Многоканальные системы передачи

Для передачи речи или данных, рассматриваемых в общем случае как сигнал, имеющий определенные характеристики, используется канал связи, организуемый между передатчиком и приемником. Один из основных вопросов заключается в том, может ли этот сигнал быть принят без искажений. Если нет, то насколько он искажается при прохождении по каналу связи.
Отношение мощности сигнала к мощности шума (отношение сигнал/шум) определяет наряду с шириной полосы пропускания пропускную способность канала связи или допустимую скорость передачи сигнала. Аналоговый сигнал, непосредственно передаваемый по каналу связи, может быть искажен по амплитуде, фазе и частоте или временному масштабу. Эти искажения являются следствиями естественных или искусственных ограничений канала связи, например, по полосе пропускания. При передаче сигнала на дальние расстояния энергетически выгодно использовать высокочастотную н е с у щ у ю , параметры которой модулируются передаваемым сигналом. Для передачи речи по каналам связи обычно используют два метода модуляции несущей: амплитудную модуляцию (АМ) и частотную модуляцию (ЧМ). В процессе модуляции (а это операция нелинейная) симметрично несущей f0 появляются верхние и нижние боковые частоты f0 ± nΔf, здесь Δf — о с н о в н а я п о л о с а частот, занимаемая сигналом. Для АМ n = 1, для ЧМ n зависит от индекса модуляции. Полоса частот, занимаемая модулированным сигналом (или его спектр), которая и составляет в этом случае требуемую ширину полосы частот канала передачи, для АМ равна 2Δf. Системы связи ассоциируются с системами передачи речи или телефонной связи, которые только в последнее время в связи с развитием модемной и факсимильной связи стали использоваться для передачи данных. Ясно, что эти системы рассчитывались и оптимизировались для передачи речи. Из экономических соображений системы телефонной связи строились как многоканальные системы, использующие различные методы уплотнения каналов для передачи по линии все большего и большего числа каналов (телефонных разговоров) одновременно. Из приведенного выше примера ясно, что при выборе метода модуляции предпочтение было отдано АМ. Более того, основная полоса частот передаваемого речевого спектра была оптимизирована по индексу артикуляции, принятому равным 0,7, соответствующему уровню разборчивости слов 85...90% и составила 3100 Гц. Она размещается в диапазоне 300...3400 Гц. Учитывая, что указанная полоса частот должна выделяться реальным, а не идеальным, аналоговым полосовым фильтром, имеющим конечную крутизну спада частотной характеристики в переходной полосе, было предложено использовать полосу в 4 кГц в качестве расчетной ширины основной полосы стандартного телефонного канала (защитная полоса между двумя соседними каналами при этом составляет 900 Гц). Наряду с использованием аналоговых можно использовать импульсные методы модуляции, в частности, а м п л и т у д н о - и м п у л ь с н у ю м о д у л я ц и ю (АИМ), что позволяет улучшить энергетические характеристики процесса передачи в целом, если учесть, что длительность излучаемого импульса может быть мала по сравнению с периодом несущей. Импульсные методы модуляции основаны на процессе д и с к р е т и з а ц и и передаваемого аналогового сигнала, т.е. использовании последовательности выборок (выборочных значений) аналогового сигнала, взятых периодически с частотой дискретизации fд. Она выбирается из условия возможности последующего восстановления аналогового сигнала без искажений из дискретизированного сигнала с помощью фильтра нижних частот. Для сигнала с ограниченным спектром, к которому относится и сигнал стандартного телефонного канала, имеющий частоту среза fср = 4 кГц, применима теорема Котельникова—Найквиста, определяющая fд ≥ 2 fв (где fв — верхняя частота спектра дискретизируемого сигнала). Отсюда получаем, что для стандартного телефонного канала частота дискретизации составляет 8 кГц (т.е. выборки аналогового сигнала следуют с периодом дискретизации Тд = 125 мкс).

Следующим логичным шагом может быть к в а н т о в а н и е амплитуд импульсных выборок — процесс определения для каждой выборки и присвоение ей эквивалентного численного (цифрового) значения. Указанные два шага (дискретизация и квантование) определяют процессы, осуществляемые при и м п у л ь с н о - к о д о в о й м о д у л я ц и и (ИКМ). Они позволяют перейти от аналогового представления речевого сигнала к ц и ф р о в о м у . Численное значение каждой выборки в этой схеме может быть далее представлено (закодировано) в виде 7 или 8-битного двоичного кода (на практике при использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП) двоичное кодирование осуществляется непосредственно при квантовании). Первые системы телефонной связи использовали отдельные линии передачи для организации каждого канала. Идеи организации передачи нескольких телеграфных каналов по одной линии (или идеи уплотнения) были впервые осуществлены еще в 1918 г. с помощью механического коммутатора. Под у п л о т н е н и е м, или м у л ь т и п л е к с и р о в а н и е м, понимают объединение нескольких меньших по емкости входных каналов связи в один канал большей емкости для передачи по одному

выходному каналу связи. При реализации такого объединения телефонных каналов одной из основных задач является устранение взаимного влияния соседних каналов. До последнего времени широко использовались два метода мультиплексирования:

• мультиплексирование с частотным разделением каналов (частотное уплотнение); • мультиплексирование с временным разделением каналов (временное уплотнение).

При ч а с т о т н о м у п л о т н е н и и полоса частот выходного канала делится на некоторое число полос (подканалов) n, соответствующих по ширине основной полосе стандартного телефонного канала 4 кГц.

Например, на рис. 8.11 показана такая группа из четырех каналов с полосой 4 кГц, отведенной под каждый канал, и частотами, сдвинутыми на 60 кГц в результате амплитудной модуляции. Каждый канал имеет фактическую полосу пропускания 3,1 кГц

и формируется полосовыми фильтрами с частотами среза, сдвинутыми на 4 кГц относительно друг друга. Например, фильтр первого канала имеет частоты среза 60,3 и 63,4 кГц, второго — 64,3 и 67,4 кГц. При больших уровнях сигнала в каналах защитной полосы

900 Гц между каналами недостаточно для устранения перекрестной наводки (телефонного разговора) от соседних каналов. Для формирования канальных групп используется процедура ОБП-ПН — модулирования несущей и поднесущих по амплитуде с подавлением

одной боковой полосы (левой или правой) и подавлением несущей.

Схема формирования канальных групп может быть разной. Стандарт ССIТТ рекомендует следующую систему группирования:

• п е р в и ч н а я к а н а л ь н а я г р у п п а (12 стандартных телефонных каналов);

Рис. 8.11 Вид канальной группы, полученной в результате частотного уплотнения

• в т о р и ч н а я к а н а л ь н а я г р у п п а (5 первичных канальных групп, т.е. 60 каналов);

• т р е т и ч н а я к а н а л ь н а я г р у п п а (5 вторичных канальных групп, т.е. 300 каналов, или 10 вторичных групп, т.е. 600 каналов, или 16 вторичных групп, т.е. 960 каналов).

Различное число вторичных и третичных канальных групп может быть использовано в процессе группирования, образуя ч е т в е р т и ч н ы е г р у п п ы.

Частотное мультиплексирование достаточно сложно в реализации и настройке (как и все аналоговые методы). При использовании ИКМ наиболее удобной является схема мультиплексирования с временным разделением каналов, или в р е м е н н ы м у п л о т н е н и е м. В такой схеме разделение ресурсов происходит с помощью коммутатора (на передающей стороне), который последовательно подключает каждый входной канал на определенный временной интервал, необходимый для посылки выборки или фиксированной

части сигнала данного канала.

Аналоговые системы передачи используют частотный метод разделения каналов. Системы, эксплуатируемые на воздушных линиях связи, позволяют организовать малое число каналов тональной частоты. К этим системам относятся: В-3-3 — двухполосная двухпроводная система, работающая в полосе частот 4...31 кГц и позволяющая организовать 3 канала ТЧ; В-12-3 — двухполосная двухпроводная система, позволяющая организовать 12 каналов ТЧ. В системе В-12-3 предусмотрены промежуточные усилительные пункты. Это позволяет организовывать связь на расстояние до 2000 км. Рассмотрим также две основные системы передачи, эксплуатируемые на кабельных линиях связи.

Система передачи К-60П. Предназначена для работы по парам симметричных кабелей. Является однополосной двухкабельной и предназначена для использования на дорожных и магистральных линиях связи. Позволяет организовать 60 каналов тональной частоты. Максимальная дальность связи, организованной с помощью системы передачи К-60П, составляет 12500 км.

Система К-24Т. Специально разработана для организации отделенческой связи железнодорожного транспорта. Система является однополосной двухкабельной, рассчитана для работы по парам симметричных кабелей. Позволяет организовать 24 канала ТЧ.

Линейный спектр системы занимает полосу частот 12...108 кГц. Система включает в себя оконечные СО-К-24Т и промежуточные СП-К-24Т станции. На промежуточных станциях предусмотрено выделение 12 телефонных каналов, что позволяет на всех промежуточных станциях одного участка железной дороги получить 12 групповых каналов ТЧ. Эти каналы могут быть использованы для организации избирательной связи, междугородной автоматической связи и сети передачи данных. Существующая первичная (в основном аналоговая) сеть связи железнодорожного транспорта построена на базе кабельных и воздушных линий связи. К концу 1999 г. на Российских железных дорогах находились в эксплуатации 20 тыс. км воздушных, 15 тыс. км однокабельных, около 48 тыс. км двухкабельных, 9,0 тыс. км радиорелейных (РРЛ) и 7 тыс. км ВОЛС. На указанных линиях (за исключением ВОЛС) используется аппаратура разработки 1970—80 гг.

емкостью от 3 до 60 каналов ТЧ. Исторически особенно неблагоприятное положение сложилось на железных дорогах Европейской части страны, на Урале и в Западной Сибири, где процент каблирования ниже среднесетевого на 10...30 %. Очевидно, что аналоговое оборудование сети будет преобладающим еще довольно длительное время. Поэтому действующая аналоговая сеть должна поддерживаться в работоспособном

состоянии и модернизироваться для возможности ее использования на магистральных направлениях в качестве резерва создаваемой цифровой сети связи. Разработаны и выпускаются по заданию ОАО «РЖД»специализированные аналоговые системы передачи К-60Т. По сравнению с традиционными системами К-60П система передачи К-60Т обладает более широкими функциональными возможностями, обеспечивая интеграцию каналов на сетях связи различных уровней. Система передачи К-60Т с более совершенными устройствами телеконтроля параметров обслуживаемых н необслуживаемых пунктов позволяет оперативно выявлять поврежденные участки, быстро их локализовать и организовать обходы, что в конечном счете повышает живучесть сети. Использование в аппаратуре К-60Т современных миниатюрных изделий н микросхем значительно уменьшает габариты оборудования и потребление электроэнергии. В аппаратуре К-60Т предусмотрена возможность многократного выделения до 12 каналов ТЧ в любой точке магистрали. При этом структура каналов удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ним при создании обще- и оперативно-технологических вторичных сетей связи, где необходимо подключение абонентов диспетчерской связи на промежуточных станциях. Использование аппаратуры К-60Т позволит перевести большую часть каналов с физических цепей на каналы ТЧ, что значительно повысит качество каналов технологических видов связи. Таким образом, развитие н эксплуатационно-техническое обеспечение устойчивого функционирования существующей сети связи ОАО «РЖД»— важная задача, предполагающая поэтапную замену воз- душных линий кабельными, доуплотнение однокабельных и двух- кабельных линий с помощью аналоговых (АСП), а на некоторых направлениях — цифровых систем передачи (ЦСП).

Цифровые системы передачи используют временной принцип разделения каналов. В качестве направляющих систем используют металлические и волоконно-оптические кабельные линии и радиорелейные линии. Система ИКМ-30 является цифровой системой передачи, позволяющей организовать 30 каналов ТЧ по двум парам кабеля. В ней используется ИКМ с временным разделением каналов. Скорость передачи в линейном тракте составляет 2048 кбит/с. Оборудование ИКМ-30 состоит из оконечных пунктов и регенерационных промежуточных пунктов. Система ИКМ-120 — цифровая система передачи, позволяющая организовать 120 каналов ТЧ по двум парам, расположенным в разных кабелях. В этой системе используются высокочастотные симметричные кабели типов МКСА, МКСАП, МКСБ и др. По этим двум кабельным парам передаются сигналы 120 телефонных каналов со скоростью 8448 кбит/с. Используется ИКМ. Позднее разработаны цифровые системы ИКМ-480 и ИКМ-1920, позволяющие организовать соответственно 480 и 1920 каналов ТЧ. С 1987 г. на железнодорожном транспорте внедряются волоконно-оптические системы передачи (ВОСП). Сети связи, построенные с использованием ВОСП, имеют высокую пропускную способность, то есть позволяют передавать потоки информации в цифровой форме со значительно более высокими скоростями.

Первичная сеть связи как основа системы электросвязи ОАО «РЖД»определяет ее главные качественные характеристики: надежность, пропускную способность, управляемость и технико-экономические показатели. Цикл жизни первичной сети обычно значительно превышает аналогичный период для вторичной сети, поэтому топология

перспективной первичной сети должна быть оптимальна как для всех существующих на ее основе вторичных сетей, так и для возможного расширения их функций и интеграции.

Перспективная цифровая сеть должна быть создана на основе рационального использования всех типов направляющих систем и современных технологий организации систем передачи.

Новые технологии телекоммуникаций стали развиваться в связи с переходом от аналоговых к цифровым методам передачи сообщений, основанным на мультиплексировании с временным разделением каналов и ИКМ. Как уже отмечалось, под мультиплексированием понимают объединение нескольких меньших по емкости входных каналов связи. Мультиплексор при этом должен обеспечить скорость передачи данных порядка n × V, где n — число входных цифровых последовательностей (или число каналов); V — скорость передачи данных одного входного канала (одинакова для всех каналов). Если в качестве входного сигнала используется сигнал основного цифрового канала (ОЦК) со скоростью передачи 64 кбит/с, то с помощью одного мультиплексора типа n × 1 теоретически можно формировать потоки со скоростью n × 64 кбит/c. Если считать этот мультиплексор первым в схеме каскадного соединения из нескольких мультиплексоров второго, третьего и т.д. уровней, то можно сформировать различные иерархические наборы цифровых скоростей передачи, или цифровые иерархии, позволяющие получить требуемое количество ОЦК на выходе.

Развитие схем мультиплексирования привело к возникновению трех цифровых иерархий с разными уровнями стандартизованных скоростей передачи (цифровых каналов). Эти схемы цифровых иерархий (американская — АС, японская — ЯС и европейская ЕС),

известные под общим названием плезиохронная (т.е. почти синхронная) цифровая иерархия PDH (ПЦИ), широко используются как в цифровой телефонии, так и для передачи данны Основной недостаток PDH заключается в том, что добавление/изъятие выравнивающих битов делает невозможным идентификацию и вывод, например потока 64 кбит/с, или 2 Мбит/с, «зашитого» в поток 140 Мбит/с, без полного демультиплексирования или

«расшивки» этого потока и удаления/добавления выравнивающих битов. Эксплуатация сети при наличии большого числа пользователей, требующих ввода/вывода исходных (например, 2 Мбит/с) потоков, становится экономически невыгодной. Дальнейшее развитие технологии цифровых систем передачи на основе PDH привело к появлению двух новых цифровых технологий: синхронной оптической сети SONET (СОС) и синхронной цифровой иерархии SDH (СЦИ). Иногда эти технологии рассматриваются как единая технология SONET/SDH. Они ориентированы на использование ВОК в качестве среды передачи и позволяют расширять диапазон скоростей до 40 Гбит/с. В качестве основного элемента технологии SDH принят синхронный транспортный модуль STM-1, имеющий скорость передачи 155,52 Мбит/с, позволяющий включить в схему мультиплексирования максимальную скорость европейской PDH-иерархии — 140 Мбит/с. Синхронные сети имеют следующие преимущества перед плезиохронными.

1. Упрощение сети. Один мультиплексор ввода/вывода позволяет непосредственно ввести/вывести, например, поток Е1 из фрейма

(в фрейм) STM-1 (155 Мбит/с), заменяя целую «гирлянду» мультиплексоров PDH.

2. Надежность и самовосстанавливаемость сети. Технология SDH организуется в основном по ВОК, которые не подвержены внешним электрическим воздействиям. Кроме того, применяется защищенный режим работы, допускающий два альтернативных пути распространения сигнала и обход поврежденного узла сети (благодаря соответствующей архитектуре сети и гибкой системе управления ею).

3. Гибкость управления сетью обусловлена наличием большого числа широкополосных каналов управления и компьютерной иерархической системы управления, а также возможностью автоматического дистанционного управления сетью из одного центра, включая динамическую реконфигурацию каналов и сбор статистики о функционировании сети.

4. Оперативное выделение полосы пропускания по требованию путем переключения на другой широкополосный канал.

5. Прозрачность для передачи нагрузки любого типа.

6. Универсальность применения, обусловленная возможностью формирования цифровых потоков со скоростью передачи до 40 Гбит/с.

7. Простота наращивания мощности, поскольку аппаратура STM позволяет переходить на другие скорости иерархии механической заменой функциональных блоков.

При разработке технологии SDH учтен принцип преемственности и поддержки стандартов PDH, причем как американских, так и европейских. Это выразилось в том, что терминальные мультиплексоры ввода/вывода, через которые осуществляется доступ в сеть, были рассчитаны на поддержку только тех каналов доступа, скорость передачи которых соответствовала объединенному стандартному ряду американской и европейской иерархий PDH: 1,5; 2; 6; 8; 34; 45; 140 Мбит/с.

В настоящее время эксплуатируются или разрабатываются SDH-системы со скоростями, Мбит/с: STM-1 155,52; STM-4 622,08; STM-16 2488,32; STM-64 9953,28; STM-256 39813,12. Концепция создания сети связи ОАО «РЖД» с интеграцией услуг позволяет построить сеть связи ОАО «РЖД»на единых принципах и при развитии сохранить свое организационно-техническое единство, обеспечивая высокое качество и надежность современных видов связи. На магистральном, дорожном и отделенческом уровнях цифровая сеть ОАО «РЖД»развивается вдоль железных дорог с использованием оборудования систем передачи СЦИ на принципах стратегии «наложения». Это позволит создать качественно новую сеть, оптимальную по структуре, управлению и возможностям ее

дальнейшего развития.

Развитие местных сетей будет продолжаться в основном на базе систем плезиохронной цифровой иерархии посредством «замещения» аналоговых систем на цифровые. Причем для кабелей с медными жилами целесообразны специальные технологии, например, НDSL. Первичные сети на базе СЦИ оптимальны для взаимодействия с существующими сетями связи. Сочетания различных топологий позволяют создавать сети СЦИ с гибкой архитектурой. Как правило, все мультиплексоры СЦИ имеют возможность оснащения различными платами оптоэлектронных интерфейсов на длинах волн 1310 нм и 1550 нм, выбор которых позволяет оптимизировать структуру линии в зависимости от соотношения стоимости и длин регенерационных участков.

Для железнодорожных сетей СЦИ наиболее целесообразно использовать кольцевые топологии и их варианты. Тип кабеля, его оптические и конструктивные характеристики, а также топология линейного тракта выбираются с учетом способа прокладки технологии выполнения аварийно-восстановительных работ, варианта обслуживания сети связи, цены простоя линейного тракта или отдельных сегментов связи, требуемого значения коэффициента готовности линейного тракта, территориального распределения потребителей услуг в районе прохождения трассы ВОЛС и величины передаваемой информационной нагрузки. При планировании цифровой сети связи ОАО «РЖД»учитывается ряд характерных ее особенностей. Сеть концентрируется вдоль железной дороги, полностью отражая при этом ее конфигурацию. Основная функция первичной сети в данном случае — формирование единого информационного потока, проходящего через последовательно расположенные пункты выделения, где часть потока ответвляется для обслуживания абонентов местной сети. Другой особенностью сети является то, что в большинстве пунктов выделения ответвляется незначительная часть потока, составляющая от долей до нескольких процентов от главного. Хребтовая структура, упоминавшаяся ранее, строится с учетом необходимого резервирования так, чтобы к каждому Управлению дороги подходило два направления волоконно-оптических трасс. По этим трассам организуются кольцевые топологии магистральных колец СЦИ, пропускная способность которых не менее формата SТМ-4. Пропускная способность систем передачи на других направлениях определяется общей емкостью информационного потока, который должен быть обеспечен на данном участке железной дороги, а количество первичных потоков Е1(2,048 Мбит/с), выделяемых на станциях, зависит от производственной необходимости, а также от числа терминалов местной сети, которым требуется доступ в сеть связи ОАО «РЖД».

При таком построении в определенной степени сглаживаются традиционные понятия магистрального, дорожного и отделенческого уровней сети, и цифровая сеть отражает двухуровневую систему, имеющую уровни транспортной сети и абонентского доступа. Принцип построения первичной сети на базе оборудования СЦИ иллюстрируется на рис. 8.12. Вдоль железной дороги прокладывается ВОЛС с использованием систем передачи SТМ-4 (SТМ-16). На крупных и средних железнодорожных станциях организуются сетевые узлы, оборудованные синхронными мультиплексорами ввода/вывода с функциями кросс соединения, обеспечивающими ответвление высокоскоростных потоков (155, 140 Мбит/с),

распределение компонентных потоков, взаимодействие SТМ-1 и SТМ-4 нижнего уровня, разветвление потоков по направлениям на узловых железнодорожных станциях, а также выделение необходимого количества первичных потоков Е1(2,048 Мбит/с).

Терминалы абонентов местной сети включаются в коммутационное оборудование вторичных сетей, которое, в свою очередь, через стыки 2,048 Мбит/с подключается к первичной сети СЦИ.

Рис. 8.12 Построение первичной сети на базе оборудования СЦИ

Абоненты малых промежуточных станций соединяются с помощью отдельных трактов (скорость 2,048 Мбит/с), организуемых по тем же ВОЛС, по которым работают системы СЦИ. На малых станциях устанавливается цифровой коммутатор оперативно-технологической связи (ОТС), к которому подключаются терминалы всех станционных абонентов. Коммутатор имеет оптоэлектронные преобразователи, благодаря чему нет необходимости в отдельной цифровой системе передачи.

29 Технологическая телефонная связь