Организация работы аналоговых каналов

В телефонных каналах общего пользования полоса пропускания составляет 0,3...3,4 кГц. Каналы с такой полосой пропускания называют каналами тональной частоты, что соответствует спектру человеческой речи.

Для передачи дискретной информации по каналам тональной частоты необходимы устройства преобразования сигналов, согласующие характеристики дискретных сигналов и аналоговых линий. Такое преобразование называют модуляцией при передаче и демодуляцией при приеме и осуществляют с помощью специальных устройств – модемов.

Модуляция осуществляется с помощью воплощения сигнала, выражающего передаваемое сообщение, в некотором процессе, называемом переносчиком и приспособленном к реализации в данной среде. Переносчик в системах связи представляет собой электромагнитные колебания U некоторой частоты, называемой несущей частотой:

U = U_m sin (ϖt + ψ),

где U_m –амплитуда, ϖ – частота, ψ – фаза колебаний несущей. Если сообщение переносится на амплитуду U_m, то модуляцию называют амплитудной (АМ), если на частоту ϖ – частотной (ЧМ), и если на фазу ψ – фазовой (ФМ).

Для повышения информационной скорости применяют квадратурно-амплитудную модуляцию QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Ее также называют квадратурно-импульсной. QAM основана на передаче n бит информации одним элементом модулированного сигнала. При n = 4...8. используются 16...256 дискретных значений амплитуды. Однако чтобы правильно различать эти значения амплитуды, требуется малый уровень помех с отношением сигнал/помеха не менее 12 дБ при n = 4. При меньших отношениях сигнал/помеха лучше применять фазовую модуляцию с четырьмя или восемью дискретными значениями фазы для представления 2 или 3 битов информации соответственно.

Современные высокоскоростные модемы построены в соответствии с протоколами V.32 или V.34. В протоколе V.34 скорости составляют
от 2,4 до 28,8 кбит/с с шагом 2,4 кбит/с. Протокол предусматривает адаптацию передачи под конкретную обстановку при изменении несущей
в пределах 1600...2000 Гц, а также автоматическое предварительное согласование способов модуляции в вызывающем и вызывном модемах. В протоколе V34.bis скорости могут достигать 33,6 кбит/с. В последнее время стали выпускаться модемы на 56 кбит/с по технологиям, названным х2 и V.90.

Для передачи аналоговых сигналов по цифровым каналам связи применяют импульсно-кодовую модуляцию или PCM (Pulse Code Modulation). Этот вид модуляции сводится к измерению амплитуды аналогового сигнала в моменты времени, отстоящие друг от друга на dt, и к кодированию этих амплитуд цифровым кодом.

Согласно теореме Котельникова величину dt определяют следующим образом: для неискаженной передачи должно быть не менее двух отсчетов на период колебаний, соответствующий высшей составляющей в частотном спектре сигнала. Требуемую пропускную способность определяют, исходя из условия обеспечения передачи голоса с частотным диапазоном до 4 кГц при кодировании восемью (или семью) битами. Отсюда получаем, что частота отсчетов (передачи байтов) равна 8 кГц, то есть биты передаются с частотой 64 кГц при кодировании восемью разрядами или 56 кГц при семибитовой кодировке.

Различают несколько технологий связи, основанных на цифровых каналах.

В США и Японии в качестве магистральных каналов передачи данных применяют стандартную многоканальную систему Т1 – Digital
Signal-1 (иначе DS-1). Она включает в себя 24 цифровых канала, называемых DS-0 (Digital Signal-0). В каждом канале применена импульсно-кодовая модуляция с частотой следования отсчетов 8 кГц и квантованием сигналов по 2⁸ = 256 уровням, что обеспечивает скорость передачи 64 кбит/с на один канал или 1554 кбит/с на аппаратуру Т1.

Канал DS-0 (один слот) соответствует одной из входных линий,
то есть реализуется коммутация каналов. Некоторые мультиплексоры позволяют маршрутизировать потоки данных, направляя их в другие мультиплексоры, связанные с другими каналами Т1, хотя сами каналы Т1 называют некоммутируемыми.

В канале Т1 использовано временное мультиплексирование (TDM). Все 24 канала передают в мультиплексор по одному байту, образуя
192-битный кадр с добавлением одного бита синхронизации. Суперкадр составляют 24 кадра. В нем имеются контрольный код и синхронизирующая комбинация. Сборку информации из нескольких линий и ее размещение в магистрали Т1 осуществляет мультиплексор.

В Европе широко распространена аппаратура Е1 с 32 каналами
по 64 кбит/с, то есть с общей скоростью 2048 кбит/с. Применяются также каналы Т3 (или DS-3), состоящие из 28 каналов Т1 (45 Мбит/с), а также Е3 (34 Мбит/с), применяемые преимущественно в частных высокоскоростных сетях.

В современных сетях важно обеспечить передачу не только дискретных сигналов, но и аналоговой информации (например, голос и видеоизображения). Поэтому для многих применений современные сети должны быть сетями интегрального обслуживания. Наиболее перспективными сетями интегрального обслуживания являются сети с цифровыми каналами передачи данных, например, сети ISDN.

Сети ISDN могут быть коммутируемыми и некоммутируемыми. Различают обычные ISDN со скоростями от 56 кбит/с до 1,54 Мбит/с и широкополосные ISDN (Broadband ISDN, или B-ISDN) со скоростями
155... 2048 Мбит/с.

Применяют два варианта обычных сетей ISDN – базовый и специальный. В базовом варианте имеются два канала по 64 кбит/с (эти каналы называют I-каналами) и один служебный канал с 16 кбит/с (D- канал). В специальном варианте имеется 23 канала I по 64 кбит/с и один или два служебных канала D по 16 кбит/с. Каналы I можно использовать как для передачи закодированной голосовой информации (коммутация каналов), так и для передачи пакетов. Служебные каналы используются для передачи команд, в частности, для вызова соединения.

Очевидно, что при выборе технологий Т1, Т3, ISDN необходимо учитывать полосу пропускания канала передачи.

Схема ISDN показана на рисунке 3.3. Здесь S-соединение представляет собой четырехпроводную витую пару. Если оконечное оборудование не имеет интерфейса ISDN, то его подключают к S через специальный адаптер ТА.

Устройство NT2 объединяет линии в одну Т-шину, которая имеет два провода для передатчика, и два провода для приемника.

S-устройство NT1 реализует схему эхо-компенсации (рис. 3.4) и служит интерфейсом Т-шины с обычной телефонной двухпроводной абонентской линией U.

Для подключения клиентов к узлам магистральной сети с применением обычного телефонного кабеля наряду с каналами ISDN можно использовать цифровые абонентские линии xDSL. К их числу относятся HDSL (High-bit-rate Digital Subcriber Loop), SDSL (Single Pair Symmetrical Digital Subcriber Loop), ADSL (Asymmetric Digital Subcriber Loop).

Рисунок 3.3 – Схема сети ISDN

Так, например, в HDSL используют две пары проводов. Передача осуществляется с амплитудно-фазовой модуляцией без несущей. Пропускная способность канала составляет 2 Мбит/с, расстояния до 7,5 км.

Рисунок 3.4 – Эхо-компенсация

Для организации дуплексной связи, то есть одновременной передачи информации по линии в обоих направлениях используют следующие способы:

· четырехпроводная линия связи – одна пара проводов для прямой и другая — для обратной передачи, что, естественно, дорого;

· частотное разделение – прямая и обратная передачи ведутся
на разных частотах, но при этом полоса для каждого направления сужается более чем вдвое по сравнению с полосой симплексной (однонаправленной) связи;

· эхо-компенсация – при установлении соединения с помощью посылки зондирующего сигнала определяются параметры (запаздывание и мощность) эха, то есть отраженного собственного сигнала. В дальнейшем из принимаемого сигнала вычитается эхо собственного сигнала (см. рис. 3.4).