Аналоговые и цифровые линии связи

Линии связи могут быть аналоговыми или цифровыми. Данные, изначально имеющие аналоговую, непрерывную форму, такие, как речь, фото и телевизионные изображения, телеметриче­ская информация, в последнее время все чаще передаются по каналам связи в дискретном виде, т. е. в виде последовательно­сти «нулей» и «единиц». Для преобразования непрерывного сиг­нала в дискретную форму производится дискретная модуляция, называемая также кодированием.

Применяются два типа кодирования данных. Первый — на основе непрерывного синусоидального несущего сигнала — называется аналоговой модуляцией, или просто модуляцией. Кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналого­вого сигнала. Второй тип кодирования называется цифровым кодированием и осуществляется на основе последовательности прямоугольных импульсов. Эти способы кодирования различаются шириной спектра передаваемого сигнала и сложностью аппаратуры для их реализации.

Промежуточная аппаратура используется на линиях большой протяженности и решает две задачи: улучшение качества сигнала и создание составного канала связи между двумя абонентами. В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов, т. е. сигналов, которые имеют непрерывный диапазон значений. Такие линии традиционно применялись в телефонных сетях с узкой полосой частот, представителем которых является канал тональной частоты. Аналоговые линии используются для связи между собой телефонных станций, для создания высокоскоростных каналов, которые мультиплексируют несколько низкоскоростных аналоговых абонентских каналов. При аналоговом подходе для уплотнения низкоскоростных каналов абонентов в общий высокоскоростной канал обычно используется техника разделения частот или частотного мультиплексирования — FDM (Frequency Division Multiplexing). FDM — разбиение средств передачи на два канала и более путем разделения полосы частот канала на узкие «подполосы», образующие каждая отдельный канал в одной и той же физической среде.

Современные телекоммуникационные системы и сети явились синтезом развития двух исходно независимых сетей: сетей электросвязи (телефонной, телеграфной, телетайпной и радиосвязи) и вычислительных сетей. Логика развития систем связи требовала применения цифровых систем передачи данных, а также применения вычислительных средств для решения задач маршрутизации, управления трафиком, сигнализации; в свою очередь, логика развития вычислительной техники требовала все большего применения средств связи между периферийными устройствами и отдельными ЭВМ. Достигнутое в результате этих двух встречных движений совмещение техники связи с вычислительной техникой позволило усовершенствовать технологию обслуживания телефонной клиентуры и повысить эффективность отрасли связи, а также полнее использовать ресурсы вычислительных центров, вычислительных систем и сетей путем перераспределения их ресурсов и распараллеливания между ними задач и информационных потоков.

Многие сети общего пользования традиционных операторов являются в основном аналоговыми. Сети связи, создаваемые новыми операторами — цифровые, что обеспечивает внедрение современных служб и гарантирует перспективность этих сетей. В то же время существующие аналоговые сети активно используются для передачи информации как в аналоговой форме (телефония, радиотелефония, радиовещание и телевидение), так и для передачи дискретных (цифровых) данных. Носителем информации в телекоммуникационных каналах являются электрические сигналы (непрерывные, называемые аналоговыми, и дискретные или цифровые) и электромагнитные колебания — волны.

Для передачи по цифровым каналам аналогового сообщения в виде непрерывной последовательности (телеметрические, метеорологические данные, данные систем контроля и управления) она предварительно оцифровывается. Частота оцифровки обычно равна порядка 8 кГц, через каждые 125 мкс значение величины аналогового сигнала отображается 8-разрядным двоичным кодом. Таким образом, скорость передачи данных составляет 64 кбит/с. Объединение нескольких таких базовых цифровых каналов в один (мультиплексирование) позволяет создавать более скоростные каналы: простейший мультиплексированный канал обеспечивает скорость передачи 128 кбит/с, более сложные каналы, например, мультиплексирующие 32 базовых канала, обеспечивают пропускную способность 2048 Мбит/с. С помощью цифровых каналов подключаются к магистралям также и офисные цифровые АТС.

Цифровые абонентские каналы в режиме коммутации кана­лов используются в наиболее распространенной цифровой сети с интеграцией услуг ISDN (Integrated Services Digital Network). По популярности сеть ISDN уступает лишь аналоговой телефонной сети. Адресация в ISDN организована так же, как и в теле­фонной сети, так как сеть создавалась для объединения существующих телефонных сетей с появляющимися сетями передачи данных. Поэтому сети ISDN позволяют объединять разнообразные виды связи (видео-, аудиопередачу данных, тексты, компь­ютерные данные и т. п.) со скоростями 64 кбит/с, 128 кбит/с, 2 Мбит/с и 155 Мбит/с на широкополосных каналах связи.

Заметим, что названием «ISDN» принято именовать и сеть, использующую технологию ISDN, и протокол, применяющий эту технологию.

Активно развиваются и другие типы цифровых систем, из которых следует отметить модификации технологии цифровых абонентских линий DSL (Digital Subscriber Line). HDSL (High Bit Rate DSL) — высокоскоростной вариант абонентской линии ISDN.

Конкуренцию ISDN и HDSL могут составить цифровые магистралис синхронно-цифровой иерархией SDN (Synchronous Digital Hierarchy). В системе SDN имеется иерархия скоростей передачи данных. В магистралях SDN применяются оптоволоконные линии связи и частично радиолинии.

В цифровых линиях связи передаваемые сигналы в форме прямоугольных импульсов имеют конечное число состояний, обычно 2, 3, иногда 4. Такими сигналами передаются компьютерные данные и оцифрованная речь и изображения. За один такт работы передающей аппаратуры передается один элементарный сигнал — 1 бит. Промежуточная аппаратура улучшает форму импульсов и восстанавливает длительность периода их следования. Она также осуществляет уплотнение низкоскоростных каналов абонентов в общий высокоскоростной канал, работая по принципу их разделения во времени, так называемого временного мультиплексирования каналов TDM (от Time Division Multiplexing), когда каждому низкоскоростному каналу выделяется определенная доля времени (квант или тайм-слот) высокоскоростного канала.

Рисунок 2.3 иллюстрирует способ кодирования, называемый полярным кодированием: положительное напряжение — логический «0», отрицательное — логическая «1». Этот метод прост и логичен, но имеет существенный недостаток — необходимость синхронизации. Когда двоичный код включает две или более следующих друг за другом единиц (или нулей), то на протяжении двух и более бит не происходит изменения напряжения. При обмене информацией двух вычислительных систем, не имеющих синхронизированных с большой точностью таймеров, невозможно правильно определить количество переданных бит. Поэтому полярное кодирование применяется в ВС со сверхскоростной передачей информации и сопутствующим внешним синхросигналом, синхронизирующим взаимодействующие ВС.

Рис. 2.3. Полярный код

Поскольку большинство информационных сетей использу­ют узкополосную среду передачи, которая разрешает единовременную посылку только одного сигнала, то такие сети исполь­зуют способ кодирования, имеющий свойство самосинхронизации (self-timing). Один из видов самосинхронизирующихся кодов — манчестерский код, применяемый в сетях Ethernet: уровень сигнала изменяется по центру каждого бита, что позволяет принимающей ВС точно отметить границы бита (рис. 2.4). Логические 0 и 1 определяются, исходя из направления изменения полярности: нулю соответствует переход от положительного значения к отрицательному, единице — от отрицательного к положительному.

Рис. 2.4. Манчестерский код

В сетях Token Ring применяется разностное манчестерское кодирование: уровень сигнала изменяется также по центру бита, но направление перехода не имеет значения, его наличие требуется только для синхронизации сигнала (рис. 2.5). Значение же логического сигнала определяется по наличию или отсутствию перехода в начале следования бита: нулю соответствует смена полярности, единице — отсутствие смены. Смена полярности в середине бита во внимание не принимается.

Рис. 2.5. Разностный манчестерский ход

Более чем манчестерское и разностное манчестерское кодирование эффективно кодирование без возврата к нулю — NRZ

Рис. 2.6. Потенциальный код NRZ

(Non-Return to Zero) за счет простоты в реализации и большей помехозащищенности (рис. 2.6). Преимуществом этого кода является то, что основная гармоника спектра сигналов достаточно низка и равна N/2 (N — скорость передачи дискретных данных, бит/с). У сигналов, закодированных по другим методам, например, манчестерским, основная гармоника имеет более низкую частоту. Недостатком является отсутствие самосинхронизации, поэтому при высоких скоростях обмена код NRZ не применяется. Другой недостаток кода NRZ проявляется при передаче длинных последовательностей 1 и 0, тогда низкочастотная составляющая приближается к нулю, поэтому в каналах, где нет непосредственного гальванического соединения между источником и приемником информации этот код не применяется. Однако разработаны модификации метода NRZ-кодирования, устраняющие указанные два недостатка.