Сети и телекоммуникации

51

преломления (рис. 5.7). Оптическое волокно изготавливается из кварцевого стекла в виде цилиндров с совмещенными осями и различными коэффициен-

тами преломления. Внутренний цилиндр называется сердцевиной ОВ, а внеш-

ний слой — оболочкой ОВ.

Угол полного внутреннего отражения, при котором падающее на гра-

ницу двух сред излучение полностью отражается без проникновения во внеш-

нюю среду, определяется соотношением:

θКР = arccos(n2/n1) ,

где n1 — показатель преломления сердечника ОВ, n2 — показатель преломле-

ния оболочки ОВ, причем n1 > n2. Излучение должно вводится в волокно под углом к оси меньшим θКР.

Рис. 5.8. Виды ОВ и профили показателя преломления

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте волн,

ОВ подразделяются на одномодовые (рис. 5.8,а) и многомодовые (рис. 5.8,б,в).

В зависимости от вида профиля показателя преломления сердцевины раз-

52

личают ступенчатые и градиентные ОВ. У ступенчатых ОВ показатель пре-

ломления сердцевины постоянен (рис. 5.8,б). У градиентных ОВ показатель преломления сердцевины плавно меняется вдоль радиуса от максимального значения на оси до значения показателя преломления оболочки (рис. 5.8,в).

Световые лучи в сердечниках таких ОВ превращаются в синусоиду или винто-

вые линии.

Количество мод зависит от значения нормированной частоты:

V = Dπ (n12 – n22)½ /λ ,

где D — диаметр сердцевины ОВ, λ — рабочая длина волны. Одномодовый ре-

жим реализуется при V < 2.405. Заранее определенными и сравнительно ма-

лыми величинами являются рабочая длина волны и разность показателей пре-

ломления

δn = n1 — n2 .

На рис. 5.9 приведен пример конструкции оптического кабеля. Затухание ОВ неоднородно для разных длин волн. Зависимость коэффициента затухания

дБ/км. Позднее были созданы излучатели и фотоприемники, способные рабо-

тать на больших длинах волн (1,3 и 1,55 мкм). Современные системы связи обычно используют второе или третье окно с малыми коэффициентами затуха-

53

ния. Современная технология позволяет получить ОВ с коэффициентом затуха-

ния порядка сотых долей дБ/км.

Кабельные системы

В настоящее время проводные линии связи широко используются при по-

строении локальных сетей. Данные линии связи стандартизированы и обычно называются структурированной кабельной проводкой или кабельной системой.

Известны кабельные системы категорий 3, 4, 5 стандартов EIA/TIA-568, TSB36, TSB-40 специального подкомитета TR41.8.1. Приведем основные пара-

метры проводки:

αK, дБ/км

длина горизонтальных кабелей — не более 90 м независимо от типа ка-

беля;

к применению допускаются кабели четырех типов: 4-парный из неэкрани-

рованных витых пар с волновым сопротивлением 100 Ом; 2-парный из экранированных витых пар с волновым сопротивлением 150 Ом; коакси-

альный с волновым сопротивлением 50 Ом; волоконно-оптический с во-

локнами диаметром 62,5/125 мкм;

54

типы соединителей: модульный 8-контактный RJ-45; 4-контактный по стандарту IEEE 802.5; коаксиальный BNC; оптический не определен;

на каждом рабочем месте устанавливается не меньше 2 розеток;

разводка кабелей должна соответствовать структуре «звезда».

Радиолинии

В радиолиниях связи средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между кос-

мическими аппаратами) является атмосфера Земли.

На рис. 5.11 приведено упрощенное строение атмосферы Земли.

Космическое пространство

120…400 км

Тропосфера

10…12 км

Поверхность Земли

Рис. 5.11. Строение атмосферы Земли

Реальное строение атмосферы более сложное и приведенное деление на

тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно условно. Высота слоев приведена приблизительно и различна для разных географических точек Земли.

В тропосфере сосредоточено около 80% массы атмосферы и около 20% — в

стратосфере.

Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосфе-

рой и космическим пространством является условным понятием, так как следы

55

атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.

Промежуточные

станции

Оконечные

станции

Рис. 5.12. Типичный вид радиолинии

Типичный вид радиолинии показан на рис. 5.12. Линия может состоять из двух оконечных станций. Типичным примером таких радиолиний являются ли-

нии сетей передачи сообщений массового характера (сети телевизионного и ра-

диовещания). Радиолиния может содержать несколько промежуточных пе-

реприемных станций. Так строятся линии радиорелейных систем передачи.

Классификация и способы распространения радиоволн приведены в таб-

лицах 5.2 и 5.3. Деление радиоволн на диапазоны установлено Международ-

ным регламентом радиосвязи МСЭ-Р.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину на-

пряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов.

Основные из них:

отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;

преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионо-

сфере);

56

рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы

(тропосфере);

дифракция на сферической выпуклости Земли.

Также напряженность поля в точке приѐма зависит от длины волны, ос-

вещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

Глава 6 Методы модуляции и кодирования

Передача информации посредством электрических сигналов играет ог-

ромную и всѐ возрастающую роль во всех видах человеческой деятельности. За последнее время резко повысились требования, предъявляемые к системам и сетям связи.

Необходимо вести передачу со всѐ большими скоростями и всѐ большим качеством. Дело усложняется тем, что зачастую энергетические ресурсы пере-

датчика жестко ограничены (в силу экологических проблем и разделе-

ния/ограничения диапазона частот). И в то же время всѐ более высокие требо-

вания предъявляются к верности передачи.

Верность зависит, с одной стороны, от исправности аппаратуры (эта сторона не относится к изучаемому предмету). С другой же стороны, верность зависит от помех, действующих в канале передачи.

Способность сетей и систем связи противостоять вредному влиянию по-

мех называется помехоустойчивостью. В современных условиях проблема по-

мехоустойчивости является приоритетной. Она останется важнейшей про-

блемой в области передачи информации и в предвидимом будущем.

Рассмотрим основные методы и способы модуляции и кодирования, ис-

пользуемые для решения этой проблемы и при построении сетей и систем свя-

зи.

Методы модуляции в системах и сетях связи

Прежде чем рассматривать собственно методы модуляции, рассмотрим основные способы представления сигналов электросвязи, принятые для описа-

ния методов модуляции.

В технике связи принято использование представления сигналов во вре-

менной и частотной областях. Используется стандартное значение частоты f,

58

единица измерения Гц, и так называемая круговая частота w =2pf, единица измерения Рад/с. Гармонический сигнал вида

f(t) = U0 cos( 0t + )

представляется в частотной области единственным значением на оси частот.

Любой периодический сигнал с периодом T0 может быть представлен рядом Фурье (гармоническим рядом). Частотная составляющая f0=1/T0 называется ос-

новной гармоникой. Частотные составляющие вида Nf0, N=2,3... называют выс-

шими гармониками.

Чем больше сигнал отличается от гармонического, тем больше частотных составляющих в его спектральном представлении и тем меньше расстояние

(разнос частот) между ними, т.е. шире спектр такого сигнала. Случайные про-

цессы, которыми являются практически все первичные сигналы, имеют непре-

рывный бесконечный спектр. Однако обычно основная мощность случайного сигнала сосредоточена в определенной полосе частот. Данное свойство реаль-

ных сигналов позволяет использовать для их передачи каналы с ограниченной

полосой пропускания.

Наряду с временным и частотным представлениями часто используется представление сигнала в виде вращающегося вектора (рис. 6.1,а). В данном представлении сигнал может быть разложен (пред-

ки, соответствующей концу вектора. Такое представление часто используется для описания видов модуляции в современных модемах. Общий принцип моду-

59

ляции состоит в изменении одного или нескольких параметров несущего коле-

бания (переносчика) f(а,b,...,t) в соответствии с передаваемым сообщением.

Рчим

ЧИМ

t

Рфим

ФИМ

t

Рис. 6.1,б. Виды импульсной модуляции (АИМ, ШИМ, ЧИМ и ФИМ)

Так, например, если в качестве переносчика выбрано гармоническое ко-

лебание

f(t) = U0 cos( 0t + ) ,

то можно образовать три вида модуляции: амплитудную (АМ), частотную

(ЧМ) и фазовую (ФМ).

60

Если переносчиком является периодическая последовательность импуль-

сов

f(t) = U0 f0 (t – Ti – t0) ,

то при заданной форме импульсов f0(t) можно образовать четыре основных вида импульсной модуляции (рис. 6.1,б): амплитудно-импульсную (АИМ), широтно-

импульсную (ШИМ), время-импульсную (ФИМ) и частотно-импульсную

(ЧИМ). Применение радиоимпульсов позволяет получить еще два вида моду-

ляции: по частоте и по фазе высокочастотного заполнения.

Если модулирующий сигнал является дискретным, то такой тип модуля-

ции называют манипуляцией.

Модуляция применяется для преобразования первичных сигналов элек-

тросвязи во вторичные и обратно. При этом осуществляется передача сигналов по линии или каналу связи с пропускаемой полосой частот с ненулевыми ниж-

ней и верхней границами — так называемый канал с эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ).

Спектр первичного сигнала (верхняя и нижняя частоты) обычно не сов-

падает с полосой пропускания канала (рис. 6.2), поэтому спектр сигнала нужно перенести в полосу пропускания канала.

∆ к

Рис. 6.2. Спектр исходного сигнала и полоса пропускания канала связи

Наиболее просто описывается математически (и реализуется практиче-

ски) амплитудная модуляция. Рассмотрим АМ на примере, когда роль несущей играет высокочастотное гармоническое колебание

SH(t) = UH cos( Ht + )