Направляющие среды электросвязи: Системы передачи информации краткий курс лекций

Цели лекции:
Выявление общих закономерностей;
Знакомство с основными видами систем передачи сообщений, услугами и службами электросвязи;
Знакомство с основными понятиями и терминами.

Основные термины
Система электросвязи – совокупность канала электросвязи, передатчика и приемника сообщений, характеризующаяся определенным способом преобразования передаваемых сообщений в сигналы и восстановления сообщений по принятым сигналам.
Канал электросвязи – совокупность технических устройств (преобразователей), обеспечивающих передачу первичных электрических сигналов на расстояние.
Аналоговые системы передачи (АСП) – системы электросвязи, в которых в результате прямого преобразования получаются непрерывные (аналоговые) сигналы.
Системы передачи дискретных сигналов (сообщений) – системы электросвязи, в которых в результате условного преобразования получаются дискретные (цифровые) сигналы.
Цифровые системы передачи (ЦСП) – многоканальные системы передачи с временным или кодовым разделением каналов для передачи цифровых потоков информации.

Основные термины
Линия связи – инженерное сооружение, включающее в себя систему передачи, содержащую среду распространения сигналов (направляющую систему) и комплекс электронного оборудования, обеспечивающий прохождение сигналов с заданной достоверностью (отношением сигнал/шум).
Линейные сигналы – сигналы, распространяющиеся по линии связи.
Корректирующий (самокорректирующий или помехозащищенный) код – код, позволяющий обнаруживать (исправлять) ошибки, возникающие при его передаче.
Равнодоступный (простой) код – код, любая кодовая комбинация которого имеет во всей совокупности его кодовых комбинаций комбинации, отличающиеся от первой лишь одним разрядом (имеет минимально возможную помехозащищенность).
Цифровой код – математическая структура (закон) построения дискретных сигналов, однозначно соответствующая передаваемым сообщениям, алфавитом кодовых комбинаций которых служат цифры.

Системы электросвязи
Для передачи сообщений на расстояние они должны быть преобразованы в электрические сигналы. Аппаратно это реализуется с помощью различных по устройству и принципу действия преобразующих устройств. Преобразующие устройства могут выполнять как прямое (непосредственное), так и условное преобразование сообщений в сигналы.
Прямое или условное преобразование производится с одной и той же целью – согласования параметров источника сообщений с каналом связи, обеспечивающее максимально возможные помехоустойчивость, скорость и качество передачи в заданных условиях.
Система электросвязи – совокупность канала электросвязи, передатчика и приемника сообщений, характеризующаяся определенным способом преобразования передаваемых сообщений в сигналы и восстановления сообщений по принятым сигналам.

Структура систем электросвязи
Поскольку функциональное назначение всех систем связи одно и то же: передача сообщений, существуют и общие закономерности их построения.

Структура системы электросвязи
Система электросвязи, изображенная на предыдущем слайде, связывает источник сообщений А1 с приемником сообщений (получателем) А2 и состоит из трех основных частей:
преобразователя сообщения в сигнал – передатчика U1;
канала электросвязи, состоящего из преобразователя, преобразующего сигнал в вид, пригодный для передачи по среде распространения, UV1, среды распространения – направляющей системы и преобразователя, осуществляющего обратное преобразование в первичный сигнал, UR1;
преобразователя сигнала в сообщение – приемника U2.
Сигналы, получаемые на выходе передатчика и подаваемые на вход приемника, называются первичными. Первичные сигналы, как правило, получают в результате преобразования неэлектрических величин, отображающих передаваемое сообщение в электрические сигналы.

Основные определения
Направляющая система и подключенное к ней оконечное оборудование (UV1 и UR1) образуют линию связи. Поэтому сигналы, передаваемые по линии связи, называют также линейными сигналами. На приемном конце линии связи линейный сигнал снова преобразуют в первичный сигнал, а затем в сообщение.
Совокупность технических устройств (преобразователей), обеспечивающих передачу первичных электрических сигналов на расстояние, называется каналом электросвязи.
Совокупность канала электросвязи, передатчика и приемника сообщений, характеризующаяся определенным способом преобразования передаваемых сообщений в сигналы и восстановления сообщений по принятым сигналам, называется системой электросвязи.
Системы электросвязи, в которых в результате прямого преобразования получаются непрерывные (аналоговые) сигналы, называются непрерывными или аналоговыми системами. Системы телефонной, факсимильной, видеотелефонной связи, звукового и телевизионного вещания относятся к непрерывным.
Условное преобразование – отличительный признак систем передачи дискретных сигналов. Состав оборудования и схема построения этих систем во многом определяется характером и видом передаваемых сообщений.

Виды систем электросвязи
Передача сообщений и сигналов возможна при использовании различных направляющих систем. Например, акустические сигналы могут распространяться по "звуковым трубам" – так были устроены первые корабельные переговорные системы, световые сигналы могут распространяться в открытом пространстве и т. п. Соответственно каналы и системы связи, в которых сигналы электросвязи распространяются вдоль непрерывной направляющей системы, называются проводными, а каналы и системы, в которых сигналы передаются в открытом пространстве – беспроводными, причем, если для передачи сигналов используются радиоволны, то радиоканалами и радиосистемами. В зависимости от типа направляющей среды проводной системе присваивается дополнительное название, например, кабельная, волноводная, волоконно-оптическая и т.п. Радиосистеме, в зависимости от принципа работы радиолинии связи, также присваивается дополнительное название, например, радиорелейная, спутниковая, тропосферная, ионосферная и т.п.

Схемы связи
Телефонные, телеграфные, видеотелефонные системы и системы передачи данных в большинстве своём обеспечивают одновременную передачу сообщений между абонентами в две стороны, т. е. позволяют вести переговоры. При таком виде обмена информацией приходится одновременно использовать два канала связи: прямой и обратный.

Схемы связи
Структура такой дуплексной (полнодуплексной) системы, образована двумя односторонне направленными симплексными каналами связи, каждый из которых обеспечивает передачу сообщений только в одном направлении. Иногда используют полудуплексную схему связи, в этом случае передача сообщений осуществляется по одной линии связи с разде-лением направлений передачи по времени, т. е. поочередно. И в том, и в другом случае возможна передача сообщений, условно говоря, из точки "А" в точку "Б" или наоборот из "Б" в "А", поэтому схема связи в этом случае будет называться "точка-точка".
Системы звукового и телевизионного вещания, а также системы передачи газет обеспечивают одностороннюю передачу сообщений, предназначен-ных одновременно для большого числа абонентов. Каждый из абонентов пользуется "своей" системой связи, состоящей из передатчика, канала свя-зи и приёмника. При этом передатчик является общим элементом одно-временно для многих этих систем связи. Число таких систем соответст-вует числу подключенных приёмников. Такой режим работы системы свя-зи (схема связи) называется широковещательным или циркулярным, а схема связи в этом случае будет называться "точка-многоточка".

Системы передачи дискретных сообщений
При условном преобразовании информационные параметры сообщения подвергаются кодированию. Результатом кодирования является дискретное сообщение, которое передается получателю по каналу передачи дискретных сообщений (каналу ПДС). При условном преобразовании телефонных или иных аналоговых сигналов в канал связи передаются кодовые комбинации, содержащие информацию об цифровых отсчетах (значениях) квантованного аналогового сигнала в заданные моменты времени. Поэтому такие сигналы принято называть цифровыми сигналами данных (ЦСД), каналы ПДС – цифровыми каналами, а системы передачи на их основе цифровыми системами передачи (ЦСП).
Канал связи от входа УПС передатчика до выхода УПС приёмника носит название дискретного канала связи или линейного цифрового тракта. Канал связи от входа кодера до выхода декодера канала называется расширенным дискретным каналом (РДК).

Цифровые системы передачи (ЦСП)
Первичный сигнал от источника сообщения (ИС) через соответствующий передатчик поступает на первичное кодирование в кодер источника, где обычно кодируется простым равнозначным (безызбыточным) двоичным кодом и сжимается с целью устранения информационной избыточности первичного сигнала. Далее кодер канала производит помехозащищённое кодирование с добавлением в исходный двоичный код проверочных символов и снова возникает избыточность кода, передаваемого по каналу связи.

Цифровые системы передачи (ЦСП)
Устройство преобразования сигналов (УПС) производит согласование свойств помехозащищённой двоичной кодовой последовательности со средой распространения, преобразуя двоичный код в дискретный сигнал (сигнально-кодовую конструкцию или линейный код), пригодный для его передачи по данной среде распространения (направляющей системе). Иногда, для увеличения помехозащищённости, в УПС одновременно производится дополнительное (внешнее) кодирование поступающего (внутреннего) помехозащищённого кода.
УПС приёмника производит обратное преобразование, восстанавливая двоичный код, передаваемый кодером канала. Декодер канала восстанавливает двоичный код кодера источника сообщений и устраняет ошибки, возникающие от действия помех в среде распространения и УПС передающей и приёмной стороны. Устранение ошибок позволяет значительно увеличить помехозащищенность канала, поэтому часто кодер и декодер канала называют также устройством защиты от ошибок (УЗО) или защитным кодеком. Декодер источника вос-станавливает переданное сообщение и передает его получателю сообщений (ПС).

Цифровые сигналы систем передачи (ЦСП)
Результат процесса кодирования – дискретный кодированный сигнал – сигнал, построенный из элементарных дискретных сигналов (посылок) по определённому математическому закону – коду (линейный код или сигнально-кодовая конструкция).
Каждому символу линейного кода соответствует элементарный дискретный сигнал, обладающий определённым селективным физическим признаком (амплитудой, частотой, длительностью и т. п.). Число селективных признаков дискретных сигналов (импульсных признаков сигнала) соответствует числу букв алфавита линейного кода дискретного канала связи.
Кодирование в устройстве преобразования сигналов – это преобразование сообщений в комбинации из элементарных дискретных сигналов в соответствии с заданным кодом, т. е. физический процесс придания абстрактным кодовым комбинациям вполне реальных физических признаков сигнала.
Дискретный кодированный цифровой сигнал приобретает свойства обнаружения, а иногда и исправления ошибок, возникающих в процессе передачи и приёма сообщений. Применение специальных кодов обеспечивает секретность передачи. Кроме того, посредством кодирования сигналов, осуществляется согласование параметров системы передачи и источника информации.

Цифровые сигналы систем передачи (ЦСП)
В соответствии с этой структурной схемой в УПС приёмной стороны принимается сигнал в виде единичных элементов (ЕЭ) дискретного кодированного сигнала, определяется их вид, а затем на выходе формируется двоичная кодовая комбинация, соответствующая переданному символу.
Границы между ЕЭ (моменты изменения полярности, амплитуды, частоты или фазы) называются значащими моментами (ЗМ). Интервал времени между двумя соседними ЗМ называется значащим интервалом времени (ЗИ).
Количество ЕЭ, передаваемых за единицу времени, называется скоростью манипуляции (модуляции) и измеряется в Бодах (единица названа в честь изобретателя многократной системы телеграфирования Ж. Бодо).

Методы приема цифровых сигналов
Такой метод приёма дискретных сигналов в теории передачи дискретных сообщений получил название поэлементного. Принятые ЕЭ сигнала сравниваются с соответствующими эталонами, и, затем, принимается решение о соответствии их той или иной кодовой комбинации. Если передается двоичный сигнал, то и эталонов только два ("0" и "1"). Для двоичного линейного сигнала скорость манипуляции в Бодах (линейная скорость) совпадает со скоростью передачи сообщения (информационной скоростью), измеряемой в битах за секунду. Если передается более сложный (троичный и т. п.) сигнал, скорость манипуляции уменьшается по сравнению со скоростью передачи сообщения.
Последовательность дискретных сигналов также можно обрабатывать в целом, сравнивая всю последовательность со всеми эталонами, но в этом случае число эталонов будет равно числу всех возможных кодовых комбинаций и резко возрастет. Приём в целом обеспечивает значительно более высокую верность передачи, но очень сложен в практической реализации и поэтому применяется редко.

Синхронизация
При приеме цифровых сигналов необходима синхронизация приемника и передатчика – установление и поддержание определенных фазовых соотношений между сигналами передатчика и приемника.
Так, при приеме необходимо отделить один ЕЭ от другого – требуется поэлементная (тактовая) синхронизация. В большинстве случаев сигнал поэлементной синхронизации (тактовой частоты) выделяется из принимаемой дискретной импульсной последовательности и поэтому не может точно соответствовать тактовой частоте передающей стороны. Возникающие фазовые дрожания выделенных из входного сигнала тактовых импульсов синхронизации (джиттинг или джиттер) или незначительное медленное отклонение частот импульсов синхронизации приёмника и передатчика (вандер) могут приводить к ошибкам приёмника.
Необходимо также отличать одну кодовую комбинацию (слово) от другой – требуется групповая (цикловая) синхронизация.

Асинхронные системы передачи
Простейшим методом, позволяющим отделить одну группу ЕЭ от другой, является введение в каждую кодовую комбинацию специальных (служебных) символов в её начале и конце: стартового и стопового. Передаваемая таким образом последовательность называется стартстопной, а такой способ передачи – асинхронным, поскольку передача любой кодовой комбинации может быть начата в любой произвольный момент времени. Потеря синхронизации при асинхронном способе передачи вызывает, как правило, только потерю текущей кодовой комбинации.

Синхронные системы передачи
Синхронный способ передачи применяется в скоростных каналах и использует синхронизирующий тактовый сигнал, передаваемый по отдельному каналу или совмещенный с передаваемыми данными.
При синхронном способе передачи передаются более длинные кодовые последовательности, что способствует повышению пропускной способ-ности системы передачи. Передаваемые кодовые комбинации следуют друг за другом непрерывно, а служебные сигналы синхронизации, отделяющие одну кодовую комбинацию от другой, отсутствуют. Для обеспечения их правильного приема приходиться вводить в непрерывно передаваемую последовательность символов специальные (служебные) сигналы синхронизации, использовать только равномерные коды, а иногда и применять дополнительные сигналы управления и взаимодействия между передатчиком и приёмником. Потеря синхро-низации при синхронном способе передачи вызывает относительно длительную полную неработоспособность ЦСП.

Контрольные вопросы
Дайте определение термину "система передачи сообщений".
Что такое прямое (непосредственное) и условное преобразование сообщений в сигналы? Как они реализуются?
С какой целью производится прямое или условное преобразование первичных сигналов?
Какие сигналы в системах электросвязи называются первичными, а какие вторичными?
Дайте определение термину "направляющая система".
В чем состоит различие терминов "линия связи", "канал электросвязи" и "система электросвязи"?
Изобразите структурные схемы аналоговой и дискретной системы электросвязи.
Чем модуляция отличается от манипуляции?
Дайте определение термину "расширенный дискретный канал".
Для каких сигналов скорость манипуляции совпадает со скоростью передачи информации?

Информационное обеспечение лекции
Список литературы
Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том 1 - Современные технологии / Б. И. Крук, В. Н. Попантонопуло, В. П. Шувалов; под ред. профессора В. П. Шувалова. – Изд. 3-е, испр. и доп. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 647 с.: ил.
Телекоммуникационные системы и сети. Том 2. Радиосвязь, радиовещание, телевидение. Учебное пособие. В. П. Шувалов.– М.: Радио и связь, 2003.
Быков С.Ф., Журавлев В.И. Шалимов И.А. Цифровая телефония: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 2003. — 144 с.: ил.
Гаранин М.В. и др. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.:ил.
Додд Аннабел 3. Мир телекоммуникаций. Обзор технологий и отрасли. Пер. с англ. – М.: ЗАО «Олимп—Бизнес», 2002. – 400 с.: ил.

Информационное обеспечение лекции
Список литературы
Шехтман Л.И. Системы телекоммуникаций: проблемы и перспективы. (Опыт системного исследования) – М.: Радио и Связь, 1998
Любимов А.Е. Тезисы доклада на годовой конференции АДЭ "Стратегия конвергенции в инфотелекоммуникациях"
"Bellcore’s fiber measurement audit of existing cable plant for use with high bandwidth systems", J. Peters, A. Dori, and F.
Kapron, Proceedings of NFOEC 1997.
"PMD assessment of installed fiber plant for 40 gbit/s transmission", P. Noutsios and S. Poirier, Proceedings of NFOEC 2001.
Олифер В.Г., Олифер Н.А. «Компьютерные сети 3-е издание(2007г.)»