Принципы передачи сигналов электросвязи

Перенос сигнала из одной точки пространства в другую осуществляет система электросвязи. Электрический сигнал является, по сути, формой представления сообщения для передачи его системой электросвязи. Выбор электрических сигналов для переноса сообщений на расстояние обусловлен их высокой скоростью распространения (около 300 км/мс).

Источник сообщения (рис.6.1) формирует сообщение а(t), которое с помощью специальных устройств преобразуется в электрический сигнал s(t). При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передаче изображения – ЭЛТ, при передаче телеграммы – передающая часть телеграфного аппарата.

Прежде чем рассматривать собственно методы модуляции в системах связи, рассмотрим основные способы представления сигналов электросвязи, принятые для описания методов модуляции.

Чтобы передать сигнал в системе электросвязи, нужно воспользоваться каким-либо переносчиком. В качестве переносчика естественно использовать те материальные объекты, которые имеют свойство перемещаться в пространстве, например, электромагнитное поле в проводах (проводная связь), в открытом пространстве (радиосвязь), световой луч (оптическая связь). Таким образом, в пункте передачи (рис.6.1) первичный сигнал s(t) необходимо преобразовать в сигнал v(t), удобный для его передачи по соответствующей среде распространения. В пункте приема выполняется обратное преобразование. В отдельных случаях (н/р, когда средой распространения является пара физических проводов, как в ГТС) указанное преобразование сигнала может отсутствовать.

Доставленный в пункт приема сигнал должен быть снова преобразован в сообщение (например, с помощью телефона или громкоговорителя при передаче речи, электронно-лучевой трубки при передаче изображения, приемной части телеграфного аппарата при передаче телеграммы) и затем передан получателю.

Передача информации всегда сопровождается неизбежным действием помех и искажений. Это приводит к тому, что сигнал на выходе системы электросвязи и принятое сообщение могут в какой-то мере отличаться от сигнала на входе s(t) и переданного сообщения a(t). Степень соответствия принятого сообщения переданному называют верностью передачи информации.

Для различных сообщений качество их передачи оценивается по-разному. Принятое телефонное сообщение должно быть достаточно разборчивым, абонент должен быть узнаваемым. Для телевизионного сообщения существует стандарт (хорошо известная всем телезрителям таблица на экране телевизора), по которому оце­нивается качество принятого изображения.

Количественной оценкой верности передачи дискретных сообщений служит отношение числа ошибочно принятых элементов сообщения к числу переданных элементов – частность ошибок (или коэффициент ошибок).

Для решения проблемы амплитуду высокочастотного несущего сигнала изменяют (модулируют) в соответствии с изменением низкочастотного голосового сигнала (рис.1). При этом спектр результирующего сигнала попадает в нужный высокочастотный диапазон. Такой тип модуляции наз-ся амплитудной модуляцией (Amplitude Modulation, AM).

Амплитудная модуляция (AM) — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.

При АМ, огибающая амплитуд несущего колебания изменяется по закону, совпадающему с законом передаваемого сообщения. Частота и фаза несущего колебания при этом не меняется. Одним из основных параметров АМ, является коэфициент модуляции(M). Коэффициент модуляции — это отношение разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений(%).

Проще говоря, этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения. При коэффициенте модуляции больше 1, возникает эффект перемодуляции, в результате чего происходит искажение сигнала.

Рис. 1 Модуляция голосовім сигналом.

В качестве информационного параметра используют не только амплитуду несущего синусоидального сигнала, но частоту. В этих случаях мы имеем дело с частотной модуляцией (Frequency Modulation, FM).

При передаче дискретной информации посредством модуляции единицы и нули кодируются изменением амплитуды, частоты или фазы несущего синусоидального сигнала. В случае, когда модулированные сигналы передают дискретную информацию, вместо термина «модуляция» иногда исп-ся термин «манипуляция»: амплитудная манипуляция (Amplitude Shift Keying, ASK), частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK), фазовая манипуляция (Phase Shift Keying, PSK).

Пожалуй, самый известный пример применения модуляции при передаче дискретной информации — это передача компьютерных данных по телефонным каналам. Типичная амплитудно-частотная характеристика стандартного ТЧ, представлена на рис. 1. его полоса пропускания равна 3100 Гц. Такая узкая полоса пропускания вполне достаточна для качественной передачи голоса, однако она недостаточно широка для передачи компьютерных данных в виде прямоугольных импульсов. Решение проблемы было найдено благодаря аналоговой модуляции. Устройство, которое выполняет функцию модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и обратную функцию демодуляции на приемной стороне, носит название модема (модулятор-демодулятор).

Рис. 1. Амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты

На рис. 2 показаны различные типы модуляции, применяемые при передаче дискретной инф-и. Исходная последовательность битов передаваемой инф-и приведена на диаграмме, представленной на рис. 2, а.

Рис. 2. Различные типы модуляции

При АМ для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля — другой (рис. 2, б). Этот способ редко исп-ся в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции — фазовой модуляцией.

При ЧМ значения нуля и единицы исходных данных передаются синусоидами с различной частотой — f₀ и f₁ (рис. 2, в). Этот способ модуляции не требует сложных схем и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 и 1200 бит/с. При исп-и только двух частот за один такт передается один бит информации, поэтому такой способ называется двоичной частотной манипуляцией (Binary FSK, BFSK). Могут также исп-ся четыре различные частоты для кодирования двух битов инф-и в одном такте, такой способ носит название 4уровневой частотной манипуляции (four-level FSK). Применяется также название многоуровневая частотная манипуляция (Multilevel FSK, MFSK).

При ФМ значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но различной фазы, например 0 и 180° или 0,90,180 и 270° (рис. 2, г). В первом случае такая модуляция носит название двоичной фазовой манипуляции (Binary PSK, BPSK), а во втором — квадратурной фазовой манипуляции (Quadrature PSK, QPSK).

Под мультиплексированием (уплотнением) понимается объединение нескольких меньших по емкости входных каналов связи в один канал большой емкости для его передачи по одному выходному каналу связи. Такой канал часто называют агрегатным, а трафик агрегированным (объединенным) или групповым.

Существуют два метода мультиплексирования:

- мультиплексирование с частотным разделением каналов - ЧРК (частотное мультиплексирование или уплотнение);

- мультиплексирование с временным разделением каналов (ВРК).

При ЧРК полоса частоты выходного сигнала делится на некоторое число полос (подканалов), соответствующей по ширине основной полосе стандартного телефонного канала – 4 кГц.

Групповой тракт – это комплекс технических средств, предназначенный для передачи сигналов электросвязи нормализованного числа каналов ТЧ или ОЦК в полосе частот или со скоростью передачи, соответствующей данному групповому тракту. Групповой тракт, параметры и структура которого соответствуют принятым нормам, называют типовым.

Сетевые тракты могут предоставляться только при условии наличия у них типового каналообразующего оборудования. В общем случае потребителю предоставляются широкополосные каналы, оборудованные на базе соответствующих сетевых трактов.

Современные СП позволяют кроме стандартных каналов ТЧ организовать каналы с более высокой пропускной способностью. Увеличение пропускной способности достигается расширением ЭППЧ, причем широкополосные каналы образуются объединением нескольких каналов ТЧ.

В настоящее время АСП предусматривают образование следующих широкополосных каналов:

- предгруппового канала с полосой частот 12..24 кГц взамен трех каналов ТЧ;

- первичного канала 60..108 кГц взамен 12 каналов ТЧ;

- вторичного канала 312..552 кГц взамен 60 каналов ТЧ;

- третичного канала 812..2044 кГц взамен 300 каналов ТЧ.

Кроме перечисленных каналов в системах передачи формируются каналы вещания и телевидения (со звуковым вещанием).

В зависимости от полосы частот первичных сигналов, которые нужно передать, выбирается тот или иной широкополосный канал.

В ЦСП не предусмотрено спец.оборудование для организации сетевых трактов. Групповой цифровой поток, сформированный на данной ступени иерархии, направляется либо на следующую ступень временного объединения потоков, либо на оборудование линейного тракта. Точки соединения оборудования двух смежных ступеней иерархии называют сетевыми стыками (СС). Параметры СС являются типовыми.

Аппаратура цифровых плезиохронных систем передачи (ЦСП PDH) – европейский стандарт, обеспечивает создание типовых цифровых каналов передачи со следующими градациями скоростей, кбит/с:

- основной цифровой канал (ОЦК) – 64;

- субпервичный цифровой канал (СЦК) – 480;

- первичный тракт – 2048;

- вторичный тракт – 8448;

- третичный тракт – 34368;

- четверичный тракт – 139264.

На базе данных цифровых каналов и трактов должны образовываться следующие типовые аналоговые каналы и тракты:

- канал ТЧ (на базе ОЦК);

- канал звукового вещания (на базе СЦК);

- канал ТВ со звуковым сопровождением (на базе трех третичных ЦГТ).

В сетевых стыках должна осуществляться передача не только информационных (ИС), но и тактовых (ТС) сигналов, обеспечивающих тактовую синхронизацию регенераторов и приемного генераторного оборудования оконечных станций. Имеющиеся в составе цифровых потоков служебные символы (цикловой и сверхцикловой синхронизации) обеспечивают доступ к составляющим цифровых потоков низших ступеней иерархии. Исключение составляет ОЦК, в котором таких символов нет. По этой причине в него вводят октетный сигнал (ОС), позволяющий разделять восьмиразрядные кодовые группы. Таким образом, в СС ОЦК осуществляется обмен не только ИС и ТС, но и ОС.

В американской системе PDH предусмотрены следующие градации скоростей (уровней иерархии), кбит/с:

- основной цифровой канал (ОЦК) -64;

- первый уровень – 1544;

- второй уровень – 6312;

- третий уровень – 44736.

Чтобы создать единую цифровую сеть и удовлетворить как американским требованиям, так и европейским, предусматривающим передачу сигнала на скорости 139,268 Мбит/с, был определен основной иерархический уровень новой структуры синхронного мультиплексирования, равный 155, 520 Мбит/с, что является результатом умножения в три раза скорости 51,84 Мбит/с (51,84х3=155,520).

Все уровни мультиплексирования в синхронных цифровых системах (SDH) являются положительными целыми кратными числами этого базового сигнала SТM-1 (синхронный базовый модуль-1).

Таким образом, была выработана единая всемирная концепция, касающаяся передачи сигналов данных со скоростью 155 Мбит/с. Это означает, что все предыдущие PDH сигналы должны быть включены в базовый сигнал SDH при помощи процедуры, называемой «Mapping» (размещение).