Системы, каналы и сети связи

Системы связи

Для передачи сообщений с помощью сигналов создаются системы и сети связи. Системой связи называется совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сообщения от источника к потребителю. В настоящее время существуют различные системы связи. Все системы связи в зависимости от вида используемых сигналов можно разделить на три группы: аналоговые, дискретные и цифровые, а по числу используемых каналов – на одноканальные и многоканальные системы связи.

Рассмотрим основные понятия систем связи на примере одноканальной системы. На рисунке 2.1 приведена структурная схема одноканальной аналоговой системы связи. Основными элементами являются:

Рис.2.1. Структурная схема одноканальной аналоговой системы связи.

 

1. Источник сообщения а (может быть человек, автомат, ПК и т.д.). Сообщение может иметь любую физическую природу (изображение, звуковые колебания и т.д.);

2. Преобразователь сообщения в электрический сигнал, на выходе которой формируется электрический сигнал b (t) (может быть током, напряжением и т.д.). Например,: в телефонии- это изменения электрического тока на выходе микрофона;

3. Передатчик, в котором происходит преобразование низкочастотного сигнала b (t) в высокочастотные модулированные колебания U (t), которые можно передавать по линиям связи. В аналоговых системах передачи передатчик представляет собой модулятор с генератором несущих колебаний и может также включать входные и выходные усилители слабых сигналов.

4. Линия связи, по которой передается сообщение от передатчика к приемнику и представляет собой физическую среду и совокупность технических средств.

5. Источник помех; на выходе линии связи на ВЧ колебания накладываются помехи.

6. Приемник сообщения, в котором выделяется полезное сообщение из сигнала S (t). Приемник в аналоговых системах передачи состоит из детектора (демодулятора), который восстанавливает сообщение. Приемник может содержать усилитель слабых сигналов.

7. Получатель сообщения (может быть человек, любое техническое средство).

Для передачи сообщений в современных системах связи в основном используются цифровые системы передачи, в которых непрерывный сигнал в передатчике преобразуется в цифровой, а в приемнике обратно в аналоговый. Для таких преобразований передатчик содержит кодер (см.п.3.2), а приемник – декодер (см.п.3.4).

В многоканальных системах связи обеспечивается одновременная передача сообщений от нескольких источников по одной общей линии связи. Для обеспечения многоканальности в большинстве систем связи применяют временное и частотное уплотнение сигналов. В настоящее время разрабатываются и другие методы разделения каналов, например, кодовое разделение, пространственное разделение и др. Многоканальные системы позволяют значительно повысить пропускную способность и эффективность работы системы связи.

Для примера рассмотрим структурную схему многоканальной системы передачи с временным разделением каналов (ВРК), которая широко используются в современных цифровых системах передачи. При ВРК групповой тракт передачи с помощью коммутатора (мультиплексора) К1 (рис.2.2) предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы передачи. Сначала кратковременно передается отрезок сигнала первого канала, затем второго и т.д. до последнего -того канала передачи. Затем процесс снова повторяется, начиная с первого канала с частотой дискретизации равной , определяемой теоремой Котельникова (см. раздел 3.2.). В приемнике с помощью приемного коммутатора (демультиплексора) К2, синхронно работающего с передающим коммутатором за счет устройства синхронизации УС, индивидуальные приемники поочередно подключаются к каждому каналу. Отсюда вытекает, что для нормальной работы системы необходимо обеспечить строгую синхронность и синфазность работы коммутаторов. Для синхронизации работы системы обычно используется один из информационных каналов системы передачи.

При организации ВРК необходимо использовать неперекрывающиеся во времени последовательности сигналов, модулированных одним из видов импульсной модуляции (см. раздел 14.1 учебного пособия). Используются обычно импульсные переносчики с большой скважностью  , где Т период колебаний, - длительность импульса.

Рис.2.2. Структурная схема многоканальной системы передачи с ВРК.

 

Индивидуальные сигналы от источников сообщений ИС_i поступают в модуляторы М_i, где модулируются, например, по амплитуде импульсным переносчиком, формируя индивидуальные АИМ-сигналы. Совокупность канальных сигналов образуют групповой сигнал. На рисунке 2.3,а) представлены такие сигналы для двух каналов.. Работу коммутаторов К1 и К2 можно рассматривать как временной фильтр, передаточный коэффициент которого равен единице только на временных интервалах действия импульсов избираемого канала: . (рис. 2.3,б). В результате действия коммутатора К2 выделяется сигнал второго канала (рис.2.3,в). В приемнике АИМ-сигналы детектируются детекторами Д_i и поступают пользователю сообщений ПС_i

 

в)

Рис. 2.3. Выделение канального сигнала при временном разделении каналов.

 

       При ВРК между каналами возникают взаимные помехи, которые обусловлены двумя причинами:

 -линейными искажениями, возникающими за счет ограничения полосы частот и неидеальности АЧХ и ФЧХ электронных схем системы связи, нарушают форму импульсных несущих. Она расплываются во времени и становятся протяженными, что приводит к тому, что импульсы одного канала будут накладываться в импульсы других каналов (рис. 2.4).

       - нарушениями синхронизации работы коммутаторов, что также обуславливает перекрытие импульсов.

      

Рис. 2.4. Несущие канальные импульсы (а) и их искажения за счет взаимных помех (б).

 

Для снижения взаимных помех, приходится вводить защитные временные интервалы. Например, при телефонии в соответствие с теоремой Котельникова минимальное значение частоты дискретизации . Однако в реальных системах передачи частоту следования импульсов выбирают несколько большей: , что позволяет формировать защитный временной интервал между импульсами.

       Общая полоса частот, занимаемая при ВРК , равна полосе частот системы передачи с частотным разделением каналов (ЧРК), т.е. теоретически ВРК и ЧРК имеют одинаковую эффективность использования частотного спектра, однако в реальных условиях системы с ВРК занимают большую полосу частот, чем ЧРК. Однако системы с ВРК имеют ряд преимуществ, связанных тем, что:

       - в системах с ВРК отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения, что обусловлено разновременностью передачи сигналов разных каналов;

       - аппаратура ВРК в целом значительно проще, чем с ЧРК;

       - системы с ВРК характеризуются меньшим пик-фактором, чем системы с ЧРК.

       Системы передачи с ВРК находят применение при передачи непрерывных сообщений при импульсной модуляции (АИМ, особенно ФИМ и ШИМ) и, особенно, в цифровых системах передачи с ИКМ.

Системы связи в зависимости от типа передаваемых сообщений подразделяются на:

- телефонную связь, при которой передается речь;

- телеграфную связь, используемая для передачи текста;

- фототелеграфную связь, по которой передается неподвижное изображение;

- телевидение, по которому передается подвижное изображение;

- передачу данных, обеспечивающих обмен информацией между вычислительными средствами и автоматизированными комплексами;

- телеизмерения, используемые для передачи результатов измерений и обработки их в приемном устройстве;

- телеуправления для передачи команд, например, для автоматического выполнения определенных команд.

По назначению системы связи бывают: бытовые, профессиональные, стационарные, переносные и т.д.

По способу организации системы связи бывают:

- симплексная связь, когда передача сообщений происходить только на одной несущей частоте в одном направлении (радио, телевидение и т.д.) и обратная связь отсутствует;

- дуплексная связь, при которой обеспечивается возможность одновременной передачи сообщений в прямом и обратном направлениях (телефония), передача и прием сообщений при этом происходит на разных частотах;

- полудуплексная связь - это когда сообщениями обмениваются поочередно.

Каналы связи

Одним из основных узлов системы связи являются каналы связи. Каналы связи – это совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сообщения от некоторой точки А до точки В системы связи. При этом точки А и В могут быть любыми, но в канал связи обязательно входят линия связи, передатчик и приемник.

Каналы связи подразделяются на:

- непрерывные (аналоговые), где на входе и на выходе канала связи действуют аналоговые сигналы;

- дискретные, где на входе и на выходе канала связи действуют дискретные сигналы;

- цифровые, где на входе и на выходе действуют цифровые сигналы.

По способу организации связи различают несколько типов каналов связи:

1. Проводная связь, к которой относятся воздушные, кабельные и волоконно-оптические линии связи. Воздушные линии связи обеспечивают в основном местную связь и в настоящее время они практически исчезают. Кабельная связь является основой магистральных сетей дальней связи, по ним осуществляется передача сигналов в диапазоне от десятков кГц до сотен МГц. Основным видом проводной связи становится волоконно-оптические линии связи, которые приходят на смену воздушным и кабельным линиям. Эти линии обладают большой пропускной способностью (сотни тысяч телефонных каналов) и работают в оптическом диапазоне частот (600-900ТГц);

2. Радиосвязь различных диапазонов (частоты от 100кГц 10ГГц). Эти линии достаточно экономичны и незаменимы для связи с подвижными объектами (сотовая связь);

3. Радиорелейные линии связи метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов (выделены полосы частот в диапазоне от 60МГц 15ГГц). Они представляют собой цепочку приемо-передающих устройств (ретрансляторов) и позволяют организовать многоканальную (до тысяча телефонных каналов) систему связи;

4. Спутниковые линии связи, представляющие собой радиорелейную линию с ретранслятором на искусственных спутниках земли. Для них отведены диапазоны частот 4…6 и 11…275ГГц. Спутниковые линии связи обеспечивают большую дальность, гибкость и возможность организации глобальной связи.

Каналы связи характеризуются объемом канала: ,

где - полоса пропускания канала, - динамический диапазон, -длительность работы канала связи.

Для неискаженной передачи по каналу сигналов с объемом  необходимо, чтобы - это условие согласования сигналов с каналом связи. Канал связи оптимально согласован, если выполняются условия: ; ; .

На практике могут возникать ситуации, когда один из этих трёх условий не выполняется. Например: нужно передать сигнал с =3 кГц по каналу связи с =300 Гц. Чтобы не нарушалось условие согласования  при передаче такого сигнала, необходимо воспроизводить этот сигнал в 10 раз меньшей скоростью той, с которой он был записан. Для восстановления же исходного сигнала в приемнике его надо воспроизводить с 10 раз большей скоростью.

Сети связи

Для обмена сообщениями между пользователями создаются сети связи, обеспечивающие передачу и распределение сообщения по заданным адресам. Для распределения потоков сообщений создаются узлы связи, оснащенные коммутационными устройствами (телефонные станции). Телефонные станции позволяют распределять сообщения между оконечными пунктами (телефонные аппараты).

В настоящее время сети связи строятся по различным структурам, простейшие – линейные, когда оконечные пункты соединены друг с другом по принципу «каждый с каждым». Это некоммутируемые сети. В этом случае телефонные станции не нужны. Такие сети создаются, когда число оконечных пунктов невелико. Для большого количества оконечных пунктов создаются более сложные сети связи, имеющие радиальную (рис.2.2,а),

2.2. Структура радиальной (а) и радиально кольцевой (б) сетей связи

 

кольцевую, радиально-кольцевую (рис.2.2,б) и т. п. структуры. Такие сети связи являются коммутируемыми и связь между оконечными пунктами осуществляется с помощью телефонных станции.

Одной из важнейших задач теории и техники связи является задача оптимального построения сетей связи. Эта задача решается с помощью теории графов и массового обслуживания.