2.1. Основні поняття та визначення.

Телекомунікаційна система – це сукупність джерел і споживачів інформації, технічних і програмних (алгоритмічних) засобів, що забезпечують обмін інформацією, використовуючи різні фізичні середовища (канали зв’язку).

Комунікант – фізичний об’єкт (суб’єкт), який належить до складу телекомунікаційної системи та виступає джерелом або споживачем інформації.

Канал зв’язку – це фізичне середовищем, в якому проходить сигнал (зміна фізичного процесу).

Інформація поширюються між комунікантами у вигляді повідомлень (наборів даних різної довжини і тривалості) з використанням різних каналів зв’язку.

В залежності від використовуваного фізичного процесу канали зв’язку поділяються на:

- електричні;

- радіохвильові;

- оптичні (світлові, лазерні та інфрачервоні);

- акустичні (аеро- та гідроакустика);

В залежності від ступеня ізольованості канали зв’язку бувають:

- закриті (провідникові: металеві, оптичне волокно);

- відкриті (у вільному просторі).

Канал передачі даних включає в себе канал зв’язку та пристрої для передачі дискретних сигналів, а саме пристрої захисту від помилок та перетворення сигналу (модем).

Телекомунікаційна мережа – множина взаємопов’язаних каналів передачі даних, що використовують однакові або різні технічні засоби і канали зв’язку та забезпечують інформаційний обмін між будь-якими комунікантами підсистем.

Модем – приймально-передавальний пристрій перетворення (оцифровки, модуляції та кодування) сигналів, назва якого є скороченням двох слів “МОдуляція-ДЕМодуляція”, що відображає основну функцію пристрою – перетворення цифрових сигналів в аналогові та навпаки. Термін „модем” або „радіомодем” часто використовують в якості загальної назви приймально-передавального пристрою зв’язку.

Модуляція – це процес надання несучому (більш високо частотному коливанню) суттєвих рис первинного інформаційного сигналу з метою наступної передачі модульованого сигналу по каналам зв’язку.

Інформаційний сигнал можна визначити з кодової періодичної послідовності імпульсів. Вузькі імпульси розміщують в послідовності стандартних кадрів – інтервалів визначення коду. Якщо тривалість одного кадру Т часових одиниць (1 наносекунда с;1 мікросекунда с; 1 мілісекунда с), то період двобітового сигналу дорівнює 2Т, що характеризує частоту зміни у кодовій абетці.

На протязі інтервалу часу (Рис.3.10) прямокутний імпульс одного знака V(t) можливо описати наступними параметрами:

• Vm – амплітуда імпульсу за обраною шкалою;

• - тривалість імпульсу на час утримання значення Vm;

• t - положення (фаза) початкового фронту імпульсу відносно тактових відміток у часі, що чергуються кроком Т;

• К – кількість імпульсів <<T за інтервал Т.

Рис. 2.1 Варіанти послідовностей прямокутних імпульсів:

а) один на кадр; б) К імпульсів у кадрі.

Імпульсна модуляція (pulse modulation) можлива при зміні будь-якого з параметрів імпульсної послідовності (Рис.3.11). Відомі наступні види імпульсної модуляції:

• АІМ – амплітудно(amplitude)-імпульсна (РАМ);

• ФІМ – фаза (position) імпульсна ( РРМ);

• ЧІМ – частотно(frequency)-імпульсна (PFM);

- ШІМ – широтно(duration або Width)-імпульсна (PDM або PWM).

Реалізація АІМ забезпечується у всіх випадках змін амплітуди S(t) імпульсів V(t)=m відповідно закону сигналу повідомлення. При реалізації ФІМ змінюється фаза (тобто позиція) імпульсу t_ (t)=  відносно тактових синхронних точок часової послідовності. Забезпечення ЧІМ здійснюється зміною частоти слідкування або кількістю К самих (К(t)=m (t)) стандартизованих імпульсів на проміжку кадру Т передачі даних елементів повідомлення. Модуляції ФІМ та ЧІМ можливо розглядати як модифікації однієї за принципом часової імпульсної модуляції, яка використовує часовий ресурс Т стандартного кадру.

Рис. 2.2 Види імпульсної модуляції сигналів повідомлення.

Реалізація ШІМ полягає у зміні ширини (часу генерування імпульсу ) коливаріювання (t)= S(t) здійснено в залежності від миттєвих значень сигналу повідомлення.

Відеоімпульси або імпульсні повідомлення, де інформація визначена відповідним (АІМ/ФІМ/ЧІМ/ШІМ) видом (Рис.3) модуляції, можливо передавати лише по спеціальним кабелям з урахуванням спектру сигналу. Найбільш простий спектр АІМ сигналу, який має усі гармоніки тактової частоти та бокові смуги частот відносно кожної гармоніки тактової частоти. Спектри інших сигналів видів ФІМ,ЧІМ та ШІМ значно складніші та мають високі інформаційні гармоніки. Внаслідок цих властивостей спектру такі відеоімпульси неможливо використовувати для телекомунікацій по радіоканалам.

Вторинна модуляція відеоімпульсів дозволяє отримати радіоімпульси, що задовольняють вимогам якісного зв’язку через навколишнє середовище на стандартних частотних діапазонах частот, що регламентовані міжнародними та національними угодами.

Відповідно до процесів первинної та вторинної модуляції можливо отримати наступні радіоімпульси:

АІМ ; ФІМ ; ШІМ .

Назва сигналів радіоімпульсів складається з двох частин відповідно послідовності двох процесів модуляції, наприклад АІМ-АМ, ФІМ-АМ, ФІМ-ЧМ, ШІМ-АМ та ін.

Радіоімпульси, що випромінюють у відкритий простір, мають математичний опис виду

U(t)= ,

де складова - базові імпульси;

та - відповідно кутова частота та фаза n-ої гармоніки інформаційного повідомлення;

- кутова частота несучої гармоніки радіозв’язку, що має амплітуду при випромінені у відкритий простір.

Розглянемо, наприклад, спектр АМ відповідно сигнала повідомлених x(t)=Xcos t , що дозволяє отримати радіоімпульси

,

де m=aX – коефіцієнт модуляції.

У даному випадку АМ кожна первинна компонента модулюється з частотою повідомлення. Внаслідок цього біля кожної компоненти спектра радіоімпульсу виникають додаткові бокові частоти, що мають зсув на . Для всіх інших принципів первинної та вторинної модуляції розрахунок спектру радіоімпульсів значно складніший ніж у випадку АІМ-АМ.

На практиці для отримання радіоімпульсів використовують імпульси більшої скважності / >>1, тобто дуже вузькі імпульси, частоти слідкування яких значно вище. У цих умовах ширина спектра модульованих та не модульованих радіоімпульсів приблизно однакова та дорівнює подвоєній смузі спектру імпульсного носія =2 .

Порівняння імпульсних видів модуляції дозволяє визначити, що АІМ має меншу смугу частотного спектра, ніж ФІМ та ШІМ. Але вони більш стійкі до впливу завад та перешкод на лінії телекомунікації.

Взагалі, для остаточного вибору виду модуляції слід виконати обґрунтування за повним переліком критеріїв ефективності. Для цього він складається з часткових показників, що враховують різні фактори впливу на протязі повного життєвого циклу технічного обладнання у межах телекомунікаційної системи на транспорті.

Цифрова технологія не тільки знайшла широке поширення в телекомунікаційних складових транспортних інформаційно-управляючих систем (ТІУС), а ще й суттєво змінила підхід до системного забезпечення показників високої якості, ефективності при мінімальних сумарних витратах. По суті, зміст цифрової технології будь-якого виду пов’язаний з дискретними станами, які значно (якісно) відрізняються один від одного. Можливість оперувати послідовностями обраного базису станів дозволяє формувати цифрове (кадрове, дискретне) відображення вхідного повідомлення у електричні сигнали носіїв, які найбільш ефективно вирішують задачі телекомунікації у конкретних умовах експлуатації, коли змінюються фактори впливу навколишнього середовища, включаючи шуми та завади каналу зв’язку.

Найбільш проста цифрова технологія реалізується, коли у якості цифрового сигналу обирається імпульс стандартного типу. Якщо умовно визначити факт наявності імпульсу, що відповідає одиниці 1,і, навпаки, факт його відсутності, що означає нуль 0, тоді чергування двох станів (0 та 1) формує цифрове повідомлення, яке просто декодувати. Слід підкреслити, що значення 1 чи 0 можливо формувати різними технічними засобами (DCE – data communication equipment), які генерують відповідний сигнал –носій, що проходить по фізичному каналу телекомунікації.

Форма аналогово сигналу носія суттєво змінюється внаслідок взаємодії електричного (радіо) сигналу з фізичним середовищем лінії телекомунікації. Чим більша відстань передачі сигналу, тим значніший вплив фізичного середовища за рахунок механізмів:

• викривлення форми відповідно спектру випроміненого сигналу (імпульсу, радіоімпульсу);

• накладення на сигнал носія різних шумів, електромагнітних завад, перешкод, що впливають на результуючий спектр на вході приймача;

• поглинання енергії носія речовиною середовища телекомунікаційної лінії, що зменшує енергетичний потенціал до рівня шумового.

За допомогою цифрової технології ефективно забезпечується відновлення носія, тобто встановлюються стандартні параметри сигналу носія або ідеальна його форма. Відновлення здійснюють регенеративні ретранслятори, що розподілені вздовж каналу зв’язку на відстанях, які гарантують між ними надійне проходження та розпізнавання кодованих сигналів носія без втрат якості телекомунікації

Дискретний стан сигналів цифрової технології створює умови для суттєвого покращення надійності та якості зв’язку. Імовірність декількох одночасно існуючих умов щодо дії факторів впливу стохастичного характеру суттєво зменшує імовірність результуючої помилки при цифровому прийнятті комплексного рішення, яке визначає операційний стан каналу. Тому явище викривлення, інтерференції, дифузії та інші значно менше породжують похибки цифрового зв’язку.

Наявність тільки двох станів (1 - є імпульс або 0 - немає) забезпечує ідеальні умови для відновлення стандартної форми сигналу-носія. У випадках аналогово зв’язку суттєва дія механізмів взаємодії шумів та фізичних збурень, накопичення взаємоперетворень факторів, що мають не два, як у цифрових системах, а практично нескінченну множину континуальних форм.

В аналогових каналах малі збурення та перешкоди можуть значно змінити початковий сигнал (рис.2.3). Після викривлення та нелінійних перетворень зворотнє відновлення у аналогових системах неможливе.

Підсилення не може компенсувати нелінійні явища у нелінійних елементах каналу.

Рис.2.3 Принцип цифрового відновлення (стани 1 та 5) сигналу після фізичного проходження (2,3,4) ним аналогового середовища телекомунікаційної лінії.

Навпаки, цифрові програмні та мікропрограмні (апаратні) засоби дозволяють вирішувати ефективно не тільки вище вказані задачі, а також і додаткові за рахунок того, що змістовно спілкуються два комп’ютера на кінцях аналогової лінії.

Навантаження на біт може бути різне за призначенням та цілями телекомунікації. В той же час цифровий сигнал-носій визначає конкретний стан маніпуляції режимами роботи аналогової лінії, наприклад, включено або відключено. Всі передачі цифрової технології телекомунікації пов’язані з реалізацію методів TDM (time-division multiplexing) часового розподілу та FDM (frequency-division multiplexing ) частотного розподілу ресурсів зв’язку.

В залежності від режиму використання каналу зв’язку розрізняють некомутовані (орендовані) та комутовані канали. Некомутованим – називається канал, який створюється і існує протягом певного часу незалежно від передачі інформації. Комутований канал створюється лише протягом часу передачі кожного повідомлення, а в інший час окремі його частини використовуються з другою метою.

За режимами обміну інформацією розрізняють модеми із симплексною, напівдуплексною та дуплексною передачею даних.

Робота каналу у симплексному режимі передбачає його постійне використання лише в одному напрямку. Напівдуплексний режим дозволяє почергово використовувати канал для передачі даних у прямому та зворотному напрямках. При цьому між пристроями звязку має бути встановлено чіткий порядок черговості використання каналу. Дуплексний режим дозволяє одночасно використовувати канал для передачі даних у прямому і зворотному напрямках.

Якщо у каналі задіяно декілька паралельних линій зв’язку (провідників), тоді можлива паралельна передача даних.

Паралельна передача даних здійснюється одночасно декількоми окремими паралельними лініями. Як правило паралельна передача даних використовується коли передавач та приймач даних знаходяться на малій (2-5м) відстані. В такому випадку кожний біт коду символу можливо надавати по окремій лінії, а всі біти групи передаються одночасно. Крім того використовується додаткова паралельна лінія що передає сигнал, який має назву строб.

Кожен раз строб сигналізує, що біти даного символу сформовані та їх можливо прийняти приймачем. Ця ситуація приведена на рис.3.3 а), що визначає виграш у часі (підвищення пропускної здатності) за рахунок більшого використання ресурсів. У нашому прикладі потрібно 9 окремих паралельних ліній.

Послідовна передача даних використовується тільки одну лінію зв′язку. Даний метод ефективний при передачі даних на значні відстані. Саме при збільшенні відстані зростають витрати одночасної прокладки значної кількості паралельних провідників, крім того ускладнюється апаратура переадресації та отримання імпульсних сигналів. Внаслідок цього паралельна передача даних не економічна для великих відстаней у сотні та тисячі кілометрів.

Простота та дешевизна зсувних регістрів використовується для забезпечення перетворення сигналів в послідовність імпульсів.

Синхронна послідовна передача потребує точного визначення моментів відправки та приймання кожного біта повідомлення.

Асинхронна послідовна передача передбачає передавання символів незалежно один від іншого. Цей вид передачі даних найбільш поширений.

Тактова синхронізація (clocking) є обов′язковою умовою передачі та надійного прийому даних. Тактові імпульси (clock pulses) передавача та приймача мають генератори однакової частоти. Але для надійного декодування даних приймач повинен визначити найбільш точно тактову частоту (clock rate) передавача.

Кадрова синхронізація передбачає, що обмін повідомленнями по каналу передачі даних здійснюється по кадрам (frame). Кожен кадр є елементарним об′єктом обробки послідовного потоку бітів. З метою визначення кадру він має початок та кінець або спеціальні фланги (flanges). Фланг визначає конкретні умови стану відповідно кодованій змінній. Значення флангу застосовується для прийняття рішень щодо умовного переходу до реалізації інших відповідних дій та операцій.

Простіший приклад надано на рис.2.4, де стартовий та стопні біти визначають початок та кінець інформаційного кадру, що необхідно обробити для формування прийнятих даних повідомлення. Таким чином флаг є унікальною синхрокомбінацією, що дозволяє автоматично розподіляти послідовний потік двійкових символів (бітів) на пакети для наступної уніфікованої обробки відмічених символів списку відомої розрядності.

У межах синхронної передачі даних старт – стопні біти не використовують. Спеціальні синхронізуючі символи дозволяють автоматично проводити обробку по блоках. Таким чином можливо використовувати різні алгоритми методів управління обробкою потоків бітів. Спеціальні символи управління передачей забезпечують знання місцезнаходження порцій даних між флагами. Кожний блок має спеціальні синхронізуючі символи просторового – часового маркування (mark reading,sensing,scanning).

Рис 2.4 Порівняння паралельної (а – 9 ліній) та послідовної (б – одна лінія) передачі імпульсних (8-бітних) сигналів.

Маніпуляція – це керований режим управління, коли дискретно, відповідно цілеспрямованому процесу функціонування, змінюється режим роботи телекомунікаційного обладнання. Маніпуляція технічно реалізується шляхом: включення, відключення, переключення у ланцюгах електричного струму у моделях та блоках апаратури зв’язку. Тому для маніпуляції використовують спеціальне телекомунікаційне обладнання: ключі; реле; комутатори, перемикачі, комбіновані маніпулятори з кнопками, тумблерами та електронними керованими пристроями з різними технічними рішеннями комутаційних з’єднань.

За рахунок фізичних аналогових засобів маніпуляції та програмного управління ними можливо реалізовувати потрібні імпульсні режими роботи та швидко змінювати дискретно стан роботи обладнання.