Системы передачи первичных сигналов

Системой передачи называют совокупность технических устройств, с помощью которых осуществляется одновременная и независимая передача по одной линии связи множества сигналов из пункта А в пункт Б. Назначение систем передачи - эффективное использование линий связи, которые является наиболее дорогостоящим элементами электросвязи.

В рассмотренной ниже схеме система передачи представлена модуляторами, куда поступает множество сигналов от источников в пункте А и демодуляторами, откуда сигналы поступают к получателям в пункте Б. Передатчик, приемник и линия связи таким образом становятся общими средствами для источников и получателей сигналов, в то время как модулятор и демодулятор остаются для них индивидуальными. Множество модуляторов вместе с источниками сигналов в пункте А, а также множество

демодуляторов вместе с приемниками сигналов в пункте Б, показаны на схеме пунктирными линиями.

Пункт А Пункт Б

Рис.7.1 Структурная схема системы передачи сигналов

В линии связи организуют множество каналов так, чтобы для каждого первичного сигнала был свой индивидуальный канал - коридор. Различают два способа разделения каналов: частотное разделение каналов (ЧРК) и временное разделение каналов (ВРК).

ЧРК и ВРК могут использоваться в комбинации. Например, ЧРК может быть использовано для выделения нескольких частотных каналов, внутри каждого из них можно выделить с помощью ВРК несколько временных каналов для передачи низкоскоростных сигналов. По этому принципу работают

некоторые системы сотовой связи, в частности GSM (глобальная система мобильных коммуникаций).

Рис 5.2. Частотный и временной способы разделения каналов

Частотное разделение каналов

При частотном разделении каналов каждое сообщение передается по индивидуальному коридору, занимающему строго определенное положение на шкале частот. Для этого первичный сигнал следует преобразовать, т.е. перенести его в нужный коридор частот. Это делают с помощью устройства, называемого модулятором. Модуляцией называют процесс изменения параметров (амплитуды или частоты) несущего, гармонического колебания по закону изменения первичного сигнала.

Модулятор осуществляет перенос первичного сигнала по шкале частот вверх, демодулятор осуществляет обратный перенос вторичного сигнала по оси частот вниз. Принцип действия модулятора и демодулятора показан на рисунке.

Рисунок 7.3. Модуляция и демодуляция.

Принципы модуляции и демодуляции рассмотрим на примере простейшей разновидности модуляции – амплитудной.

При амплитудной модуляции по закону сигнала меняется амплитуда несущего колебания, т.е. сообщение несет огибающая амплитуд модулированного сигнала, см. временную область рисунка 7.5.

Как видно из частотной области рисунка, после модуляции спектр частот информационного (модулирующего) сигнала раздваивается и располагается по обе стороны от частоты несущего колебания, образуя верхнюю и нижнюю боковые полосы. Таким образом, при выполнении условия модуляция позволяет перенести спектр низкочастотного сигнала в высокочастотную область.

Рисунок 7.5. Временные диаграммы и спектры при амплитудной модуляции

Демодуляция позволяет произвести обратный перенос спектра информационного сигнала, а именно из высокочастотной области в низкочастотную. Производится она с помощью устройства, называемого демодулятором. Временные диаграммы и схема демодулятора, состоящего из выпрямителя и простейшего фильтра нижних частот, показаны на рис.7.6. Из рисунка видно, что демодулятор позволяет восстановить исходный информационный сигнал с точностью до постоянной составляющей.

Рис. 7.6 Временные диаграммы и схема демодулятора

Системы передачи, в которых канальные сигналы размещаются не перекрывающихся частотных полосах, получили название систем передачи с частотным разделением каналов (ЧРК).

Временное разделение каналов

При временном разделении каналов каждое сообщение занимает узкий временной коридор в общем цикле передачи, который непрерывно повторяется. Первичный сигнал представлен таким образом своими отсчетами в определенные моменты времени. Такое представление не приводит к потере информации, если сигнал ограничен по спектру. Ограничение спектра осуществляется с помощью специального устройства, называемого фильтром низких частот (ФНЧ).

При передаче в линию каждый аналоговый сигнал дискретизируют, т.е. заменяют считываемыми с определенным шагом отсчетами. В промежутки между отсчетами одного сигнала вставляют отсчеты второго сигнала, в оставшиеся промежутки вставляют отсчеты третьего сигнала и т.д. В итоге образуется групповой сигнал в виде импульсов, модулированных по амплитуде (АИМ сигнал). Значения амплитуд импульсов ограничивают набором разрешенных уровней. Специальное устройство, называемое квантователем, подтягивает значение амплитуды каждого импульса до ближайшего разрешенного уровня. После этого становится возможным закодировать значение каждой амплитуды в двоичном коде в виде набора токовых и бестоковых посылок, т.е. в виде набора условных нулей и единиц. В результате кодирования в линию поступает импульсно-кодово модулированный сигнал (ИКМ сигнал). Принцип временного распределения каналов при передаче сигналов в линию показывает рис. 7.7. На рисунке представлено только три элемента системы ВРК, работающих на передачу: дискретизатор, квантователь и кодер. Для простоты изложения ФНЧ опущены.

Дискретизатор при передаче с определенным шагом считывает значения аналогового сигнала, т.е. производит его дискретизацию. Дискретизатор представлен на рисунке вращающимся против часовой стрелки подвижным электродом, касающимся поочередно в течение одного цикла трех неподвижных электродов. К каждому из неподвижных электродов подводится свой аналоговый сигнал.

Квантователь подтягивает значение отчета сигнала до ближайшего разрешенного уровня.

Кодер производит операцию кодирования, т.е. представление отсчетов сигнала в виде набора битов, условных нулей или единиц.

Рис.7.7. Принцип временного распределения каналов при передаче сигналов в линию

При приеме из линии групповой ИКМ сигнал декодируется, т.е. его значения переводятся из двоичной системы счисления в обычную десятичную. Полученный после этого групповой АИМ сигнал распределяется по каналам, являющимися индивидуальными для каждого сообщения. На входе каждого из таких каналов стоит фильтр низких частот (ФНЧ), который переводит сигнал из дискретной формы в аналоговую.

Принцип временного распределения каналов при приеме сигналов из линии показывает рис. 7.8.. На рисунке представлено только два элемента системы ВРК, работающих на прием: декодер и дискретизатор. Для простоты изложения ФНЧ опущены.

Декодер выполняет операцию, обратную кодированию, т.е .переводит значения сигнала из двоичной системы счисления в обычную десятичную. Дискретизатор на приеме разбивает групповой дискретный сигнал на индивидуальные дискретные сигналы. Дискретизатор на приеме должен синхронно работать с дискретизатором при передаче. Устройство обоих дискретизаторов одинаково.

Рис.7.8. Принцип временного распределения каналов при приеме сигналов из линии

Основы передачи сигналов

Передача сигналов – это процесс транспортировки информации между конечными пунктами системы или сети. Сигнал, как носитель информации, проходит длинный путь и на этом пути ему встречается много устройств, таких как коммутационные станции, линии, модуляторы и демодуляторы, передатчики и приемники. Ниже мы рассмотрим основные элементы системы передачи и осудим их роль в успешной передаче сигналов.

Обобщенная схема передачи сигналов приведена на рис. 7.9.

Рис. 7.9. Обобщенная схема передачи сигналов

На схеме не показаны преобразователи, в которых мы нуждаемся для того, чтобы преобразовать сообщение в электрический сигнал. Они не входят непосредственно в систему передачи сигналов.

Зато показаны шумы помехи и искажения, являющиеся не именными спутниками сигналов при их передаче. Заметим, что двунаправленные коммуникации требуют другой системы для одновременной передачи сигнала в противоположном направлении.

Передатчик обрабатывает входной сигнал и производит передаваемый сигнал, подходящий по характеристикам каналу передачи. Обработка сигнала для передачи часто включает в себя кодирование и модуляцию. В случае оптической линии связи преобразование электрического сигнала в оптический производится передатчиком.

Линия передачи представляет собой физическую среду, которая перекидывает мостик от источника к пункту назначения. Это может быть пара проводов, коаксиальный кабель или оптоволокно. Передача по линии связана с потерями энергии и потому мощность передаваемого сигнала постоянно уменьшается с увеличением пройденного пути. Сигнал также искажается в линии по форме вследствие неодинаковости ослабления в линии имеющихся в нем колебаний различных частот. Изменение сигнала по форме принято называть искажениями. Заметим, что линия часто включает в себя много каналов для передачи речи или данных, которые объединяются в одной паре проводов или оптоволокне.

Приемник обрабатывает получаемый из линии сигнал для того, чтобы потом подать его на вход преобразователя в пункте назначения. Операции приемника включают в себя:

- фильтрацию, чтобы исключить шумы в частотном диапазоне, расположенном за пределами спектра сигнала,

- усиление, чтобы компенсировать ослабление в линии;

-коррекцию, чтобы компенсировать искажения формы сигнала;

- демодуляцию и декодирование, чтобы сделать сигнал идентичным с тем, что был передан передатчиком.

Шумы, искажения и помехи. Много нежелательных факторов сопровождают передачу сигнала. Ослабление нежелательно, т.к. уровни входного и выходного сигналов должны быть одинаковыми.

Более серьезные проблемы связаны с искажениями в линии, помехами и шумами. В качестве средств борьбы с искажениями сигнала в приемнике всегда используют частотные корректоры, а для борьбы с шумами фильтры, которые пропускают электрические колебания только в частотном диапазоне, определяемом спектром сигнала.

Аппаратные средства цифровой системы передачи

Много различных систем применяется в телекоммуникационных сетях для передачи сигналов. Ниже мы рассмотрим наиболее употребляемые аппаратные средства и системы.

Модем – комбинированное устройство, которое включает в себя модулятор и демодулятор. Модемы используют для передачи цифровых сигналов по аналоговым системам передачи. Например, они используются для передачи данных от персонального компьютера в аналоговых телефонных линиях передачи. Микроволновые радиосистемы также иногда называют модемами, потому что они передают цифровые сигналы по микроволновым радиолиниям. Чтобы это стало возможным, микроволновые радиосистемы выполняют операции модуляции и демодуляции сигналов.

Рис. 7.10. Аппаратурные средства и топологии цифровых систем передачи

Терминальный мультиплексор при передаче объединяет, как бы «сшивает», низкоскоростные цифровые сигналы в групповой высокоскоростной сигнал. Принцип его работы заключается в том, чтобы между отсчетами одного сигнала вставить отсчеты других сигналов.

Промежуточные (Доб/выр) мультиплексоры. Системы передачи в сети реализуются по разным топологиям: «точка – точка», цепной и кольцевой, см. рис. 7.10. Эти топологии эффективно работают, когда только малая часть первичных сигналов используется на промежуточных пунктах. Промежуточные (Доб/выр) мультиплексоры используются в этих конфигурациях для того, добавить или вырезать небольшую часть первичных сигналов в общем высокоскоростном потоке на промежуточных пунктах. Цифровые коммутаторы (устройства перекрестных соединений) представляют собой узлы сети, которые переключают подходящие к ним линии передачи. Это способствует гибкости конфигурации систем передачи и всей сети, т.к. с помощью этих узлов оператор способен контролировать из центра управления сети реальные маршруты движения цифровых потоков. Основные функции коммутатора напоминают функции цифровой телефонной станции. Однако работа коммутатора контролируется оператором сети, в то время как коммутациями на телефонной станции управляет абонент с помощью набора. Кроме того коммутации на коммутаторе производятся не так часто как на телефонной станции.

Цифровые сети часто строятся по кольцевой топологии для повышения надежности работы. В случае аварии узлы кольца перенаправляют движения цифровых потоков на обходные пути, как показано на рис. 7.10.

Регенераторы или промежуточные повторители сигналов. Регенераторы используются в случаях, когда длина линии передачи является большой. Они усиливают ослабленный сигнал, восстанавливают его по форме оригинала и передают дальше.

Оптические системы передачи. Оптические системы передачи включают в себя два преобразователя на каждом конце оптоволокна. Преобразователи преобразуют электрический цифровой сигнал в оптический и обратно. Как и другие системы передачи эти системы обладают контролирующими функциями, такие как мониторинг нормального функционирования сети и его нарушений. Поэтому они легко встраиваются в единую цифровую сеть в виде её участков.

Оптические линии передачи передают по стекловолокну свет в виде импульсов, они не используют свет как несущее информацию колебание, как это имеет место в случае радиоволн. Однако успехи полупроводниковой технологии сделали возможным использование лазеров, излучающих свет строго определенной длины волны. Это делает возможным использование оптических систем передачи с разделением каналов по длине волны. В таких системах по стекловолокну параллельно распространяются несколько оптических сигналов с различными длинами волн.

Микроволновая радиорелейная линия

Микроволновые радиорелейные линии представляют собой системы передачи конфигурации «точка - точка», которые могут быть использованы вместо медных или оптических кабальных систем. Они преобразуют цифровые сигналы в радиоволны и обратно. Они также выполняют контролирующие функции для дистанционного управления и мониторинга ошибок из центра управления сетью. Рис. 7.11 иллюстрирует структуру радиорелейной линии конфигурации «точка - точка», используемой в телекоммуникационной сети.

Микроволновая радиорелейная линия обычно работает на радиочастотах в диапазоне от 1 до 40 ГГц. Радиоволны этих частот фокусируются и передаются между антеннами, выполненными в виде параболически изогнутых тарелок. Это делает возможным передачу сигналов на расстояние от 2-3 до 50 км в зависимости от используемой частоты и характеристик антенн. Радиоволны распространяются по прямой линии от фокуса одной антенны до фокуса другой. Такой вид радиопередачи называют передачей «на расстояние прямой видимости».

Рис. 7.11. Секция микроволновой радиорелейной линии

Чем выше частота и чем выше потери энергии сигнала на распространение, тем меньше дистанция между передающей и приемной станциями. На очень высоких частотах погодные условия сильно влияют на ослабление сигналов и качество передачи, они и определяют приемлемую для передачи полосу частот и максимальную дистанцию. Рис. 7.11 показывает, как дистанция между станциями зависит от используемых радиочастот

Контрольные вопросы

1. Назовите основные элементы структурной схемы системы передачи первичных сигналов

В лекции "9 Система с ограниченной длиной очереди" также много полезной информации.

2. В чем заключается частотный способ разделения каналов?

3. Каково назначение модуляции сигналов?

4. В чем заключается временной способ разделения каналов?

5. Назовите основные элементы обобщенной схемы передачи сигналов.

6. Перечислите аппаратурные средства цифровых систем передачи.

7. Какие параметры микроволновой радиолинии определяют качество передачи сигналов в ней?

Поделитесь ссылкой: