Раздел 2. Системы телекоммуникации на транспорте
При синтезе систему организации транспортного процесса справедлива будет русская поговорка: «что сгодится, то и пригодится…». Это так, потому что объекты (цель) транспортного процесса являются составными частями обеспечивающими его. Это относится и к системе телекоммуникации, которая является системой транспортировки данных.
2.1. Основы электросвязи
Древняя история включает в себя такие средства связи, как деревянные барабаны, сигнальные костры, голубиная почта и фельдъегерская связь, оптический телеграф.
В конце XVIII века, вслед за опытами Вольта и Гальвани, которые дали начало науке об электричестве, стали проводить работы по созданию электрического средства связи. Самые первые из них имели отношение к передаче телеграфных сообщений. Суть самого примитивного способа телеграфии состояла в том, что при помощи линий связи соединялись две телеграфные станции. Количество линий связи было равно числу знаков алфавита, и каждый провод соответствовал какой-либо букве. В Англии, в 1753 году – электростатический телеграф Маршала и в Германии, в 1809 году – электрохимический телеграф Земмеринга были построены на основе этого принципа.
Первый телефонный
аппарат, который нашёл практическое
применение, был изобретён А.Г. Беллом
в 1876 г. Но вскоре стало очевидно, что
сам аппарат без средств, обеспечивающий
установление соединений между возможными
абонентами, не найдёт широкого применения.
Спустя 2 года в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, была введена в эксплуатацию первая коммутационная станция. Она была размещена в центре зоны обслуживания и обеспечивала установление коммутационных соединений для всех абонентов этой зоны.
По мере роста объёма использования телефонной связи потребовалось организовать соединение между зонами за счёт проложенных линий связи, которые могут передавать большой объём телефонных переговоров на большое расстояние. Так появились междугородние центры коммутации.
Непрерывно растущие потребности в установлении соединений на еще большие расстояния привели к возникновению ещё более высоких уровней коммутации. Так, телефонная сеть общего пользования в США к концу прошлого века имела пять уровней, перечисленные в табл. 2.1.
Система электросвязи (СЭ) – совокупность каналообразующих, передающих и приёмных технических средств, работающих в полном соответствии с выбранным регламентом.
Таблица 2.1
-
Класс
Функциональное назначение
Кол-во
1
Региональный центр
10
2
Центр сектора
67
3
Первичный центр коммутации
230
4
Международный центр коммутации
1 300
5
Оконечные станции
19 000
Наше время характеризуется развитием систем электросвязи, позволяющих передавать большое количество информации с обеспечением высших качественных характеристик. К ним надо отнести:
ВОЛС;
IP–телефонию;
глобальные сети мобильной (сотовые системы) радиосвязи;
глобальные космические системы связи и др.
Создание сложных СЭ стало возможно только за счёт жёсткого соблюдения стандартов и рекомендаций. Так, большинство стран мира при внедрении и эксплуатации систем электросвязи придерживаются рекомендаций 2-х международных комитетов, организованных под эгидой Международного союза электросвязи (МСЭ):
Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (МККТТ);
Международный консультативный комитет по радиосвязи (МККР).
Структурная схема системы электросвязи. Задачей связи является передача сообщений на расстояние от источника к получателю. В электросвязи переносчиком сообщений является электрический сигнал, способный распространяться в определенных средах. То есть для передачи на расстояние сообщение, создаваемое источником, должно быть преобразовано в электрический сигнал, который будет преодолевать пространство. На месте приема полученный сигнал необходимо преобразовать в сообщение, подаваемое получателю. Чтобы выполнить все эти операции, необходимы соответствующие технические устройства, которые в совокупности со средой распространения сигнала образуют систему электросвязи.
Обобщенная структурная схема системы электросвязи приведена на рис. 2.1. Источником и получателем сообщений являются: люди, различные датчики, автоматические устройства и ЭВМ. В реальных условиях сложный и многоэтапный процесс передачи сообщений происходит при воздействии множества помех.
Под помехой понимается любое воздействие на полезный сигнал, изменяющее его информационный параметр и затрудняющее прием. Помехи в системах связи весьма разнообразны по происхождению и физическим свойствам. Источники помех могут быть как внутри, так и вне системы электросвязи.
Канал электросвязи
Система электросвязи
ИС
П
П
Пер
Пр
С П
ПС
Сообщение
ИП
Первичный сигнал
Вторичный сигнал
Первичный сигнал + помеха
Р
ИС – источник
сигнала; ПС
– приёмник сигнала; П
– преобразователь
сообщения в сигнал; Пер
–
передатчик; Пр
– приёмник; СП
– среда передачи; ИП
– источник
помех.
Таким образом, в приемник поступает сигнал, подверженный воздействию помех («сигнал + помеха»). Однако сообщение, принимаемое получателем, должно полностью соответствовать сообщению, переданному от источника. Выполнение этого условия возможно в том случае, когда все элементы системы электросвязи обладают требуемой помехоустойчивостью.
Кроме этого возможно использование специальных методов шумоподавления и кодирования, если речь идёт о цифровой передаче.
Способы преобразования сообщений в сигнал и обратно. В системах электросвязи применяют различные по устройству и принципу работы преобразователи сообщения в сигнал (передатчик) и обратно (приемник). Это зависит от вида и характера передаваемых сообщений.
В системах передачи оптических сообщений в качестве таких преобразователей применяются фотоэлектрические преобразователи и различные регистрирующие устройства.
В системе передачи звуковых сообщений используются соответственно акустоэлектрические и электроакустические преобразователи.
Преобразующие устройства могут выполнять как прямое (непосредственное), так и условное преобразования.
При прямом преобразовании информационные параметры сообщения и сигнала изменяются по одним и тем же законам. Например, изменения электрического сигнала на выходе акустоэлектрических преобразователей точно повторяют изменения звукового давления. Это достигается благодаря включению в электрическую цепь устройств, чувствительных к изменению звукового давления. Пропорционально изменению давления изменяется сопротивление электрическому току. В результате величина тока изменяется в соответствии с изменением сообщения. Обратное преобразование сигнала в звуковое сообщение осуществляется с помощью электромагнита. В обмотку электромагнита поступает сигнал, создающий переменное магнитное поле, которое приводит в колебательное движение мембрану, вызывающую в окружающей среде звуковые колебания.
При условном преобразовании связь между информационными параметрами сообщения и сигнала — условная. При этом применяются коды, то есть каждый знак сообщения при передаче преобразуется в определенную комбинацию электрических импульсов, а в процессе приема по комбинации определяется соответствующий знак. Коды используются для преобразования в сигнал дискретных сообщений.
Современные сети и системы связи в основном передают не аналоговые сигналы, а цифровые.
Аналоговые сигналы. Они распространяются по линиям связи в виде электромагнитных волн, которые характеризует частота колебаний. То есть циклическое изменение величины напряжения передаваемого электрического сигнала (амплитуда) в единицу времени. Все средства связи аналогового формата (телефон и радио) при передаче человеческого голоса, работают в определённом частотном диапазоне. По существующим стандартам частотный диапазон качественной передачи должен соответствовать:
речи --------------------------------------------------------- 0,3 – 3,4 кГц;
воспроизведения музыки ------------------------------ 0,02 – 20 кГц.
Эти диапазоны соответствуют биологическим параметрам человеческого уха и могут изменяться в зависимости от персональных (в том числе возрастных) характеристик.
Основными недостатками систем передачи аналоговых сигналов является:
Ослабление сигнала при его передаче на большое расстояние, как следствие – уменьшение его качества за счёт влияния шумов;
Необходимость использования дорогостоящего оборудования для передачи нескольких телефонных разговоров по одному кабелю;
Сложность в производстве и настройке оборудования;
Несовместимость с передачей информации от источников другой природы (например от компьютера).
Цифровые сигналы. Все перечисленные недостатки передачи аналоговых сигналов можно исключить при переходе на передачу аналоговых и цифровых сигналов с использованием методов и оборудования передачи цифрового сигнала. Цифровым сигналом является скачкообразное циклическое изменение величины напряжения передаваемого электрического сигнала в единицу времени, то есть передача информации осуществляется передачей бинарных информационных посылок (либо 0 / либо 1).
Но чтобы было возможно передать человеческую речь (аналоговую в своей основе) с использованием цифровых систем электросвязи, необходимо её преобразовать в последовательность 0 и 1. Эту операцию необходимо провести без качественной потери характеристик параметров сигнала, позволяющих обеспечить не только однозначное восстановление содержательной части, но и восстановление тембра голоса для идентификации говорящего абонента.
Т
- дискретизация - квантование - кодирование.
Т
дискретизация
5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5
квантование
1110
0011
1010
1011
1100