Введение в специальность. Физика и техника оптической связи

51

Понятие скорости передачи

Скорость передачи — это количество бит в единицу време-

ни (В) [бит/с].

Различные услуги электросвязи требуют различных скоростей передачи. Например, факсимильная передача одной страницы текста формата А4 (210х297 мм), в зависимости от степени обработки сигналов, требует от 200 кбит/с до 2 Мбит/с. Аналоговая передача видеосигнала требует в реальном масштабе времени до 6 МГц, а цифровая передача — 130–600 Мбит/с. Современные скорости локальных вычислительных сетей составляют от 10 Мбит/с до 1 Гбит/с. Требования к скоростям речевого и видеосигнала могут существенно различаться в зависимости от вида обработки.

Звуковой канал. Для обеспечения разборчивости речи требуется полоса частот около 3 кГц, лежащая в диапазоне от 300 Гц до 3,4 кГц для обычной стандартной телефонной сети. На прак-

тике по цифровому телефонному каналу эта полоса частот пере-

дается со скоростью 64 кбит/с. При этом аналоговый сигнал дискретизируется с интервалом 125 мкс (частота дискретизации fs = = 8 кГц), а каждый отсчет кодируется 8-битовым словом.

Связь между скоростью передачи и расчетной частотой зависит от используемого метода кодирования сигналов. Например, для кодирования без возврата к нулю — аналогично обычным цифровым данным (высокий уровень означает 1, а низкий 0), расчетная частота для линии связи в 100 МГц равна скорости передачи данных 100 Мбит/с.

Шум. Шумом называется любое возмущение электрического или оптического характера, отличное от полезного сигнала. Сигнал несет полезную информацию, а шум является чем-то дополнительным и бесполезным. Любой канал связи подвержен воздействию шумов. Слишком слабый сигнал невозможно различить на фоне шума, для этого необходимо либо уменьшить уровень шума, либо усилить сигнал. В процессе усиления в приемном устройстве усиливается не только сигнал, но и шум. Некоторые виды шума можно отфильтровать с помощью электронных фильтров. Удобно иметь уровень сигнала более высокий по сравнению с уровнем шума, а еще лучше иметь сильный сигнал и слабый шум.

52

Примером шумов может служить так называемая перекрестная помеха. Когда во время телефонного звонка происходит коммутация двух различных телефонных линий, в результате чего вы можете у себя в трубке слышать то, что говорят другие люди. Это искусственный шум. В отличие от искусственных, многие типы естественных шумов устранить нельзя, поскольку они появляются в результате природных явлений. Вам, наверное, знакомо характерное потрескивание в радиоприемнике, которое вызвано разрядами молнии в атмосфере Земли. Это пример атмосферных шумов (atmospheric noise). Кроме эффектов, связанных с природными процессами, протекающими в атмосфере и на поверхности Земли, существуют внешние шумы, которые называются космическими. Эти шумы заметны лишь на частотах до 1 ГГц.

Электрический шум можно определить как нежелательную энергию, которая сопровождает сигнал в электронной системе — внутренние шумы. В любой точке системы, кроме сигнала, всегда присутствуют шумы. Это явление — неотъемлемое свойство электронной цепи.

Тепловой шум. Вследствие теплового возбуждения атомов проводника или резистора в веществе возникают свободные электроны. Возникающий при этом шум носит название теплового шума, так как его энергия возрастает с увеличением температуры.

N = kТ∆F,

где k — постоянная Больцмана, равная 1,38×10–23 Дж/К;

Т — абсолютная температура, выраженная в градусах по шкале Кельвина, К;

∆F — рассматриваемая ширина полосы частот, например полоса пропускания измерительного прибора или системы.

Можно предположить, что присутствие шумов в системе приводит к нарушению её работоспособности. Однако на самом деле большинство систем функционирует вполне нормально, если уровень шумов не превышает заданного уровня.

Отношение сигнал/шум

В большинстве случаев абсолютный уровень мощности шума редко является тем параметром, по которому пользователь

53

может оценить качество системы. Как правило, для этой цели удобней пользоваться отношением мощностей сигнала и шума. Отношение сигнал/шум (S/N) — общепринятый способ выражения качества сигнала в системе. Это отношение выражается обычно в дБ средней энергии сигнала к средней энергии шумов различной природы.

где S — мощность сигнала в Вт, N — мощность шума в Вт. Часто реальные системы работают в очень большом дина-

мическом диапазоне, который простирается на два или три порядка величин; при этом приходится иметь дело как с очень малыми, так и с очень большими значениями отношения сигнал/шум.

Итак, очевидно, что именно отношение мощностей сигнала

ишума, а не их абсолютные значения, является определяющим параметром качества системы.

Типичные значения приемлемого отношения сигнал/шум составляют около 16 дБ — для передачи речи с низким качеством

идо 30 дБ — для коммерческих телефонных систем, наконец, 50–60 дБ для высококачественного радиовещания музыкальных программ.

Пример. Пусть входное сопротивление усилителя ТВ приемника равно 500 Ом, сигнал на выходе равен 1 мВ. Полоса час-

тот сигнала— 10 МГц, температура сопротивления нагрузки — 27 оС. Тогда мощность сигнала на нагрузке

эквивалентная мощность шума:

N= kTs∆F = 1,38×10–23×300×106 = 4,14×10–14 Вт,

аотношение сигнал/шум на нагрузке:

Еще одним преимуществом выражения отношения С/Ш в децибелах является то, что общее отношение сигнал/шум при соединении нескольких отдельных электрических цепей определя-

54

ется как сумма отдельных отношений С/Ш всех цепей, а не их произведение.

Скорость передачи реального канала связи зависит не только от полосы пропускания, но и от отношения сигнал/шум.

Теоретическую максимальную скорость передачи для ре-

ального канала связи можно вычислить, используя теорему Шеннона:

C= ∆F log2 (1+S/N) [бит/с],

где C — скорость передачи данных в бит/с; ∆F — полоса пропускания канала в герцах; S — мощность сигнала в ваттах; Т — мощность шума в ваттах.

Из этой формулы можно видеть, что увеличение полосы пропускания или увеличение отношения сигнала к шуму позволяет увеличить скорость передачи данных и что сравнительно небольшое увеличение полосы пропускания эквивалентно гораздо большему увеличению отношения сигнала к шуму.

Для цифровых систем существует аналог отношения сигнал — шум, который называется отношение бит/ошибка (ВЕR).

BER = (Число ошибочных битов) / (Всего битов).

Данный параметр является отношением объема неправильно принятой информации к общему объему переданной информации, выраженной в битах. Отношение 10–9 означает, что при передаче одного миллиарда бит информации была допущена одна ошибка. Подобно S/N требования к величине отношения бит/ошибка зависят от области применения и многих других факторов. Лучшее S/N подразумевает лучшее отношение ВЕR.

2.2 Виды и технологии систем связи

В историческом плане различные виды электросвязи длительный период времени развивались независимо друг от друга. Все виды электросвязи имеют дело с различными по характеру и параметрам электрическими сигналами, поэтому каждый вид в своем развитии ориентировался на создание своих каналов, систем и даже своей сети. Структура сети выбиралась в соответствии с особенностями распределения потоков сообщений, характерных для конкретного вида электросвязи. В результате сформировалось несколько независимых сетей. Средства связи, из которых

55

создавались сети, оказались разрозненными. Уже в начале 1960-х гг. стало ясно, что перспективным направлением развития электросвязи должно стать объединение сетей. В первую очередь требовалось объединить однородные сети внутри каждого вида электросвязи, а затем изолированные сети отдельных видов электросвязи.

Необходимость передачи электрических сигналов в совпадающих направлениях позволила поставить вопрос об объединении отдельных систем передачи в совпадающих направлениях в единую систему передачи. Система передачи — это совокупность технических средств, позволяющая образовать независимые электрические каналы, по которым передаются сигналы электросвязи.

Наконец, одна из важнейших предпосылок, ведущих к слиянию сетей, — сходство функций, выполняемых различными системами коммутации и заключающихся в организации путей передачи сообщений для их доставки от отправителя к получателю.

Все это и вызвало необходимость построения и развития различных сетей электросвязи с учетом перспективы слияния их в единую сеть связи.

Учитывая эти обстоятельства, в конце 1960-х гг. было принято решение о создании в стране Единой автоматизированной сети связи (ЕАСС), которая бы объединила все сети электросвязи независимо от их ведомственной принадлежности.

Создание ЕАСС базировалось на объединении разрозненных и многочисленных мелких сетей в общегосударственные сети каждого вида электросвязи, а затем в единую сеть с целью совместного использования определенных технических средств, и в первую очередь систем передачи и коммутации.

Однако в конце XX века ход развития технического прогресса, в частности, широкое внедрение в сеть связи страны современных телекоммуникационных технологий, а также исторические изменения политической и экономической структуры России, предопределили создание новой концепции построения сети связи.

Взаимоувязанная сеть связи Российской Федерации (ВСС РФ) является частью инфраструктуры страны и представляет собой совокупность сетей, служб и оборудования связи, располо-

56

женных и функционирующих на территории страны. Она предназначена для удовлетворения потребностей населения, органов государственной власти и управления, обороны, безопасности, правопорядка, а также пользователей всех категорий в услугах электросвязи.

Все сети связи, входящие в единую сеть электросвязи (ЕСЭ) РФ, можно классифицировать по нескольким признакам (рис. 2.7):

•по категориям;

•по функциональному признаку;

•по способам организации каналов;

•по типу абонентских терминалов;

•по территориальному делению.

По типу абонентских терминалов

Рис. 2.7 — Классификация сетей связи РФ

В техническом плане функционирование ВСС РФ базируется на принципах и структурах, в соответствии с которыми вся сеть связи страны подразделяется на две взаимосвязанные составляющие: первичную сеть и вторичную сеть.

Первичная сеть — это совокупность всех каналов без подразделения их по назначению и видам связи. В состав ее входят линии и каналообразующая аппаратура.

Вторичная сеть состоит из каналов одного назначения (телефонных, телеграфных , передачи телевидения

57

и др.), образуемых на базе первичной сети. Вторичная сеть включает коммутационные узлы, оконечные пункты и каналы, выделенные на первичной сети.

Помимо принятого разделения сетей ЕСЭ на первичные и вторичные возможно другое двухуровневое разделение, по функциональному назначению: на транспортную сеть и сеть доступа.

Транспортная сеть связи состоит из междугородной и зоновых (региональных) сетей связи. Сеть доступа (абонентская сеть или сеть абонентского доступа) является местной сетью. Транспортная сеть предназначена для передачи высокоскоростных (широкополосных) потоков сообщения и их накопления.

Сеть доступа состоит из абонентских линий (на металлических или оптических кабелях или радиоканалах) с подключенными к ним абонентскими оконечными устройствами местных станций коммутаций, соединяющих их линии передачи и линии передачи к узлам транспортной сети.

Сеть управления электросвязью — специальная сеть, обес-

печивающая управление сетями электросвязи и их услугами путем организации взаимосвязи с компонентами различных сетей электросвязи на основе единых интерфейсов и протоколов, стандартизированных Международным Союзом Электросвязи.

Сеть управления электросвязью обеспечивает единое управление цифровыми сетями, входящими в ВСС РФ.

По территориальному признаку и назначению первичные и вторичные сети подразделяются на магистральную (междугородную — для вторичных сетей), внутризоновые (зоновые) и местные сети, а также международные сети.

Магистральные сети связи — технологически сопряжен-

ные междугородные сети электросвязи, образуемые между центром Российской Федерации и центрами субъектов Федерации, а также центрами субъектов Федерации между собой.

Зоновые (региональные) сети связи — технологически со-

пряженные сети электросвязи, образуемые в пределах территории одного или нескольких субъектов Федерации.

Местные сети связи — технологически сопряженные сети электросвязи, образуемые в пределах административной или определенной по иному принципу территорий, не относящиеся к

58

региональным сетям связи. Местные сети подразделяются на городские и сельские.

Магистральные, внутризоновые и часть местных цифровых наложенных первичных сетей являются основой транспортной цифровой сети связи России. Местные и первичные сети на участке «местный узел — оконечное устройство» в соответствии с новой терминологией являются сетью доступа (рис. 2.8).

Рис. 2.8 — Принцип построения первичной сети ЕСЭ

Структура первичной сети учитывает административное разделение территории страны. Вся территория России поделена на зоны, совпадающие, как правило, с территорией областей, краев, а иногда — республик.

Каждый канал ЕСЭ обеспечивает передачу сигналов электросвязи.

Служба электросвязи представляет собой организационнотехническую структуру на базе сети связи (или совокупности сетей связи), обеспечивающую обслуживание связью пользователей с целью удовлетворения их потребностей в определенном наборе услуг электросвязи. Различают три вида служб электросвязи: службы речевого обмена, службы документальной электросвязи и службы мультимедиа.

Классификация служб электросвязи представлена на рисун-

ке 2.9.

59

Рис. 2.9 — Службы электросвязи

Традиционные сети связи (телефонные сети общего пользования — ТфОП, сети передачи данных — СПД) характеризуются узкой специализацией. Для каждого вида связи существует отдельная сеть, которая требует технического обслуживания, при этом свободные ресурсы одной сети не могут использоваться другой сетью. Мультисервисная сеть позволяет отказаться от многочисленных наложенных вторичных сетей, обеспечить внедрение новых услуг с различным требованием к объему передаваемой информации и качеству её передачи.

Мультисервисная сеть образует единую информационнотелекоммуникационную структуру, которая поддерживает все виды трафика (данные, голос, видео) и предоставляет все виды услуг (традиционные и новые, базовые и дополнительные) в любой точке, в любое время, в любом наборе и объеме.

Кбазовым услугам мультисервисной сети относятся традиционные услуги передачи и доступа:

– передача традиционного телефонного трафика;

– передача трафика данных Интернет;

– передача трафика данных корпоративной сети;

– передача трафика мобильных сетей;

– доступ в сеть Интернет;

– доступ к сетям передачи данных.

Кдополнительным услугам относятся следующие:

–передача голосового трафика IP-телефонии;

–передача видеотрафика для организации видеоконферен-

ций;

– организация виртуальной частной сети;

60

– услуги по обеспечению гарантированного уровня обслуживания.

Потребность создания мультисервисных сетей диктуется сформировавшимся рынком телекоммуникационных услуг.

2.3 Стандартизация и метрология в телекоммуникации

Стандартизация занимает важное место в телекоммуникационной индустрии. Наличие стандарта на тот или иной вид продукции или услуг существенно облегчает отношения производителя и потребителя, способствует повышению качества товара, снижению его стоимости и внедрению новых технологий.

Оборудование различных производителей, выполненное по единым стандартам, позволяет организовать связь, в том числе и международную. Разработкой общих правил, направленных на совместное использование оборудования, и занимаются органы стандартизации.

По диапазону охвата различают стандарты международные, национальные и фирменные. Стандарты различного уровня разрабатывают организации, объединяющие интересы как производителей, так и потребителей. В процессе подготовки стандарта обеспечивается всестороннее его обсуждение и учет мнений всех заинтересованных сторон.

Из международных организаций стандартизации наибольшее значение в области связи имеют следующие.

Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization — ISO) разрабатывает стандарты в различных областях деятельности, в том числе и в области телекоммуникаций. Например, широко известны стандарты качества серии ISO 9000. В области телекоммуникаций одним из широко используемых стандартов ISO является семиуровневая модель взаимодействия открытых систем. Членами ISO на добровольной основе являются национальные организации стандартизации.

Международный союз электросвязи (International Telecommunication Union — ITU) является специализированным органом ООН. Членами ITU (также на добровольной основе) являются государства — участники союза. Подготовительные работы по формированию стандартов ведутся в следующих секторах ITU: