Такая развязка реализу­ется при помощи дифференциальных систем (ДС) в составе оконечной аппаратуры, обеспечивающих необходимое затухание сигналов по встречным направлениям передачи. Двухпроводные КС позволяют экономить на стоимости линий связи, но требуют усложнения каналообразующей аппаратуры и аппаратуры пользователя.

Для оценки качества КС используют амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики (соответственно АЧХ и ФЧХ) КС, определяющие степень и характер изменения сигнала, проходящего по исследуемому каналу. Коррекция этих характеристик в основном осуществляется в приемном устройстве. Нормы на амплитудно-частотные и фазочастотные искажения заданы в виде шаблонов (рис. 1.10).

Если сравнить допустимые отклонения остаточного затухания (а_ост) и допустимые отклонения группового времени передачи (ГВП), то можно отметить, что для цифровых каналов нормы более жесткие, поэтому КТЧ, организованные с помощью цифровых систем, являются более качественными. Качество обеспечивается минимизацией отклонения формы принятого сигнала от первоначальной формы передаваемого сигнала. Этот фактор, наряду с некоторыми другими, является одним из определяющих перспективу развития цифровой связи.

В простейшем виде электрическая связь осуществляется следующим образом (рис. 1.11). Между абонентами организуется канал связи. Отправитель подает сообщение, которое на передающем пункте должно быть превращено в электрический сигнал. Преобразование сообщения в первичный электрический сигнал происходит в определенном устройстве, обобщенно называемом первичным преобразователем (преобразователем сообщения (неэлектрических сигналов) в электрические сигналы).

а б

в г

Рис. 1.10. Шаблоны норм на искажения (отклонения характеристик) каналов связи:

а) амплитудно-частотная характеристика аналогового канала;

б) фазовочастотная характеристика аналогового канала;

в) амплитудно-частотная характеристика цифрового канала;

г) фазочастотная характеристика цифрового канала.

 

Рис. 1.11. Структурная схема односторонней связи между двумя абонентами:

1 - источник информации (отправитель);

2 – первичный преобразователь;

3 - передатчик;

4 - ЛС;

5 - приемник;

6 – обратный преобразователь;

7 – получатель информации.

Примером первичного преобразователя служат микрофоны различного назначения, телевизионные передающие трубки в видео и телекамерах, датчики в системах сигнализации и др. Процесс передачи информации (формирование сигналов, их обработка, передача, прием и т.д.) является многоступенчатым, состоящим из целого ряда преобразований, которые происходят в специальных радиотехнических приборах (устройствах).

Эти устройства можно разбить на два класса преобразователей. Одни преобразователи изменяют физическую природу сигнала, при этом сохраняя тождественность (соответствие) параметров первоначального сигнала (сообщения) и полученного сигнала. К таким преобразователям относят, например, микрофоны, фотоэлектрические преобразователи, электронно-лучевые трубки и т.д.). Другой класс преобразователей изменяет характеристики сигнала, не меняя его физическую природу (усилители, фильтры).

После первичного преобразования сигнал поступает в передатчик. Передатчик, в зависимости от вида связи, выполняет ряд функций преобразования электрического сигнала для приведения сигнала к виду необходимому для передачи по ЛС, например, усиление, кодирование и др.

По ЛС сигнал поступает в приемное устройство. Прохождение сигнала по ЛС сопровождается его ослаблением и искажением формы. Данные процессы зависят от характеристик среды передачи и протяженности ЛС. Приёмник служит для восстановления сигнала. Восстановление сигнала подразумевает устранения искажений первоначальной формы электрического сигнала. Полученное сообщение поступает второму абоненту, участвующему в процессе передачи информации, - получателю.

При передаче информации главным требованием является тождественность (совпадение) переданного и принятого сигнала. На практике выполнить это требование в полной мере не всегда удаётся не только из-за искажений сигнала, но и шумов, имеющих случайный характер. Шум (помеха) – это любой нежелательный сигнал или любое случайное воздействие на полезный сигнал, что мешает нормальному распознаванию полезного сигнала приемником и выражается в ухудшении качества связи. Наиболее распространенное место воздействия помех - линия связи. Наличие шумов в линии приводит к снижению пропускной способности КС (иногда до ноля).

Для передачи информации в обратную сторону в каждом из пунктов передачи и приема необходимо иметь и комплект передающего оборудования, и комплект приемного оборудования. Большая часть технических устройств связи (особенно оконечных) имеют в своем составе и передающую и приемную часть и, при необходимости (использование одной линии связи), схемы разделения тракта передачи и тракта приема (дифференциальные системы).

Как показывает практика, человек по роду своей деятельности или в быту осуществляет обмен информацией со множеством абонентов. Разумеется, что прокладка множества ЛС отдельно к каждому абоненту - нереальная задача. Для того чтобы обмен сообщениями мог осуществляться между многими абонентами, находящимися в различных точках, каждому абоненту предоставляется только одна физическая линия, которая соединяет абонента с определенным коммутационным центром, и на этом центре может происходить соединение между собой линий любых абонентов.

Такие центры получили название узлов связи (УС), представляющих собой организационно-техническое объединение технических средств связи и обеспечивающие распределение информационных потоков. В качестве узлов связи (пунктов распределения) выступают, например, телефонные станции в телефонных сетях или пункты приема-передачи (ретрансляторы) в радиосвязи. В пожарно-спасательных подразделениях УС являются диспетчерские пункты связи.

Во многих современных СП используется цифровой сигнал при обработке информации. При этом зачастую необходимо преобразовать непрерывное сообщение (часто используемую человеком форму информации) в цифровой сигнал, то есть в последовательность импульсов, сохранив содержащуюся в сообщении существенную часть информации. Это осуществляется следующим образом. Источник непрерывных сообщений, в качестве которого может выступать человек с микрофоном, формирует непрерывный сигнал U(t), который изменяется и в любые моменты принимает любые из возможных значений. Для преобразования аналогового сигнала в дискретную форму служит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Общая схема дискретного (цифрового) канала связи

Аналогово-цифровое преобразование состоит из трех этапов.

1. Дискретизация. Производится выборка значений аналогового сигнала с интервалом определенной длительности (Δ t) (рис. 1.13. а,б).

2. Квантование. Весь диапазон изменения уровня сигнала (U_max) делится на определенное количество уровней (уровни квантования). Уровень квантования – это заранее определенное значение напряжения сигнала. Значение аналогового сигнала в моменты времени, определяемые на этапе дискретизации, «округляется», т.е. заменяется ближайшим значением уровня квантования. При равномерном квантовании интервал квантования (Δ U) одинаков между любыми уровнями. В результате квантования получается определенная последовательность импульсов, имеющих одинаковую длительность, но различных по амплитуде (рис. 1.13. в).

3. Кодирование. Значение уровня квантования (амплитуды импульсов) преобразуется в цифровой код - двоичное число, разрядность которого определяется числом уровней квантования (рис. 1.13. г). Правомерно сказать, что кодирование определяет математическую сторону процесса превращения сообщения в дискретный (цифровой) сигнал.

При передаче цифрового сигнала по классическим проводным линиям связи (аналоговым) на значительные расстояния, а также радиолиниям вероятность его искажения достаточно велика, а его восстановление в пункте приема затруднено. Поэтому для передачи сигнала по линии связи цифровой сигнал преобразуют в аналоговый сигнал на передающем пункте, а в пункте приема осуществляется обратное преобразование. Устройства, осуществляющие эти преобразования, называются модемами.

В современных технологиях передача сигнала может осуществляться и в цифровой форме, но все равно при этом будет осуществляться необходимое преобразование в модемном функциональном устройстве (модуляторе). Под термином «модем» не обязательно подразумевается устройство, выполняющее модуляцию или демодуляцию (МО дуляция / ДЕМ одуляция), а просто указывается на определенные операции преобразования сигналов для их передачи по линии связи.

Рис. 1.13. Принцип работы АЦП и ЦАП:

а) аналоговый сигнал; б) дискретизация; в) квантование; г) кодирование;

д) формы исходного (U(t) на входе АЦП) и полученного (U^*(t) на выходе ЦАП) сигналов

В пункте приема с выхода демодулятора цифровой сигнал после соответствующей обработки поступает в цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), в котором на декодере кодовые комбинации (рис. 1.13. г), преобразуются в квантованную последовательность (рис. 1.13. в), а далее фильтр по квантованным значениям восстанавливает непрерывный сигнал U^*(t), в идеале аналогичный U(t) (рис. 1.13. д).

Как видно из рисунка восстановленный сигнал не полностью повторяет исходный сигнал. Эти несоответствия в определенных точках и есть искажения сигнала. Чем меньше выбран интервал дискретизации (Δ t) и установлено больше уровней квантования (меньше Δ U), тем большее соответствие будет между аналоговым и цифровым сигналом при преобразованиях и тождественность полученного сигнала U^*(t) переданному (исходному) сигналу U(t).

В настоящее время во всем мире принят курс на цифровизацию сетей связи. Это объясняется существенными преимуществами цифровых методов передачи перед аналоговыми, среди которых выделяют следующие:

Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме, т.е. в виде последовательности символов с малым числом разрешенных уровней (обычно не более трех) и детерминированной частотой следования, позволяет осуществлять практически точную регенерацию (восстановление) этих символов на приеме, что резко снижает влияние помех и искажений на качество связи. При этом обеспечивается возможность использования цифровых СП на ЛС, где аналоговые системы применяться не могут. Цифровые методы передачи весьма эффективны при работе световодных линий, отличающихся относительно высоким уровнем дисперсионных искажений и нелинейностью оптических преобразователей.

Стабильность параметров цифровых СП. Стабильность и идентичность параметров каналов (АЧХ, ФЧХ и др.) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства составляют незначительную часть оборудования цифровых СП, стабильность параметров КС в таких системах значительно выше, чем в аналоговых. Кроме того, в пределах каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов оказываются ничтожными. Оборудование регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остается практически такими же, как и в случае передачи на малые расстояния, а длина регенерационного участка значительно увеличивается.

Эффективность использования пропускной способности КС. При вводе дискретных сигналов (например, передачи данных) непосредственно в групповой тракт цифровой СП скорость их передачи может приближаться к скорости передачи группового сигнала. Если, например, при этом будут использоваться временные позиции, соответствующие только одному КТЧ, то скорость передачи дискретных сигналов будет близка к 64 кбит/с, в то время как в аналоговых системах она обычно не превышает 9,6 кбит/с.

Высокие технико-экономические показатели. Цифровые СП в сочетании с цифровыми коммутационными станциями являются основой цифровой сети связи, в которой передача, транзит и коммутация сигналов осуществляются в цифровой форме. При этом параметры каналов практически не зависят от структуры сети, что обеспечивает возможность построения гибкой разветвленной сети связи, обладающей высокими надежностными и качественными показателями.

Передача и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать весь аппаратурный комплекс цифровой сети на чисто электронной основе с широким применением цифровых интегральных схем. Это позволяет резко уменьшать трудоемкость изготовления оборудования, добиваться высокой степени унификации узлов оборудования, значительно снижать его стоимость, потребляемую энергию и габаритные размеры. Кроме того, существенно упрощается эксплуатация систем с одновременным повышением надежности эксплуатации оборудования.

В заключении следует заметить, что цифровизация сетей постепенно, но неуклонно происходит у всех операторов связи. Преимущественно происходит перевод первичных сетей на цифровые методы передачи информации, в связи с большей эффективностью. Перевод вторичных сетей «на цифру» более затратен и поэтому продвигается более медленными темпами.

Стоимость сооружений связи достаточно велика и зависит от протяженности ЛС. Особенно это заметно при рассмотрении транспортных (первичных) сетей связи. Но потребности человечества в передаче информации постоянно растут, поэтому очень серьезной задачей является увеличение пропускной способности КС по возможности без изменения существующей структуры существующих сетей связи. Для этой цели применяют технологии, обеспечивающие одновременную передачу по общей ЛС нескольких информационных потоков (сообщений) (рис. 1.14).

Сигналы от разных источников смешиваются определенным образом на передающем пункте в общий сигнал и поступают в ЛС. На приемном пункте сигналы разделяются соответствующим образом так, чтобы каждый получатель принял адресованное именно ему сообщение. Для объединения информационных каналов в пункте передачи и их разделения в пункте приема применяется дополнительная каналообразующая аппаратура. Такой способ передачи информации носит название многоканальной связи.

 

Рис. 1.14. Структурная схема односторонней многоканальной связи:

1 - источники информации (отправители); 2 - преобразователи сообщения в сигнал;

3 – ПРД группового сигнала; 4 - ЛС; 5 – ПРМ группового сигнала;

6 - преобразователи сигнала в сообщение; 7 – получатели информации,

АУ – аппаратура уплотнения каналов, АР – аппаратура разделения каналов.

Многоканальная связь – передача информации при помощи систем электросвязи, обеспечивающих одновременную и независимую передачу сообщений от нескольких отправителей к такому же числу получателей. На практике встречаются системы многоканальной связи, позволяющие передавать информацию объема до несколько тысяч стандартных каналов. При этом каждое сообщение передается по отдельному «информационному» КС. Техническая реализация технологий многоканальной связи наиболее часто применяется для передачи информации по транспортным сетям связи.

В основу построения многоканальных СП положен принцип уплотнения ЛС, подразумевающий группировку нескольких сигналов от различных абонентских устройств в один общий групповой сигнал. Для одновременной передачи по одной ЛС нескольких сигналов разных информационных каналов последние должны быть разделены так, чтобы было исключено их взаимное влияние друг на друга.

В таблице 1.1 приведены параметры стандартных каналов, используемых в аналоговых и цифровых СП.