1573

Помехоустойчивость и достоверность

Помехоустойчивость СПИ определяет способность системы выполнять свои функции при действии различных помех во внешней среде (электромагнитное излучение работающих энергетических установок, передатчиков близлежащих радиостанций, грозовые разряды и т. п.) и внутренних цепях и соединениях (наводки от работы внутренних генераторов импульсов и переменного тока).

Помехоустойчивость линии связи зависит от типа используе-

мой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной – волоконно-оптические линии, малочувствительные ко внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют и/или скручивают.

Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate, BER). Величина BER для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило,10-4 – 10-6, в оптоволоконных линиях связи – 10-9. Значение достоверности передачи данных, например, в 10-4 говорит о том, что в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита.

Искажения бит происходят как из-за действия помех в устройствах СПИ, так и по причине искажений формы сигнала, связанной с ограниченной полосой пропускания этих устройств и линий связи. Искажение формы сигнала можно избежать использованием широкополосной аппаратуры и широкополосных линий связи, а действие помех можно компенсировать экранированием цепей и линий связи и использованием помехоустойчивого кодирования передаваемой информации.

21

Вопросы для самоконтроля

1.Какие средства преобразования и передачи информационного сигнала образуют канал связи?

2.Как системы передачи информации классифицируются в зависимости от используемых ими линий связи и способов представления информации в них?

3.На чем основан способ представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых по линии связи, называемый физическим кодированием?

4.Какую роль в СПИ выполняет несущий сигнал или несущая частота?

5.От чего зависит скорость передачи данных в модеме?

6.В чем суть процесса модуляции?

7.В чем разница между амплитудным, фазовым и частотным способами модуляции?

8.Определите сущность, назначение и виды импульсно-кодовой модуляции.

9.Какие требования к частоте дискретизации аналогового сигнала должны выполняться в соответствии с теоремой Найквиста – Котельникова?

10.Какая частота дискретизации выбрана в качестве стандартной для качественной передачи голоса в телефонии и почему?

11.Как передаются аналоговые данные по цифровым сетям?

12.От каких технических характеристик СПИ зависит пропускная способность канала передачи данных?

13.Какие факторы влияют на искажение сигналов в устройствах системы и линиях связи?

14.Что используется в качестве эталонных сигналов для исследования реакций СПИ?

15.Какие характеристики СПИ определяют степень искажения сигналов?

16.От чего зависит максимальная скорость передачи данных в

СПИ?

17.Как можно повысить пропускную способность каналов пере-

дачи?

18.Назовите способы повышения достоверности передачи дан-

ных.

22

2. АНАЛОГОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

2.1. Спектр модулированных колебаний

Аналоговые СПИ исторически появились раньше цифровых систем, но до сих пор на рынке современных телекоммуникационных средств играют заметную роль. Это в первую очередь телефонные сети общего пользования, системы теле- и радиовещания, мобильные и стационарные радиостанции различных ведомств, радиорелейная связь, а также системы промышленной автоматизации, где используются модемы для передачи данных и команд управления технологическим оборудованием. По мере развития вычислительной техники в аналоговые системы внедрялись способы цифровой обработки сигнала (ЦОС), которые расширяли функциональные возможности традиционных средств связи и повышали их качество. Поэтому современные аналоговые СПИ в своем составе, как правило, содержат цифровые устройства преобразования информации и аналоговые приемопередающие устройства.

В разнообразных аналоговых устройствах СПИ при передаче голоса и данных используется преобразование непрерывного спектра исходного информационного сигнала и модуляция гармонических колебаний несущей частоты. В качестве несущей используются электромагнитные колебания U с определенной частотой:

где Um – амплитуда; ω – частота; φ – фаза колебаний.

При амплитудной модуляции на входы модулятора поступают сигнал V и несущая U. Например, если исходный аналоговый сигнал V = Vm sin(Ω t ) с амплитудой Vm и частотой Ω поступает на модулятор с генератором несущей UАМ = Um sin(ωt), то на его выходе (нелинейного устройства – умножителя) возникают модулированные колебания в виде

UАМ = (Um + Vm sin(Ω t )) sin(ω t)= Um sin(ω t)+ Vm 0,5cos(ω-Ω) – Vm0,5cos(ω+Ω)

или

UАМ = Um (sin(ω t)+ m 0,5 sin (ω-Ω -π/2) + m 0,5 sin (ω+Ω+π/2), (2.2)

где m = Vm/Um – коэффициент модуляции.

23

Как видно из формулы (2.2), в результате модуляции выходной сигнал состоит из 3-х гармоник, в спектре сигнала кроме несущей частоты ω, присутствуют еще две частоты ω-Ω и ω+Ω, которые называются боковыми. При наличии в спектре модулирующего сигнала несколько гармоник спектра модулированного колебания также будет содержать несколько боковых полос, как это показано на рис.2.1.

Рис. 2.1. Спектр модулированных колебаний

Если модулирующий сигнал представлен последовательностью периодических импульсов (цифровое кодирование), то его спектр может быть представлен разложением Фурье [см. формулу (1.1)]. В результате модуляции несущей импульсным сигналом в этом случае спектр состоит из постоянной составляющей и ряда боковых гармоник с частотами, кратными частоте следования импульсов, то есть спектр модулированного сигнала становится шире спектра исходного сигнала. Аналогичная ситуация сохраняется для любых способов модуляции, что всегда учитывается при построении СПИ и выбора линий связи.

2.2. Модемная связь

Аналоговый модем – устройство, предназначенное для преобразования широкополосных импульсов цифрового кода в узкополосные сигналы тональной частоты. Источником цифрового кода обычно выступает компьютер или контроллер, к портам которого подключается модем. В качестве портов используются последовательные comпорты , USB и др. Например, при использовании последовательного

24

интерфейса RS-232С обеспечивается скорость передачи данных не ниже 9,6 кбит/с на расстоянии до 15 м. Более высокая скорость (до 1000 кбит/с на расстояниях до 100 м) обеспечивается интерфейсом RS-422, в котором используются две витые пары проводов с согласующими сопротивлениями на концах, образующие сбалансированную линию. В промышленных системах автоматизации нашел широкое применение интерфейс RS-485, который обеспечивает модемную связь на высоких скоростях и больших расстояниях. Пример организации сбора данных с электросчетчиков (ЭС) с помощью модемов выделенных и коммутируемых линий связи представлен схемой на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема сбора показаний электросчетчиков с помощью модемов

В данной схеме представлен фрагмент структурной схемы автоматизированной системы учета электроэнергии, осуществляющей сбор и обработку показаний счетчиков электрической энергии, установленных в производственных помещениях предприятия. Программируемые логические контроллеры (PLC) обеспечивают считывание данных с электросчетчиков и с помощью модемов выделенных (арендованных) линий эти данные принимаются сервером опроса.

25

Сервер опроса определяет циклический порядок сбора показаний и передачу накопленных данных в базу данных SQL сервера. Доступ к базе данных с автоматизированных рабочих мест (АРМ) специалистов пользователей системы организован по коммутируемым городским телефонным линиям.

Функции преобразования дискретных данных в аналоговый выходной сигнал для каждого типа модема стандартизованы протоколами обработки данных, которые предусматривают:

–способы модуляции;

–типы используемых линий связи, четырехили двухпроводных линий, коммутируемых или выделенных;

–способы борьбы с помехами и эффектом эха;

–выбор скорости передачи данных.

Всравнительно простых модемах применяют частотную модуляцию (ЧМ) со скоростями передачи до 1200 бит/с. Так, если модем предназначен для дуплексной (двухсторонней) связи по двухпроводной линии, то возможно представление 1 и 0 в вызывном модеме частотами 980 и 1180 Гц соответственно, а в ответном модеме – 1650 и 1850 Гц. При этом скорость передачи составляет 300 бод. Обычно для передачи сигнала об ошибке от приемника к передатчику нужен канал обратной связи. При этом требования к скорости передачи данных по обратному каналу могут быть невысокими. Тогда в полосе частот телефонного канала образуют обратный канал с ЧМ, по которому со скоростью 75 бит/с передают 1 частотой 390 Гц и 0 частотой

450 Гц.

Фазовая модуляция (ФМ) двумя уровнями сигнала (1 и 0) осуществляется переключением между двумя несущими, сдвинутыми на полпериода друг относительно друга.

Квадратурно-амплитудная модуляция. Квадратурно -

амплитудная модуляция, ее также называют квадратурно - импульсной, основана на передаче одним элементом модулированного сигнала n бит информации, где n = 4 – 8 (т.е. используются 16 – 256 дискретных значений амплитуды). Однако для надежного различения этих значений амплитуды требуется малый уровень помех (отношение сигнал/помеха не менее 12 дБ при n = 4). При меньших отношениях сигнал/помеха лучше применять фазовую модуляцию с четырьмя или восемью дискретными значениями фазы для представления соответственно 2 или 3 бит информации. При скорости модуляции в

26

1200 бод (т.е. 1200 элементов аналогового сигнала в секунду, где элемент – часть сигнала между возможными сменами фаз) и четырехфазной модуляции скорость передачи данных равна 2400 бит/с. Используются также скорости передачи 4800 бит/с (при скорости модуляции 1600 бод и восьмифазной модуляции), 9600 бит/с и более при комбинации фазовой и амплитудной модуляций.

Организация дуплексной связи. Для организации дуплексной связи используются следующие способы:

–четырехпроводная линия связи – одна пара проводов для прямой и другая для обратной передачи;

–частотное разделение – прямая и обратная передачи ведутся на разных частотах, т.е. полоса для каждого направления сужается более чем вдвое по сравнению с полосой симплексной (односторонней) связи;

–эхокомпенсация – при установлении соединения с помощью посылки зондирующего сигнала определяются параметры (запаздывание и мощность) эха – отраженного собственного сигнала; в дальнейшем из принимаемого сигнала вычитается эхо собственного сигнала.

Характеристики некоторых протоколов для модемной связи

Официальным законодателем в области протоколов передачи данных для модемов является МСЭ – Международный союз теле-

коммуникаций (ITU – International Telecommunication Union), ранее

– МККТТ, Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии. Краткая характеристика некоторых протоколов, стандартизированных этой организацией, приводится ниже.

Протокол V.21 используется в простых модемах на 300 бит/с, применена частотная модуляция с передачей по двухпроводной линии. Используются четыре частоты (от 980 до 1850 Гц) для представления 1 и 0 в прямом и обратном направлениях передачи.

Протокол V.22 характеризуется скоростью 1200 бит/с, используются частотное разделение каналов (для дуплекса) и двукратная фазовая модуляция (ФМ), т.е. ФМ с четырьмя значениями фазы.

В V.27 с помощью трехкратной ФМ (с восемью значениями фазы) достигается скорость 4800 бит/с по дуплексным выделенным каналам.

27

Вмодемах, соответствующих протоколу V.32, достигается скорость 9600 бит/с за счет фазовой модуляции и компенсации эха собственного передатчика от принимаемых сигналов. Специальный процессор автоматически снижает скорость передачи при наличии шумов

влинии. В протоколе используется помехоустойчивое кодирование.

Впротоколе V.32bis при тех же несущих пропускная способность повышена до 14,4 кбит/с за счет комбинирования квадратурноамплитудной и фазовой модуляций.

Протокол V.34. Здесь скорости составляют от 2,4 до 28,8 кбит/с с шагом 2,4 кбит/с. Протокол предусматривает адаптацию передачи под конкретную обстановку, изменяя несущую в пределах 1600 – 2000 Гц, а также автоматическое предварительное согласование способов модуляции в вызывающем и вызывном модемах.

Впротоколе V34.bis скорости могут достигать 33,6 кбит/с. Для увеличения скорости передачи данных в протоколах V.42, V42bis эффективно используются способы коррекции ошибок и сжатия данных.

Протоколы V90, V92, появившиеся – протоколы дуплексной передачи информации, обеспечивающие скорость 56 000 бит/с. В стандартах предусматривается тестирование каналов связи, позволяющее определить оптимальный режим работы (несущую частоту, полосу пропускания, скорость передачи, уровень передаваемого сигнала). В соответствии со стандартом начальное соединение осуществляется на минимальной скорости 300 бит/с. Затем происходит идентификация модемов на обоих концах линии связи, определяется возможность поддержки протоколов коррекции ошибок, тип используемой модуляции и выбирается эффективная скорость передачи данных.

2.3. Мультиплексирование линий связи

Мультиплексирование – это способ организации в одной линии связи нескольких каналов передачи информации. Многоканальная связь впервые использовалась в телефонии для ведения нескольких разговоров одновременно по одному и тому же кабелю. Способы мультиплексирования делятся на два больших класса: мультиплек-

сирование с разделением частот(FDMA) и мультиплексирование с разделением по времени (TDMA)[2]. При мультиплексировании с

28

разделением частот диапазон частот линии связи разбивается на каналы и по каждому каналу идет независимая передача. Пример: трансляция на УКВ, где весь диапазон делится между радиостанциями, выделяя для каждой полосу частот 12 КГц. При мультиплексировании с разделением по времени все время работы линии связи разделяется на кванты времени, выделяемые для каждого канала. В течение своего кванта времени производится передача данных в соответствующем канале.

Мультиплексирование с разделением частот

Втелефонных сетях общего пользования для соединения двух абонентов используется полоса частот 3100 Гц. В то же время полоса пропускания кабельных систем с промежуточными усилителями, соединяющих телефонные коммутаторы между собой, обычно значительно шире. Однако непосредственно передавать сигналы нескольких абонентских каналов по широкополосному каналу невозможно, так как все они работают в одном и том же диапазоне частот и сигналы разных абонентов смешиваются между собой так, что разделить их будет невозможно. Для разделения абонентских каналов использу-

ется техника модуляции высокочастотного несущего синусоидального сигнала низкочастотным речевым сигналом. Эта техни-

ка подобна технике аналоговой модуляции при передаче дискретных сигналов модемами, только вместо дискретного исходного сигнала используются непрерывные сигналы, порождаемые звуковыми колебаниями. В результате спектр модулированного сигнала переносится

вдругой диапазон, который симметрично располагается относительно несущей частоты и имеет ширину, приблизительно совпадающую с шириной модулирующего сигнала. Если сигналы каждого абонентского канала перенести в свой собственный диапазон частот, то в одном широкополосном канале можно одновременно передавать сигналы нескольких абонентских каналов. Разделение каналов на приемной стороне осуществляется с помощью полосовых фильтров.

Вканалообразующей аппаратуре аналоговых СПИ полоса частот телефонного канала принята 4000 Гц, а мультиплексирование, или уплотнение каналов, имеет несколько уровней иерархии. Первый уровень уплотнения образуют 12 абонентских каналов, которые составляют базовую группу каналов и занимают полосу частот в 48 кГц

29

с границами от 60 до 108 кГц. Второй уровень уплотнения образуют 5 базовых групп, которые составляют супергруппу, с полосой частот шириной в 240 кГц и границами от 312 до 552 кГц. Супергруппа передает данные 60 абонентских каналов тональной частоты. Десять супергрупп образуют главную группу, которая используется для связи между коммутаторами на больших расстояниях. Главная группа передает данные 600 абонентов одновременно и требует от канала связи полосу пропускания шириной не менее 2520 кГц с границами от 564 до 3084 кГц.

Мультиплексирование с разделением длины волн

В методе волнового мультиплексирования используется тот же принцип частотного разделения каналов, но только в другой области частот электромагнитного спектра. Информационным сигналом являются не электрический ток и не радиоволны, а свет. Для организации многоканальной связи в волоконно-оптическом кабеле используются волны инфракрасного диапазона длиной от 850 до 1565 нм, что соответствует диапазону частот от 196 до 350 ТГц. Принцип уплотнения оптического канала связи волновым мультиплексированием с помощью призм представлен на рис. 2.3. Объединение и разделение оптических лучей основано на разном коэффициенте преломления для лучей с различной длиной волны. Свет, пройдя через призму (или

Рис. 2.3. Мультиплексирование оптических лучей с помощью призм

дифракционную решетку), смешивается в единый пучок, который на другом конце разделяется с помощью другой призмы. Поскольку полосы пропускания оптоволокна потенциально можит иметь величину порядка 25 ТГц, что достаточно для размещения 312 миллионов

30