17. Временное разделение каналов

Принцип временного разделения каналов (ВРК) состоит в том, что групповой тракт предоставляется поочередно для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы/

При передаче используется дискретизация во времени (импульсная модуляция).

Сначала передается импульс 1-го канала, затем следующего канала и т.д. до последнего канала за номером N, после чего опять передается импульс 1-го канала и процесс повторяется периодически.

На приеме устанавливается аналогичный коммутатор, который поочередно подключает групповой тракт к соответствующим приемникам. В определенный короткий промежуток времени к групповой линии связи оказывается подключена только одна пара приемник/передатчик.

Это означает, что для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная и синфазная работа коммутаторов на приемной и передающей сторонах. Для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации.

На рис. приведены временные диаграммы, поясняющие принцип ВРК. На Рис. 6.16, а-в приведены графики трех непрерывных аналоговых сигналов u₁(t), u₂(t) и u₃(t) и соответствующие им АИМ-сигналы. Импульсы разных АИМ-сигналов сдвинуты друг относительно друга по времени. При объединении индивидуальных каналов в канале (линии) связи образуется групповой сигнал с частотой следования импульсов в N раз большей частоты следования индивидуальных импульсов.

Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала T_K называется канальным интервалом. Промежуток времени между соседними импульсами одного индивидуального сигнала называется циклом передачи Т_Ц. От соотношения Т_Ц и T_K зависит число импульсов, которое можно разместить в цикле, т.е. число временных каналов.

При временном разделении так же как и при ЧРК существуют взаимные помехи, в основном обусловленные двумя причинами.

Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов. Иначе говоря, между каналами возникают взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция.

Кроме того, взаимные помехи могут возникать за счет несовершенства синхронизации тактовых импульсов на передающей и приемной сторонах.

В силу данных причин временное разделение каналов на основе АИМ не получило практического применения. Временное разделение широко используют в цифровых системах передачи плезиохронной и синхронной иерархий, которые будут подробно рассмотрены ниже.

В общем случае для снижения уровня взаимных помех приходится вводить "защитные" временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в СП полоса эффективно передаваемых частот F=3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение частоты дискретизации f₀=1/Т_Д=2F=6200 Гц. Однако в реальных системах частоту дискретизации выбирают с некоторым запасом: f₀=8 кГц. При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме Котельникова из соотношения (без учета канала синхронизации) Dt_K=T₀/N=1/(2NF)= 1/(2F_ОБЩ), где F_ОБЩ=FN, что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении. Хотя теоретически временное и частотное разделения позволяют получить одинаковую эффективность использования частотного спектра, тем не менее пока что системы временного разделения уступают системам частотного разделения по этому показателю.

Вместе с тем, системы с временным разделением имеют неоспоримое преимущество, связанное с тем, что благодаря разновременности передачи сигналов разных каналов отсутствуют переходные помехи нелинейного происхождения. Кроме того, аппаратура временного разделения значительно проще, чем при частотном разделении, где для каждого индивидуального канала требуются соответствующие полосовые фильтры, которые достаточно трудно реализовать средствами микроэлектроники.

18. Кодовое разделение каналов

При кодовом разделении каналов передача информации всех каналов производится одновременно в общей полосе частот. Разделение каналов происходит по форме сигналов путем вычисления меры скорости между эталонными кодирующими последовательностями и принятыми сигналами. Для этого должно выполнятся условие ортогональности эталонных кодовых последовательностей.

В качестве переносчиков различных канальных сигналов широко используются дискретные последовательности в виде функций Уолша. Построение функций Уолша происходит с помощью матрицы Адамара. Все ее строки будут являться функциями Уолша.

Н1 = 1

Нn+1 = Н n Hn

Hn -Hn

H2 = 1 1

1 -1

H3 = 1 1 1 1

1 -1 1 -1

1 1 -1 -1

1 -1 -1 -1

Свойства: все функции Уолша ортогональны по скалярным произведения

xi, yi, i = 0...N-1

Cx,y = сумма от i = 0 до N- 1 (xi * yi)

Cx,y = 0

x = {1 1 1 1}, y = {1 -1 1 -1}

Cx,y = 1*1 + 1*(-1) + 1*1 + 1*(-1) = 0

Каналы:

1. 1 {1 1 1 1}

0 {-1 -1 -1 -1}

2. 1 {1 -1 1 -1}

0 {-1 1 -1 1}

3. 1 {1 1 -1 -1}

0 {-1 -1 1 1}

4. 1 {1 -1 -1 1}

0 {-1 1 1 -1}

1: 10 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1

2: 00 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1

3: – 0 0 0 0 0 0 0 0

4: 11 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1

1 1 -1 3 -1 -1 -3 1

Декодирование:

1. 1 1 -1 3

2. 1 1 1 1

3. 1 1 -1 3 = 4

4. 1 1 -1 3

1 1 -1 -1

1 1 -1 -3 = 0

1 4 -4

2 -4 -4

3 0 0

4 4 4

Плюсы: высокая помехоустойчивость, возможность большой скорости, возможность скрытности.

19. Линии связи. Физическая среда передачи данных.

Звено — сегмент, обеспечивающий передачу данных между двумя соседними узлами сети.

Канал — чаще всего обозначают часть пропускной способности звена.

Составной канал — путь между двумя конечными узлами сети.

Линия связи — может использоваться как синоним для любого из трех предыдущих терминов.

В качестве физической среды передачи данных могут использоваться наборы проводников (проводные или кабельные линии связи), а также земная атмосфера и космическое пространство, через к-ое распространяются шифрованные сигналы. В первом случае говорят о проводной среде, во втором — о беспроводной.

Информация передается с помощью электрического тока или напряжения, радиосигнала, световых сигналов. Все эти физические процессы представляют собой колебания электромагнитного поля различной частоты.

20. Характеристики линии связи

1. Затухание — показывает, насколько уменьшится мощность эталонного синусоидального сигнала на входе линии связи по отношению к мощности сигнала на входе линии связи. Изменяется в децибелах, вычисляется: A = 10lg P вых\ P вх. Степень затухания мощности синусоидального сигнала зависит от частоты синусоиды.

2. Полоса пропускания — непрерывный диапазон частот, для к-го затухание не превышает некоторых заданных пределов. Те полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при котором этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Часто граничными частотами считаются частоты, на к-х мощность выходного сигнала уменьшается в 2 раза по сравнению с мощностью входного.

3. Пропускная способность линии хар-ет мах возможную скорость передачи данных, к-ая мб достигнута на этой линии. Особенностью явл-ся то, что с одной стороны эта хар-ка зависит от параметров физической среды, а с другой определяется способом передачи данных => нельзя говорить о пропускной способности линии связи до того, как для нее определили протокол физического уровня. Измеряется в битах\сек.

4. Зависит не только от характеристик таких как затухание и полоса пропускания, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала, т.е. те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результатирующий сигнал, попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет правильно распознать информацию, передаваемую по линии передатчиком.

5. Если же значимые гармоники выходят за пределы полосы пропускания, то сигнал будет значительно искажаться, а приемник будет ошибаться при распознавании сигнала.

21. Соотношение полосы пропускания и пропускной способности линии связи. Биты и боды.

Связь между полосой пропускания линии и ее пропускной способностью в независимости от принятого способа физического кодирования установил Клод Шеннон:

C = F log2 (1 + P сигнала\P шума).

С — пропускная способность линии (бит\сек), F- ширина полосы пропускания (Гц), P – мощность.

Теоретического предела нет, но на практике сложно создать условия при которых мощость сигнала будет бесконечно большой, а мощность шума бесконечно малой. Повышение мощности передатчика ведет к увеличению его размеров и стоимости. Снижение уровня шума требует применение спец. кабелей с защитными экранами. К тому же влияние ограничено логарифмической зависимостью, к-ая растет не так быстро как прямолинейная.

Близким по сути является отношение Наггиста, к-ое также определяет мах возможность пропускной способности линии связи без учета шума:

С = 2F log2 M

M – количество различных состояний информационного параметра (М = 2: 1, -1; М = 4: -3, -1, 1, 3). Наличие шума явно не учитывается, но косвенно оно влияет на количество состояний информационного сигнала.Для повышения пропускной способности линии связи следует увеличивать количество состояний, но на практике этому мешает шум на линии. Если амплитуда шума время от времени превышает разницу между соседними уровнями, то приемник не сможет устойчиво принимать. Поэтому количество возможных состояний сигнала практичеки ограничивается соотношений мощности сигнал\шум.

Формула Наггста определяет предельную скорость в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом устойчивого распрознавания приемника.

Выбор способов представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи наз-ся физическим или линейным кодированием. От выбора способа кодирования зависит спектр сигнала и пропускная способность линии. Если сигнал изменяется так, что можно различить только 2 его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации, те 1 бит. Если состояний больше 2х, то любое изменение будет нести несколько бит информации.

Приемник считает, что в начале каждого такта на вход поступила новая информация. Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах. 1 бод равен одному изменению информационного параметра в секунду. Например, если такт передачи информации равен 0.1 с, то сигнал изменяется со скоростью 10 бод. Т.о. Скорость в бодах целиком опр-ся величиной такта. Информационная скорость измеряется в бит\с и в общем случае не совпадает со скоростью в бодах.

Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем выше мб частота модуляции и пропускная способность линии связи. С другой стороны с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается ширина спектра. Линия передает спектр синусоид с теми параметрами, к-ые определяются ее полосой пропускания. Чем больше несоответствие между шириной спектра передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации. А значит возможная скоростью становится меньше.

22. Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с линиями связи на основе металлических кабелей: большая пропускная способность, малое затухание, малые масса и габариты, высокая помехозащищенность, надежная техника безопасности, практически отсутствующие взаимные влияния, малая стоимость из-за отсутствия в конструкции цветных металлов.

Волоконно-оптический кабель состоит из тонких (5-6 микрон) гибких стеклянных волокон, по которым распространяются световые сигналы. Обеспечивают скорость до 10Гигабит\с. Применяют электромагнитные волны оптического диапазона: длин волн 380...760 нм. Практическое применение в ВОЛС получил инфракрасный диапазон, т.е. излучение с длиной волны более 760 нм.

Каждый световод состоит из центрального проводника света и стеклянной оболочки, обладающей меньшим показателем преломления, чем серцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и толщины сердечника различают: многомодовое волокно со ступенчатым показателем преломления (на рисунке а)), тоже самое с плавным изменением показателя преломления (на рисунке б)), одномодовое волокно.

В одномодовом волокне используется очень тонкий сердечник, диаметр которого соизмерим с длиной волны света, при этом практически все лучи света распространяются прямо без преломления. Дорогое.

В многомодовых используют более толстые сердечники, которые легче изготовить. Во внутреннем проводнике существует многожество лучей, отражающихся от внешней оболочки. Угол отражения луча называется его модой.

В многомодовых с плавным изменением показателя преломления возникает интерференция, приводящая к искажениям.

Технические характеристики многомодовых хуже, чем одномодовых.

В качестве источников света используются: светодиоды, полупроводниковые кабели и лазерные диоды. Для одномодовых используют лазерный.

Зависимость коэффициента затухания ОВ от рабочей длины волны имеет три минимума, называемые окнами прозрачности.

Коэффициент затухания в первом окне значителен и составляет единицы дБ/км. Современные системы связи обычно используют второе или третье окно с малыми коэффициентами затухания. Современная технология позволяет получить ОВ с коэффициентом затухания порядка сотых долей дБ/км.

23. Спутниковые системы связи

Используется для организации высокоскоростных микроволновых протяженных линий. С 1965года - отечественный спутник связи "Молния-1" и США Intelsat-1. Большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи. Роли спутника: узел первичной сети, телефонный коммутатор, коммутатор\маршрутизатор компьютерной сети.

Аппаратура спутников может взаимодействовать не только с наземными станциями, но и между собой, образуя прямые космические беспроводные линии связи. Специфика СС — один из узлов находится в полетеЮ причем на большом расстоянии от других узлов. Диапазоны рабочих частот систем СС различны для участков Земля-ИСЗ и ИСЗ-Земля и лежат в пределах 2..40 ГГц.

СС вращаются по законам Кеплера. В общем случае орбита эллиптическая, но для сохранения высоты могут переходить на почти круговую. Три основые группы круговых орбит: геостационарная (GEO) – 35 тыс. км, средневысотная орбита (MEO) — 5000 — 15000 км, маловысотная орбита (LEO) — 100-1000 км.

GEO спутник висит над определенной точкой экватора, точно соответствуя скорости вращения земли. Достоинства: зона обслуживания составляет около трети земной поверхности, трех спутников достаточно для почти глобальной связи, антенны земных станций практически не требуют систем слежения, меньший износ спутника, большое число каналов за счет наличия нескольких антенн. Однако в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в приполярных областях, есть задержки сигнала и высоки потери из за большого расстояния до поверхности земли.

MEO не так популярен как GEO и LEO. Обеспечивает задержку 50мс. Наиболее известные услоги — GPS и Глонасс. Используют по 24 спутника каждая, сотрудничают, глобальная система навигации за счет определения текущих координат пользователя.

LEO – близко к земле и легко запускать спутники, но — малая площадь покрытия, необходимо большое количество для обеспечения постоянства связи, большой износ из за атмосферного трения. Предоставление высокоскоростного доступа в интернет, использование в мобильной связи, принимая вызовы от абонентов и передавая их ближайшей базовой станции.

24. Скремблирование

Смысл скремблирования состоит в получении последовательности, в которой статистика появления нулей и единиц приближается к случайной, что позволяет удовлетворять требованиям надежного выделения тактовой частоты и постоянной, сосредоточенной в заданной области частот спектральной плотности мощности передаваемого сигнала. Широко применяется во многих видах систем связи для улучшения статистических свойств сигнала. Обычно осуществляется непосредственно перед модуляцией.

Производится на передающей стороне с скремблера, реализующего логическую операцию суммирования по модулю 2 исходного и преобразующего псевдослучайного двоичных сигналов. На приемной стороне осуществляется обратная операция - дескремблирование дескремблеpoм. Он выделяет из принятой исходную последовательность. Основной частью скремблера является генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) в виде линейного n-каскадного регистра с обратными связями, формирующий последовательность максимальной длины 2ⁿ-1.

Различают два основных типа скремблеров и дескремблеров - самосинхронизирующиеся (СС) и аддитивные.

Особенностью скремблера СС является то, что он управляется скремблированной последовательностью, т.е. той, которая передается в канал. Поэтому при данном виде скремблирования не требуется специальной установки состояний скремблера и дескремблера; скремблированная последовательность записывается в регистры сдвига скремблера и дескремблера, устанавливая их в идентичное состояние. При потере синхронизма между скремблером и дескремблером время восстановления синхронизма не превышает числа тактов, равного числу ячеек регистра скремблера. На приемном конце выделение исходной последовательности происходит путем сложения по модулю 2 принятой скремблированной последовательности с ПСП регистра.

Например, входная последовательность а_k с помощью скремблера в соответствии с соотношением b_k=a_k (+) (b_{k-6 (+)}b_k-7) преобразуется в посылаемую двоичную последовательность b_k. В приемнике из этойпоследовательности таким же регистром сдвига, как на приеме, формируется последовательность a_k=b_{k (+)} (b_{k-6 (+)} b_k-7). Эта последовательность на выходе дескремблера идентична первоначальной последовательности.

При одной ошибке в последовательности b_k ошибочными получаются также последующие шестой и седьмой символы. В общем случае влияние ошибочно принятого бита будет сказываться (a+1) раз, где а - число обратных связей. Таким образом, СС скремблер - дескремблер обладает свойством размножения ошибок. Данный недостаток ограничивает число обратных связей в регистре сдвига; практически это число не превышает а=2.

Второй недостаток связан с возможностью появления на его выходе при определенных условиях тн критических ситуаций, когда выходная последовательность приобретает периодический характер с периодом, меньшим длины ПСП. Чтобы предотвратить это, в скремблере и дескремблере предусматриваются специальные дополнительные схемы контроля, которые выявляют наличие периодичности элементов на входе и нарушают ее. Достоинства: не требует какой либо специальной процедуры регистрации, после которой коды в обоих регистрах становятся идентичными, синхронизация достигается автоматически при заполнении регистра одинаковыми данными.

Недостатки, присущие СС, практически отсутствуют при аддитивном скремблировании, однако, здесь требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и дескремблера. В скремблере с установкой (АД-скремблере), как и в СС скремблере, производится суммирование входного сигнала и ПСП, но результирующий сигнал не поступает на вход регистра. В дескремблере скремблированный сигнал также не проходит через регистр сдвига, поэтому размножения ошибок не происходит.

Суммируемые в скремблере последовательности независимы, поэтому их период всегда равен наименьшему общему краткому величин периодов входной последовательности и ПСП и критическое состояние отсутствует. Отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимости в специальной логике защиты от нежелательных ситуаций делают способ аддитивного скремблирования предпочтительнее, если не учитывать затрат на решение задачи фазирования скремблера и дескремблер. В качестве сигнала установки в ЦСП используют сигнал цикловой синхронизации.

25. Методы кодирования цифровых сигналов

Цифровое кодирование определяет способ представления битов в физическом канале передачи данных.

При выборе способа кодирования нужно стремиться к достижению нескольких целей:

• минимальная ширина спектра сигнала, полученного в результате кодирования (ширина спектра зависит от Т — периода, чем ниже частота передачи, тем уже спектр)

• синхронизация между передатчиком и приемником (для синхронизации на небольших расстояния применяют отдельный канал, используются самосинхронизирующиеся коды — сигналы, к-ые несут для приемника сигналы о том, в какой момент времени можно начинать распознавание бита)

• устойчивость к шумам (распознавание и коррекция ошибок)

• обнаружение и, по возможности, исправление битовых ошибок

• минимальная мощность передатчика

Требования взаимно противоречивы, поэтому каждый метод имеет свои + и -.

Методы:

1. Потенциальный код nrz (not return to zero – без возврата к нулю)

1. При передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течении такта.

+: простота реализации, хорошая распознаваемость ошибок (из за наличия 2х резко отличающихся потенциалов, узкий спектр — основная гармоника с частотой N\2, где N – скорость передачи бит\сек)

-: нет самосинхронизации

1. Поочередная инверсия единиц ami - Alternate Mark Inversion

1. * биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В); * биты 1' представляются поочередно значениями +V и -V (потенциал каждой новой единицы противоположен каждой предыдущей)

Частично решена проблема отсутствия самосинхронизации. При передаче длинных последовательностей единиц сигнальные линии представляют собой последовательности разнополярных импульсов с тем же спектром, что и NRZ. Длинные последовательности нулей вырождают сигнал в постоянный потенциал с нулевой амплитудой.

+: для различных комбинаций битов на линии приводит к более узкому спектру, чем NRZ (при передаче чередующихся 1 и 0 гармоника имеет частоту N\4), распознавание ошибок — нарушение строгой полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линий корректного импульса

-: появление третьего уровня сигнала на линии требует увеличения мощности передатчика примерно на 3Дб для обеспечения той же достоверности приема

1. Биполярный импульсный код

2. «1» передается импульсом одной полярности, «0» - другой. Каждый импульс длится половину такта. Отличные самосинхронизирующиеся свойства. Минусы: широкий спектр, поэтому используется редко.

4. Манчестерский код

5. Используется в локальных сетях. Используется перепад потенциала, те фронт импульса. Каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. «1» - от низкого уровня в высокому, «0» - наоборот.

6. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько 1 или 0 подряд.

7. Сигнал изменяется по крайней мере 1 раз за такт передачи 1 бита данных, за счет этого хорошая самосинхронизация. Полоса пропускания уже, чем у биполярного и импульсного. В худшем случае основная гармоника имеет частоту N, а лучшем N\2.

8. Еще один плюс - используется 2 уровня передачи сигнала.

10. Потенциальный код 2в1q (каждые два бита передаются за 1 такт сигнала, имеющего 4 состояния)

00: -2.5 В; 01: -0.833 В; 11: +0.833В; 10: +2.5 В

Требуется большая мощность передатчика для того, чтобы 4 уровня четко различались приемником на фоне помех и дополнительная мера по борьбе с длинными последовательностями одинавых пар битов, тк при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании битов спектр в 2 раза уже, чем у NRZ, тк при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в 2 рааа, те скорость в 2 раза выше, чем у AMI (O.o)