Галуев Г.А. Принципы построения и основы функционирования систем и сетей связи

Подождите немного. Документ загружается.

модуляции с учетом теоремы Котельникова, получим что такой речевой сигнал

можно представить последовательностью импульсов с периодом

125

40002

t =

⋅

==Δ

мкс. Тогда количество вырезанных из аналогово-

го сигнала импульсов в секунду равно

108

10125

⋅=

⋅

−

. Для передачи речи

амплитуда одного импульса может быть представлена 1 байтом, т.е.

8-разрядным кодом. То есть каждые 125 мкс в линию связи поступает 8 бит ин-

формации, характеризующие амплитуду импульсов, вырезанных из исходного

непрерывного речевого сигнала.

Иными словами общая скорость передачи речи в виде двоичных сигна-

лов "0" и "1" будет равна 8 ⋅ 8 ⋅

= 64 килобита. Таким образом, человеческая

речь может быть передана по каналу связи в виде последовательности байтов,

поступающих 8000 раз в секунду, т.е. через 125 мкс. Если теперь уменьшить

интервал передачи одного байта до 5 мкс, то за время 125 мкс можно передать

еще 24 других байта, соответствующих разговорам других абонентов. Таким

образом, по одному каналу

связи, не нарушая условий теоремы Котельникова,

можно передать 25 разговоров разных абонентов.

Разделение сигналов по форме

Для разделения сигналов могут использоваться не только такие призна-

ки как частота или время, но также и форма сигнала. Различающиеся по форме

сигналы могут передаваться одновременно и иметь перекрывающиеся частот-

ные спектры. Такие сигналы можно

одновременно передавать в одной и той же

полосе частот и в одни и те же интервалы времени, но при этом должно выпол-

няться условие линейной независимости или условие ортогональности сигна-

лов. При этом естественно существенно возрастает эффективность использова-

ния линии связи.

Для построения систем многоканальной связи с разделением сигналов

по

их форме применяется операция ортогонализации, т.е. преобразование ли-

нейно-зависимых сигналов в ортогональные. Для этого могут быть использова-

ны известные методы представления функций в виде полиномов Чебышева,

Эрмита, Легера и др. Однако реализация такого преобразования может стать

весьма сложной. Поэтому этот метод разделения каналов не получил широкого

распространения на практике

Комбинационное разделение сигналов

Комбинационный способ разделения используется при групповой пере-

даче дискретных сообщений. Суть этого способа состоит в следующем.

Пусть необходимо организовать передачу N независимых дискретных

сообщений по одному групповому каналу связи. Если каждый элемент сообще-

ния может принимать m состояний (например, m=2, а число каналов N=2), то

оказываются возможными 4 разных комбинации элементарных сигналов

0 и 1 в

обоих каналах. Задача теперь сводится к передаче некоторых чисел, опреде-

ляющих номер комбинации. Эти числа могут передаваться посредством любого

кода. При такой передаче групповой сигнал является отображением определен-

ной комбинации сигналов различных каналов. Поэтому разделение сигналов,

основанное на различии в комбинациях сигналов разных каналов, называется

комбинационным разделением.

Типичным

примером комбинационного разделения каналов является сис-

тема двукратной частотной модуляции (ДЧМ). Для передачи четырех комбина-

ций сигналов двух каналов используются четыре разные частоты f

, f

Канал 1 0 1 0 1

Канал 2 0 0 1 1

ДЧМ f

Сравнение ДЧМ с обычной двухканальной ЧМ системой с частотным раз-

делением показывает, что обе системы занимают одинаковую полосу частот,

однако мощность сигнала, обеспечивающая заданную верность передачи при

ДЧМ почти вдвое меньше, чем при частотном разделении. Поэтому комбинаци-

онное разделение широко применяется в системах с ограниченной энергетикой.

Цифровые системы многоканальной

передачи информации

Цифровые системы многоканальной передачи сообщений основаны на

широко развитых методах импульсно-кодовой модуляции и используют

временной принцип разделения каналов. В многоканальной цифровой системе

передачи сообщений с временным разделением каналов общий поток битов,

передаваемый последовательно по линии связи, периодически ставится в

соответствие отдельным каналам. Период этого процесса, т.е

. цикл, показан на

рисунке 1.29.

Информационные биты

12...N Синхр 12...N Синхр 12...N

Цикл

Рис.1.29.

Для синхронизации циклов отводится небольшая часть общего числа

битов. Отдельные биты этого циклового синхросигнала могут располагаться

либо все подряд в виде синхронизирующей комбинации (как на рисунке), либо

распределяются внутри цикла. После того, как указанным способом обозначено

начало цикла информационные биты путем простого их отсчета можно распре-

делить между отдельными каналами

по одному (посимвольный способ объеди-

нения цифровых потоков), либо по группам (групповой способ объединения

цифровых потоков).

Структура цифровой системы передачи данных с временным разделе-

нием каналов показана на рисунке 1.30.

Рис.1.30.

М – мультиплексор;

ДМ – демультиплексор;

ТЦС – тактовый генератор и синхронизатор циклов.

Цифровые сигналы данных поступают на входные блоки Вх

, …, Вх

хранятся там до тех пор, пока мультиплексор не объединит их в общий поток и

не включит каждый из них на том месте цикла, которое соответствует номеру

канала каждого из этих сигналов. Информация, необходимая для цикловой син-

хронизации, также направляется в отведенное ей место в общем потоке битов,

например, в

виде синхронизирующей битовой комбинации в начале цикла.

Сформированный поток передается по каналу связи. На приемной стороне в

устройстве ТЦС выделяется синхронизирующая цикловая комбинация и непре-

рывно контролируется. ТЦС устанавливает ДМ в состояние, отвечающее посту-

плению цикловой комбинации так, что информационные биты, соответствую-

щие разным каналам 1, …, N, в надлежащие моменты времени считываются и

распределяются по выходным блокам Вых

, …, Вых

. Система с временным

разделением каналов требует строгой синхронизации с дискретным каналом.

Если такты формируются приемопередающей аппаратурой (Пер, Пр), то они

поступают в блоки системы от передатчика (Пер) и приемника (Пр) в противо-

положных направлениях (как показано на рисунке 1.30). В ряде случаев делает-

ся так, чтобы синхросигналы всегда совпадали с направлением передач группо-

вого сигнала. Для этого на передающей стороне тактовый сигнал, как и данные

с выхода ТЦС, поступает на передатчик.

Важнейшими характеристиками цифровых систем многоканальной пе-

редачи (ЦСМП) с временным разделением каналов (ВРК) являются:

1. Способ объединения цифровых потоков.

2. Цикловая синхронизация.

3. Согласование скоростей передачи (стаффинг).

Выше мы уже говорили о двух способах объединения цифровых пото-

ков: посимвольный и групповой. Первый из указанных способов позволяет осо-

бенно просто организовать ВРК

. При этом (посимвольном) способе сигналы

данных, передаваемых по отдельным каналам объединяются мультиплексором

в групповой поток по отдельным битам (символам). Поэтому во входных бло-

ках Вх

, …, Вх

только один бит подлежит промежуточному запоминанию на то

время, пока он не будет помещен на соответствующее место (позицию) в цикле.

Передаваемый сигнал данных таким образом может быть сдвинут относительно

тактов запоминающего устройства максимум на один бит, поэтому наибольшее

время задержки при переводе одного бита в групповой поток равно двум еди-

ничным тактам времени.

Посимвольный метод объединения является весьма гибким и допускает

объединение каналов с различными скоростями в одной системе.

Групповой метод объединения предполагает разделение потока битов в

каждом канале по группам битов определенной длины. При этом, входные бло-

ки должны выявить начало этих групп и запомнить их. Затем мультиплексор

вставляет эту

группу битов в нужное место в цикле. Поэтому время задержки в

ЦСМП с ВРК при таком способе объединения может достигать удвоенной дли-

тельности группы битов.

Для цикловой синхронизации выделяется небольшая часть битов из

общего их числа в цикле. Они размещаются внутри цикла строго определенным

образом (например, в начале цикла) и

должны гарантировать на приемной сто-

роне соответствие передаваемых информационных битов своим индивидуаль-

ным каналам. Для этого требуется полная синхронизация всех блоков ЦСМП с

ВРК. Это достигается с помощью специальных методов согласования скоростей

(стаффинга).

Суть этих методов в следующем: образуется цикл согласования, который

часто соответствует основному циклу или сверхциклу, охватывающему не-

сколько основных циклов системы с ВРК. Общее число битов в цикле согласо-

вания выбирается большим, чем число информационных битов, для того чтобы

выполнить следующие условия:

• Вводится один или несколько битов заполнения, которые могут содержать

или не содержать данные (т.е. используется постоянный цикл согласова-

ния).

• Вводится один или более битов пробела, которые для выравнивания скоро-

стей могут при необходимости удаляться (т.е. используется переменный

цикл согласования).

• Для обеспечения согласования на приемную сторону ЦСМП с ВРК направ-

ляется информация (закодированная несколькими битами) о том, содержит

ли бит заполнения данные, либо о том, сохранен

или нет бит пробела.

За определенное число шагов процесса согласования на приемной стороне

системы с ВРК можно таким образом восстановить тактовые интервалы перво-

начального сигнала данных.

2. Принципы построения и основы функционирования систем и

сетей связи

2.1 Аналоговые и цифровые системы телефонной связи.

Телефонные тракты и аппараты. Структура и принцип

работы

автоматической телефонной станции. Свойства и характеристики

цифровых систем телефонной связи

Аналоговая телефонная сеть

В общем случае сеть электросвязи состоит из передатчиков и при-

емников информации, коммутационных узлов и каналов, посредством ко-

торых эти передатчики и приемники соединяются с коммутационными

станциями, а последние с коммутационными узлами.

Процесс преобразования речевых сигналов

в электрические сигна-

лы, передача их на расстояние и преобразование этих сигналов опять в

речь называется телефонной передачей речи. Для осуществления телефон-

ной передачи речи создаются системы телефонной связи. Основу этих сис-

тем составляют телефонные тракты, включающие приемопередающие аку-

стико-электрические (микрофон М) и электро-акустические (телефоны Т)

преобразователи, являющиеся

частями телефонного аппарата (ТА), а также

соединительные тракты, состоящие из линейных (абонентская линия АЛ,

соединительная линия СЛ) и станционных (телефонная станция ТС) уст-

ройств.

Телефонные тракты могут быть двухпроводными, четырехпровод-

ными и комбинированными, т.е. состоящими из двух и четырехпроводных

участков. Четырехпроводный телефонный тракт показан на рисунке 2.1.

ТС ТС

ТА

АЛАЛ СЛ

Рис.2.1.

Он содержит 2 двухпроводных телефонных тракта в виде физических

воздушных или кабельных линий. Его также можно образовать в многоканаль-

ной системе передачи с частотным или временным разделением каналов. Такой

тракт устойчив против самовозбуждения. В нем разнесены направления переда-

чи сообщений по отдельным парам проводов. Такого типа телефонный тракт

используется при

передаче данных на большие расстояния (междугородняя те-

лефонная связь). По такому тракту возможна передача информации одновре-

менно в двух направлениях без существенных искажений, т.к. он устойчив про-

тив самовозбуждения из-за незначительного электромагнитного влияния в па-

раллельных линиях связи и характеризуется незначительной акустической свя-

зью между микрофоном и телефоном.

Разнесение направлений передачи данных по двум независимым парам,

кроме того, значительно упрощает задачу построения на базе такого четырех-

проводного тракта многоканальных систем связи с частотным или временным

разделением каналов.

Применение четырехпроводных трактов в пределах города (т.е. когда

расстояние небольшое) экономически не выгодно (четыре жилы в кабеле или

четыре провода в

воздушной линии связи). Поэтому на небольших расстояниях

могут использоваться двухпроводные тракты. Такой двухпроводный тракт по-

казан на рисунке 2.2.

ТС ТС

ТМ

ТА

АЛАЛ СЛ

ТР

ТА

Рис.2.2.

Для этого в ТА вводят двухобмоточный трансформатор (ТР) или трех-

обмоточный с балансным контуром (дифференциальную систему ДС), для под-

ключения ТА к двухпроводной абонентской линии.

Стремление повысить эффективность использования линии связи путем

создания на ее основе многоканальной системы передачи данных (требующих

как указывалось выше перехода от двухпроводных к четырехпроводным трак

там) приводит к появлению комбинированных телефонных трактов, представ-

ленных на рисунке 2.3

ДС

ТС

ДС

ТС

ДС ДС

СЛАЛ АЛ

Рис.2.3.

Несовершенство балансировки реальных дифференциальных систем и

большое число последовательно включенных таких систем снижает устойчи-

вость тракта к самовозбуждению. Поэтому в настоящее время на ТС вместо ДС

ставят коммутационные системы.

Телефонный аппарат, номеронабиратель

Основными блоками ТА являются телефон и микрофон, которые назы-

вают электроакустическими преобразователями.

По принципу действия

эти преобразователи делятся на: электромаг-

нитные, электродинамические, электростатические (конденсаторные),

электетные, пьезоэлектрические, угольные, транзисторные.

Электромагнитные, электродинамические, электростатические, пьезо-

электрические – обратимые преобразователи (речь-сигнал, сигнал-речь). Кон-

денсаторные, электетные, угольные, транзисторные – требуют источник пита-

ния и называются активными.

По назначению:

• Передающие: микрофон, ларингофон;

• Приемные: телефон, громкоговоритель.

Телефон – преобразователь электрических колебаний в

звуковые. Рассмотрим схему и принцип действия

электромагнитного телефона с простой магнитной системой,

показанной на рисунке 2.4

Рис.2.4.

где 1 – мембрана;

2 – полюсные надставки;

3 – постоянный магнит;

4 – обмотка;

– магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом;

- амплитуда переменного магнитного потока в обмотке.

В исходном состоянии мембрана удерживается постоянным магнитом и

крышкой телефонной трубки. В зависимости от направления тока в обмотке

переменный магнитный поток либо увеличивает либо уменьшает силу притя-

жения мембраны. Изменяющаяся сила притяжения вызывает колебания мем-

браны с амплитудой А

, что в свою очередь сопровождается излучением звуко-

вых волн.

Сила притяжения мембраны для синусоидального тока, протекающего в

обмотке телефона равна

()

t2cosФK5.0ФK5.0

tsinФФK2ФKtsinФФKF

~П

ω−+

+ω+=ω+=

===

т.к.

()

A2cos1

Asin

−=

Здесь

– коэффициент пропорциональности; S – площадь

сечения магнитного потока между концом полюсной надставки и мембраной.

Отсюда видно, что сила F – это сумма трех сил:

tsinФФK2F

~П1

воздействует на мембрану с угловой частотой ω,

совпадающей частотой тока в обмотке;

t2cosФK5.0F

~П2

ω=

приводит к

нелинейным искажениям, т.к. сообщает мембране колебания с удвоенной час-

тотой 2ω;

~П3

ФKФK5.0F

постоянная сила прогиба мембраны в

сторону постоянных магнитов. Если Ф

=0, то

t2cosФK5.0ФK5.0F

~П

ω−=

, т.е. телефон без постоянного магнита

возбуждает колебание с удвоенной частотой, и не обеспечивает требуемого ка-

чества преобразования электрического сигнала в речевой.

Микрофон – угольный (активный, необратимый преобразователь).

Принцип его действия основан на свойстве угольного порошка изменять свое

сопротивление электрическому току в зависимости от величины давления на

этот порошок, вызывающего его

уплотнение и разрыхление. Структура такого

микрофона показана на рисунке 2.5.

порошок

неподвижный

электрод

корпус угольной

ячейки

Тр

мембрана с

порвижным

электродом

Рис.2.5.

При отсутствии звуковых колебаний в микрофоне протекает под воз-

действием источника питания U постоянный ток I

. При разговоре образуется

звуковое поле с переменным давлением, воздействующим на мембрану. При

увеличении давления порошок угольный сжимается и его сопротивление

уменьшается, а ток в цепи микрофона возрастает. При уменьшении давления

происходит обратная картина. В результате в первичной обмотке трансформа-

тора (Тр) будет протекать постоянный по направлению, но переменный по ве-

личине ток. Этот ток наводит переменную электродвижущую силу во вторич-

ной обмотке трансформатора и приводит к появлению переменного тока в на-

грузочном сопротивлении z. Таким образом, звуковые колебания преобразуют-

ся в микрофоне в переменный электрический ток.

Телефонные аппараты делятся:

1. По назначению: общего (обычные бытовые телефоны, таксофоны) и специ-

ального (корабельные, шахтные

, военно-полевые) назначения.

2. По способу питания микрофона: аппараты с местной батареей и аппараты

системы центральной батареи (батарея на АТС).

3. По способу обслуживания вызовов: аппараты ручных и автоматических

телефонных станций.

4. По способу включения разговорных приборов: постоянная схема включе-

ния микрофона и телефона и переменная схема включения, когда микрофон

включен только при передаче, а телефон только при приеме.

В ТА кроме рассмотренных телефона и микрофона (расположенных в

телефонной трубке), включены звонок (преобразует сигнал вызова частотой 25

Гц в звуковые колебания) и номеронабиратель дисковый или кнопочный. Номе-

ронабиратель формирует сигналы адресной информации о вызываемой або-

нентской линии и различных службах телефонной сети

, которые передаются на

телефонную станцию при установлении соединений. Исторически первыми те-

лефонными станциями были станции с ручной коммутацией. В процесс уста-

новления соединений при ручной коммутации часть функций, выполняемых

телефонисткой, были чисто механическими (вставка и вынимание штепселей и

др.), а часть функций требовало мышления (прием информации о номере або-

нента,

отыскание требуемого гнезда в поле коммутатора и др.). В настоящее

время используются автоматические телефонные станции – АТС. Идея автома-

тической коммутации заключается в том, что функции телефонистки, требую-

щие мышления выполняются абонентом, а механические функции телефонист-

ки – коммутационными приборами АТС.

Структура АТС, сигнализация, установление соединений (коммутация)

Прежде чем рассматривать в общем виде

структуру и принципы функ-

ционирования современной АТС, проанализируем лежащие в ее основе устрой-

ства и процессы.

Для осуществления коммутации линий связи и управления процессами

установления соединений на АТС используются коммутационные приборы

(КП). Используемые в настоящее время коммутационные приборы по структур-

ным параметрам можно разделить на 4 типа: