2.4 Особенности построения цифровых систем передачи (1/3)

Магистральные линии связи (основные понятия)

Высокая стоимость линий связи обуславливает разработку систем и методов, позволяющих одновременно передавать по одной линии связи большое число независимых сообщений, т.е. использовать линию многократно. Такие системы связи называют многоканальными.Связь, осуществляемую с помощью этих систем, принято называтьмногоканальной связью.Практически все современные системы связи за редким исключением являются многоканальными.

В современных сетях связи используются аналоговые и цифровые системы передачис тенденцией постепенного перехода к применению только цифровых систем.

Многоканальные системы передачи с частотным и временным разделением каналов - это сложный комплекс технических средств, включающий в себя оконечную аппаратуру, устанавливаемую на оконечныхпунктах (ОП), промежуточную аппаратуру, размещаемую вобслуживаемых (ОУП) или необслуживаемых (НУП) усилительных пунктах, а также линий связи (Рис. 20).

В отличие от аналоговых систем в цифровых системах на обслуживаемых и необслуживаемых пунктах устанавливается аппаратура для восстановления (регенерации)импульсных сигналов линейного тракта. Отсюда обслуживаемые и необслуживаемые пункты в этих системах принято называтьрегенерационными (ОРП, НРП).

Поясним, для чего нужны усилительные и регенерационные пункты. Дальность передачи сигналов по физическим цепям(средам) определяется, прежде всего, затуханием(ослаблением) сигнала из-за того, что в цепи теряется часть энергии передаваемого сигнала. Конкретные электрические параметры цепи и чувствительность приемного устройства определяют допустимую дальность связи. Например, при передаче речи мощность сигнала на выходе микрофона телефонного аппарата P ПЕР = 1 мВт, а чувствительность телефона приемного аппарата P ПР = 0,001 мВт. Таким образом, максимально допустимое затухание цепи не должно быть больше a max =10lg(P ПЕР /P ПР) =10lg(1/0.001)=30дБ. Зная затухание a max и километрический коэффициент затухания a ,можно определить дальности передачи l=a max / a .

Рисунок 20 . Структурная схема построения многоканальной системы передачи данных

Аппаратура ОУП и НУП служит не только для усиления аналогового сигнала, но и для коррекции (выравнивания)амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик линейного тракта.

Аппаратура НРП и ОРП предназначена для восстановления амплитуды, длительности и временного интервала между импульсами сигнала цифровых систем.

Основной тенденцией развития телекоммуникаций во всем мире является цифровизациясетей связи,предусматривающая построение сети на базе цифровых методов передачи и коммутации. Это объясняется следующими существенными преимуществами цифровых методов передачи перед аналоговыми:

Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) этих символов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации.

Слабая зависимость качества передачи от длины линии связи.В пределах каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов оказываются ничтожными. Длина регенерационного участка и оборудование регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остаются практически такими же, как и в случае передачи на малые расстояния. Так, при увеличении длины линии в 100 раз для сохранения неизменным качества передачи информации достаточно уменьшить длину регенерационного участка лишь на несколько процентов.

Стабильность параметров каналов цифровых систем передачи данных (ЦСПД)Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной характеристик и др.) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства составляют незначительную часть оборудования ЦСПД, стабильность параметров каналов в таких системах значительно выше, чем в аналоговых. Этому также способствует отсутствие в ЦСПДвлияния загрузки системы на параметры отдельных каналов.

Эффективность использования пропускной способности каналов для передачи дискретных сигналов.При вводе дискретных сигналов непосредственно в групповой тракт ЦСПДскорость их передачи может приближаться к скорости передачи группового сигнала. Если,например, при этом будут использоваться временные позиции, соответствующие только одному каналу ТЧ, то скорость передачи будет близка к 64 кбит/с, в то время как в аналоговых системах она обычно не превышает 33,6 кбит/с.

Возможность построения цифровой сети связи.Цифровые системы передачи в сочетании с цифровыми системами коммутации являются основой цифровой сети связи, в которой передача, транзит и коммутация сигналов осуществляются в цифровой форме. При этом параметры каналов практически не зависят от структуры сети, что обеспечивает возможность построения гибкой разветвленной сети, обладающей высокими надежностными и качественными показателями.

Высокие технико-экономические показатели. Передача и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать оборудование на единых аппаратных платформах. Это позволяет резко снижать трудоемкость изготовления оборудования,значительно снижать его стоимость, потребляемую энергию и габариты. Кроме того,существенно упрощается эксплуатация систем и повышается их надежность.

Требования к цифровым системам передачи определены в рекомендациях МСЭ-Т серии G.

Структура первичной сети предопределяет объединение и разделение потоков передаваемой информации, поэтому используемые на ней системы передачи строятся по иерархическому принципу. Применительно к цифровым системам этот принцип заключается в том, что число каналов цифровых систем передачи данных, соответствующее данной ступени иерархии, больше числа каналов предыдущей ступени в целое число раз.

Аналоговые системы передачи с частотным разделением каналов также строятся по иерархическому принципу, но в отличие от цифровых систем передачи данных для них ступенями иерархии являются не сами системы передачи, а типовые группы каналов.

Цифровая система передачи, соответствующая первой ступени иерархии, называется первичной,где осуществляется прямое преобразование относительно небольшого числа первичных сигналов в первичный цифровой поток. Системы передачи второй ступени иерархии объединяют определенное число первичных потоков вовторичный цифровой потоки т.д.

В рекомендациях МСЭ-Тпредставлено два типа иерархий цифровых систем передачи данных:плезиохронная цифровая иерархия (ПЦИ)исинхронная цифровая иерархия (СЦИ).Первичным сигналом длявсехтипов является цифровой поток со скоростью передачи 64 кбит/с, называемыйосновным цифровом каналом. Для объединения сигналов основного цифрового канала в групповые высокоскоростные цифровые сигналы используется принципвременного разделения каналов. 

МСЭ-Т – это Сектор стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи. Он действует в качестве форума,на котором представители правительств и частного сектора могут координироватьстандарты глобальных сетей и служб электросвязи.

Появившаяся исторически первой плезиохронная цифровая иерархия имеет европейскую,североамериканскуюияпонскуюразновидности. Для цифровых потоков ПЦИ применяют соответствующие обозначения. Для североамериканской и японской ПЦИ применяется обозначение T (иногда DS), для европейской ПЦИ - Е. Цифровые потоки первого уровня обозначаются соответственно Т-1 и E-1, второго Т-2 и Е-2 и т.д.

К использованию на сетях связи РФ принята европейская плезиохронная цифровая иерархия.

Аналоговая модуляция

В настоящее время все чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму (речь, телевизионное изображение), передаются по каналам связи в дискретном (цифровом) виде, то есть в виде последовательности единиц и нулей. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называется дискретной модуляцией.Термины «модуляция» и «кодирование»часто используют как синонимы.

Аналоговая модуляция применяется для передачи дискретных данных по каналам с узкой полосой частот, типичным представителем которых является канал тональной частоты,предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей. Этот канал передает частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц, таким образом, его полоса пропускания равна 3100 Гц. Хотя человеческий голос имеет гораздо более широкий спектр - примерно от 100 Гц до 10 кГц, - для приемлемого качества передачи речи диапазон в 3100 Гц является хорошим решением. Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с использованием аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных сетях.

Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор - демодулятор).

Методы модуляции аналогового сигнала

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Основные способы модуляции аналогового сигнала показаны на рис. 21. На диаграмме (рис. 21,а) показана последовательность бит исходной информации, представленная потенциалами высокого уровня для логической единицы и потенциалом нулевого уровня для логического нуля. Такой способ кодирования называется потенциальным кодом, который часто используется при передаче данных между блоками компьютера.

При амплитудной модуляции(рис. 21, б)для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции -фазовой модуляцией.

При частотной модуляции(рис.21, в)значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой - f 0 и f 1 . Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.

При фазовой модуляции(рис. 21, г) значениям данных 0 и 1соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.

В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная в сочетании с фазовой.

Рисунок 21 . Типы аналоговой модуляции

Дискретная модуляция аналоговых сигналов

По мере развития техники съема и передачи аналоговых данных выяснилось, что передача их в аналоговой форме не позволяет улучшить качество принятых на другом конце линии данных, если они существенно исказились при передаче. Сам аналоговый сигнал не дает никаких указаний ни о том, что произошло искажение, ни о том, как его исправить, поскольку форма сигнала может быть любой, в том числе и такой, которую зафиксировал приемник.Улучшение же качества линий, требует огромных усилий и капиталовложений.Поэтому на смену аналоговой технике записи и передачи звука и изображения пришла цифровая техника. Эта техника использует так называемую дискретную модуляциюисходных непрерывных во времени аналоговых процессов.

Поскольку человеку наиболее привычны представление и арифметика в десятичной системе счисления, а для компьютера - двоичное представление и двоичная арифметика,была введена компромиссная системадвоично-десятичной записи чисел.

Преобразование десятичных чисел в двоичные:

Допустим, нам нужно перевести число 22 в двоичное. Можно воспользоваться следующей процедурой:

22 /2 = 11 с остатком 0

11 /2 = 5 c остатком 1

5 /2 = 2 с остатком 1

2 /2 = 1 с остатком 0

1 /2 = 0 с остатком 1

Итак, мы делим каждое частное на 2 и записываем остаток в начало двоичной записи. Продолжаем деление до тех пор, пока в делимом не будет 0. В результате получаем число 22 в двоичной записи: 10110.

Для преобразования из двоичной системы в десятичнуюиспользуем следующую таблицу степеней основания 2:

Начиная с цифры 1 все цифры умножаются на два. Точка, которая стоит после 1, называется двоичной точкой.

В нашем примере, переведём число 10110 в десятичный вид используя эту таблицу :

Дискретные способы модуляции основаны на дискретизации непрерывных процессов, как по амплитуде, так и по времени (рис. 22).Рассмотрим принципы дискретной модуляции на примере импулъсно-кодовой модуляции, ИКМ(Pulse Amplitude Modulation, РАМ),которая широко применяется в цифровой телефонии. При использованииИКМпроцесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и кодирование

Первый этап – отображение.Амплитуда исходного непрерывного сигнала измеряется с заданным периодом, за счет чего происходит дискретизация по времени. На этом этапе аналоговый сигнал преобразуется в сигналы импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ). Выполнение этапа базируется на теории отображения Найквиста-Котельникова, основное положение которой гласит: если аналоговый сигнал отображается (т. е. представляется в виде последовательности ее дискретных по времени значений) на регулярном интервале с частотой не менее чем в два раза выше частоты самой высокой гармоники спектра исходного непрерывного сигнала, то отображение будет содержать информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала.

Рисунок 22. Дискретная модуляция непрерывного процесса

На этапе квантования каждому сигналуИАМпридается квантованное значение, соответствующее ближайшему уровню квантования. Весь диапазон изменения амплитуды сигналовИАМразбивается на 128или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее амплитудаИАМ– сигнала представляется квантованным уровнем.

На этапе кодированиякаждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256-шаговом квантовании)двоичный код. На рис. 23 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода00101011, соответствующего квантованному сигналу с уровнем 43. При кодировании7-элементными кодами скорость передачи данных по каналу должна составлять 56Кбит/с (это произведение частоты отображения на разрядность двоичного кода), апри кодировании 8-элементными кодами – 64 Кбит/с.

8000х7 = 56000 бит/с или 56 Кбит/с;

8000х8 = 64000 бит/с или 64 Кбит/с.

Стандартным является цифровой канал 64Кбит/с, который называется также элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Устройство, которое выполняет указанные этапы преобразования аналоговой величины в цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП).На приемной стороне с помощьюцифро-аналогового преобразователя (ЦАП)осуществляется обратное преобразование, т. е.производится демодуляция оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала,восстановление исходной непрерывной функции времени.

Для качественной передачи голоса в методе ИКМиспользуется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000 Гц.Это связано с тем, что в аналоговой телефонии для передачи голоса был выбран диапазон от 300 до 3400 Гц, который достаточно качественно передает все основные гармоники собеседников. В соответствии с теоремой Найквиста -Котельникова для качественной передачи голоса достаточно выбрать частоту дискретизации, в два раза превышающую самую высокую гармонику непрерывного сигнала, то есть 2 х 3400 = 6800 Гц. Выбранная в действительности частота дискретизации 8000 Гц обеспечивает некоторый запас качества.

Рисунок 23 . Преобразование аналогового сигнала в 8-ми элементный цифровой код

Передача непрерывного сигнала в дискретном виде требует от сетей жесткого соблюдения временного интервала в 125 мкс(соответствующего частоте дискретизации 8000 Гц) между соседними замерами, то есть требует синхронной передачи данных между узлами сети. При несоблюдении синхронности прибывающих замеров исходный сигнал восстанавливается неверно, что приводит к искажению голоса, изображения или другой мультимедийной информации,передаваемой по цифровым сетям. Так, искажение синхронизации в 10 мс может привести к эффекту «эха», а сдвиги между замерами в 200 мс приводят к потере распознаваемости произносимых слов. В то же время потеря одного замера при соблюдении синхронности между остальными замерами практически не сказывается на воспроизводимом звуке. Это происходит за счет сглаживающих устройств в цифро-аналоговых преобразователях, которые основаны на свойстве инерционности любого физического сигнала - амплитуда звуковых колебаний не может мгновенно измениться на большую величину.

На качество сигнала после ЦАПвлияет не только синхронность поступления на его вход замеров, но и погрешность дискретизации амплитуд этих замеров. В теореме Найквиста - Котельникова предполагается, что амплитуды функции измеряются точно, в то же время использование для их хранения двоичных чисел с ограниченной разрядностью несколько искажает эти амплитуды. Соответственно искажается восстановленный непрерывный сигнал, что называется шумом дискретизации (по амплитуде).

Существуют и другие методы дискретной модуляции, позволяющие представить замеры голоса в более компактной форме,например в виде последовательности 4-битных или 2-битных чисел. При этом один голосовой канал требует меньшей пропускной способности, например 32 Кбит/с, 16Кбит/с или еще меньше. Используется и такая концепция преобразования аналоговых сигналов в цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения, причем число уровней квантования принимается таким же. Очевидно, что такая концепция позволяет производить преобразование сигналов с большей точностью.

Представленные в цифровой форме непрерывные данные легко можно передать через компьютерную сеть. Для этого достаточно поместить несколько замеров в кадр какой-нибудь стандартной сетевой технологии,снабдить кадр правильным адресом назначения и отправить адресату. Адресат должен извлечь из кадра замеры и подать их с частотой квантования (для голоса -с частотой 8000 Гц) на цифро-аналоговый преобразователь. По мере поступления следующих кадров с замерами голоса операция должна повториться. Если кадры будут прибывать достаточно синхронно, то качество голоса может быть достаточно высоким. Однако, как мы уже знаем, кадры в компьютерных сетях могут задерживаться как в конечных узлах (при ожидании доступа к разделяемой среде),так и в промежуточных коммуникационных устройствах - мостах, коммутаторах и маршрутизаторах. Для качественной передачи оцифрованных непрерывных сигналов -голоса, изображения - сегодня используют специальные цифровые сети, такие как ISDN, ATM, и сети цифрового телевидения. А также применяются различные программно-аппаратные способы, в частности реализацияQoS.

QoS(англ. Quality of Service - качество обслуживания).Предоставление приоритезаци и различным приложениям, пользователям или потокам трафика, или гарантия определенного уровня производительности потока данных.

Сети, которые связывают хосты, используют разнообразные сетевые устройства, включая сетевые адаптеры хостов, маршрутизаторы, коммутаторы и хабы. Каждый из них имеет сетевые интерфейсы.Каждый сетевой интерфейс может принять и передать трафик с конечной скоростью.Если скорость, с которой трафик направлен на интерфейс, выше, чем скорость, с которой интерфейс передает трафик дальше, то возникает перегрузка.

Сетевые устройства могут обработать состояние перегрузки, организуя очередь трафика в памяти устройства (в буфере), пока перегрузка не пройдет. В других случаях сетевое оборудование может отказаться от трафика, чтобы облегчить перегрузку. В результате приложения сталкиваются с изменением времени ожидания (так как трафик сохраняется в очередях на интерфейсах) или с потерей трафика.

Способность сетевых интерфейсов к пересылке трафика и наличие памяти для сохранения трафика в сетевых устройствах (до тех пор, пока трафик не может быть послан дальше) составляют фундаментальные ресурсы, требующиеся для обеспечения QoSдля потоков трафика приложений.

Устройства, поддерживающие QoS, разумно используют ресурсы сети для передачи трафика. То есть трафик приложений, более терпимых к задержкам, становится в очередь (сохраняется в буфере в памяти), а трафик приложений, критичных к задержкам, передается далее.

Для выполнения этой задачи сетевое устройство должно идентифицировать трафик путем классификации пакетов, а также иметь очереди и механизмы их обслуживания.

Механизм обработки трафика включает в себя:

· 802.1p

· Дифференцированныеуслуги per-hop-behaviors (diffservPHB).

· Интегрированные услуги (intserv).

· ATMи др.

Большинство локальных сетей основано на технологии IEEE 802, включаяEthernet,Token Ringи др.IEEE 802.1p— это механизм обработки трафика для поддержкиQoSв таких сетях.

IEEE 802.1pопределяет поле (уровень 2 в сетевой моделиOSI) в заголовке пакета 802, которое может нести одно из восьми значений приоритета. Как правило, хосты или маршрутизаторы, посылая трафик в локальную сеть, маркируют каждый посланный пакет, присваивая ему определенное значение приоритета. Предполагается, что сетевые устройства, такие, как коммутаторы,мосты и хабы, обработают пакеты соответствующим образом, используя механизмы организации очередей. Область примененияIEEE 802.1p ограничена локальной сетью (LAN). Как только пакет пересекает локальную сеть (через уровень 3OSI), приоритет 802.1p удаляется.

Diffserv(англ. Differentiated Services ) - простой метод классификации, управления и предоставления качества обслуживания в современныхIPсетях. Он определяет поле в уровне 3заголовка пакетовIP, названныхdiffservcodepoint (DSCP).

Intserv(англ. integrated services ) - метод классификации, управления и предоставления гарантированного качества обслуживания в современныхIPсетях. Гарантированный сервис обещает нести некоторый объем трафика с измеримой и ограниченной задержкой. Сервис, управляющий загрузкой, соглашается нести некоторый объем трафика с «появлением легкой загруженности сети». Это -измеримые услуги в том смысле, что они определены, чтобы обеспечить измеримыйQoSк определенному количеству трафика.

ATM(англ. Asynchronous Transfer Mode — асинхронный способ передачи данных)— сетевая технология, основанная на передаче данных в виде ячеек фиксированного размера (53байта), из которых 5байтов используется подзаголовок.

Сеть строится на основе АТМ. коммутатора и АТМ. маршрутизатора. Технология реализуется как в локальных, так и в глобальных сетях. Допускается совместная передача различных видов информации, включая видео, голос. Ячейки данных, используемые в ATM, меньше в сравнении с элементами данных, которые используются в других технологиях.

Небольшой, постоянный размер ячейки,используемый в ATM, позволяет:

· передавать данные по одним и тем же физическим каналам, причём как при низких, так и при высоких скоростях;

· работать с постоянными и переменными потоками данных;

· интегрировать любые виды информации: тексты,речь, изображения, видеофильмы;

· поддерживать соединения типа точка-точка,точка-многоточка, многоточка-многоточка.

QoSимеет еще много разных сложных механизмов, обеспечивающих работу этой технологии. Отметим лишь один важный момент: для того, чтобыQoSзаработала, необходима поддержка этой технологии и соответствующая настройка на всем протяжении передачи от начальной точки до конечной.