Способы передачи данных модуляция защита от ошибок сжатие данных

Основные
определения
Проводные
линии связи
Аналоговые
каналы передачи данных
Модемы
Амплитудная
модуляция
Частотная
и фазовая модуляция
Квадратурно-амплитудная
модуляции
Организация
дуплексной связи
Многоканальная
аппаратура
Протоколы
физического уровня для модемной связи
Протоколы
канального уровня для модемной связи
Кодово-импульсная
модуляция
Цифровые
каналы передачи данных
Беспроводные
каналы связи
Спутниковые
каналы передачи данных
Сети
мобильной связи
Оптические
линии связи

1. Основные
определения. Среда
передачи данных
— совокупность линий передачи данных и
блоков взаимодействия (т.е. сетевого
оборудования, не входящего в станции
данных), предназначенных для передачи
данных между станциями данных. Среды
передачи данных могут быть общего
пользования или выделенными для
конкретного пользователя.

Линия передачи
данных —
средства, которые используются в
информационных сетях для распространения
сигналов в нужном направлении. Примерами
линий передачи данных являются
коаксиальный кабель, витая пара проводов,
световод.

Характеристиками линий передачи данных
являются зависимости затухания сигнала
от частоты и расстояния. Затухание
принято оценивать в децибеллах, 1 дБ =
10*lg(P1/P2), где Р1 и Р2 — мощности сигнала на
входе и выходе линии соответственно.

При заданной длине
можно говорить о полосе
пропускания
(полосе частот) линии. Полоса пропускания
связана со
скоростью передачи информации.
Различают
бодовую (модуляционную)
и информационную
скорости. Бодовая скорость измеряется
в бодах, т.е. числом изменений дискретного
сигнала в единицу времени, а информационная
— числом битов информации, переданных
в единицу времени. Именно бодовая
скорость определяется полосой пропускания
линии.

Если на бодовом
интервале (между соседними изменениями
сигнала) передается N бит, то число
градаций модулируемого параметра
несущей равно 2^N.
Например, при числе градаций 16 и скорости
1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с
и информационная скорость составит
4800 бит/с.

Максимально возможная
информационная скорость V связана с
полосой пропускания F канала связи
формулой Хартли-Шеннона (предполагается,
что одно изменение величины сигнала
приходится на log₂k
бит, где k — число возможных дискретных
значений сигнала)

V = 2*F*log₂k
бит/с,

так как V = log₂k/t,
где t — длительность переходных процессов,
приблизительно равная 3*Т_В,аТ_В
= 1/(2*p *F), Здесь k ? 1+A, A — отношение
сигнал/помеха.

Канал (канал связи)
— средства
односторонней передачи данных. Примером
канала может быть полоса частот,
выделенная одному передатчику при
радиосвязи. В некоторой линии можно
образовать несколько каналов связи, по
каждому из которых передается своя
информация. При этом говорят, что линия
разделяется между несколькими каналами.
Существуют два метода разделения линии
передачи данных: временное мультиплексирование
(иначе разделение по времени или TDM), при
котором каждому каналу выделяется
некоторый квант времени, и частотное
разделение (FDM — Frequency Division Method), при
котором каналу выделяется некоторая
полоса частот.

Канал передачи
данных — средства
двустороннего обмена данными, включающие
АКД и линию передачи данных.

По природе физической среды передачи
данных (ПД) различают каналы передачи
данных на оптических линиях связи,
проводных (медных) линиях связи и
беспроводные. В свою очередь, медные
каналы могут быть представлены
коаксиальными кабелями и витыми парами,
а беспроводные — радио- и инфракрасными
каналами.

В зависимости от способа представления
информации электрическими сигналами
различают аналоговые и цифровые каналы
передачи данных. В аналоговых каналах
для согласования параметров среды и
сигналов применяют амплитудную,
частотную, фазовую и квадратурно-амплитудную
модуляции. В цифровых каналах для
передачи данных используют
самосинхронизирующиеся коды, а для
передачи аналоговых сигналов —
кодово-импульсную модуляцию.

Первые сети ПД были аналоговыми, поскольку
использовали распространенные телефонные
технологии. Но в дальнейшем устойчиво
растет доля цифровых коммуникаций (это
каналы типа Е1/Т1, ISDN, сети Frame Relay, выделенные
цифровые линии и др.)

В зависимости от
направления передачи различают каналы
симплексные
(односторонняя
передача), дуплексные
(возможность
одновременной передачи в обоих
направлениях) и полудуплексные
(возможность
попеременной передачи в двух направлениях).

В зависимости от числа каналов связи в
аппаратуре ПД различают одно- и
многоканальные средства ПД. В локальных
вычислительных сетях и в цифровых
каналах передачи данных обычно используют
временное мультиплексирование, в
аналоговых каналах — частотное разделение.

Если канал ПД монопольно используется
одной организацией, то такой канал
называют выделенным, в противном случае
канал является разделяемым или виртуальным
(общего пользования).

К передаче информации имеют прямое
отношение телефонные сети, вычислительные
сети передачи данных, спутниковые
системы связи, системы сотовой радиосвязи.

2. Проводные линии
связи. В
вычислительных сетях проводные линии
связи представлены коаксиальными
кабелями и витыми парами проводов.

Используются коаксиальные кабели:
«толстый» диаметром 12,5 мм и «тонкий»
диаметром 6,25 мм. «Толстый» кабель
имеет меньшее затухание, лучшую
помехозащищенность, что обеспечивает
возможность работы на больших расстояниях,
но он плохо гнется, что затрудняет
прокладку соединений в помещениях, и
дороже «тонкого».

Существуют экранированные (STP — Shielded
Twist Pair) и неэкранированные (UTP — Unshielded
Twist Pair) витые пары проводов. Экранированные
пары сравнительно дороги. Неэкранированные
витые пары имеют несколько категорий
(типов). Обычный телефонный кабель — пара
категории 1. Пара категории 2 может
использоваться в сетях с пропускной
способностью до 4 Мбит/с. Для сетей
Ethernet (точнее, для ее варианта с названием
10Base-T) разработана пара категории 3, а
для сетей Token Ring — пара категории 4.
Наиболее совершенной является витая
пара категории 5, которая применима при
частотах до 100 МГц. В паре категории 5
проводник представлен медными жилами
диаметром 0,51 мм, навитыми по определенной
технологии и заключенными в термостойкую
изолирующую оболочку. В высокоскоростных
ЛВС на UTP длины соединений обычно не
превышают 100 м. Затухание на 100 МГц и при
длине 100 м составляет около 24 дБ, при 10
МГЦ и 100 м — около 7 дБ.

Витые пары иногда называют сбалансированной
линией в том смысле, что в двух проводах
линии передаются одни и те же уровни
сигнала (по отношению к земле), но разной
полярности. При приеме воспринимается
разность сигналов, называемая парафазным
сигналом. Синфазные помехи при этом
самокомпенсируются.

3. Аналоговые
каналы передачи данных.
Типичным и наиболее распространенным
типом аналоговых каналов являются
телефонные каналы общего пользования
(каналы тональной частоты). В каналах
тональной частоты полоса пропускания
составляет 0,3…3,4 кГц, что соответствует
спектру человеческой речи.

Для передачи дискретной информации по
каналам тональной частоты необходимы
устройства преобразования сигналов,
согласующие характеристики дискретных
сигналов и аналоговых линий. Кроме того,
в случае непосредственной передачи
двоичных сигналов по телефонному каналу
с полосой пропускания 0,3…3,4 кГц скорость
передачи не превысит 3 кбит/с. Действительно,
пусть на передачу одного бита требуются
два перепада напряжения, а длительность
одного перепада ТВ = (3…4)/(6,28*FВ), где FВ —
верхняя частота полосы пропускания.
Тогда скорость передачи есть В <
1/(2*ТВ).

Согласование параметров сигналов и
среды при использовании аналоговых
каналов осуществляется с помощью
воплощения сигнала, выражающего
передаваемое сообщение, в некотором
процессе, называемом переносчиком и
приспособленном к реализации в данной
среде. Переносчик в системах связи
представлен электромагнитными колебаниями
U некоторой частоты, называемой несущей
частотой:

U = U_m*sin(v
*t+y ),

где U_m

—амплитуда,
v — частота, y — фаза колебаний несущей.
Изменение параметров несущей (переносчика)
по закону передаваемого сообщения
называется модуляцией.
Если это изменение относится к амплитуде
U_m,
то модуляцию называют амплитудной (АМ),
если к частоте v — частотной (ЧМ), и если
к фазе y — фазовой (ФМ). При приеме сообщения
предусматривается обратная процедура
извлечения полезного сигнала из
переносчика, называемая демодуляцией.
Модуляция и демодуляция выполняются в
устройстве, называемом модемом.

4. Модемы.
Модем — устройство преобразования кодов
и представляющих их электрических
сигналов при взаимодействии аппаратуры
окончания канала данных и линий связи.
Слово «модем» образовано из частей
слов «модуляция» и «демодуляция»,
что подчеркивает способы согласования
параметров сигналов и линий связи —
сигнал, подаваемый в линию связи,
модулируется, а при приеме данных из
линии сигналы подвергаются обратному
преобразованию (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Связь узлов сети с помощью
модемов

Модем выполняет функции аппаратуры
окончания канала данных. В качестве
оконечного оборудования обычно выступает
компьютер, в котором имеется приемопередатчик
— микросхема UART (Universal Asynchronous
Receiver/Transmitter). Приемопередатчик подключается
к модему через один из последовательных
портов компьютера и последовательный
интерфейс RS-232С, в котором обеспечивается
скорость 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.

5. Амплитудная
модуляция. При
амплитудной модуляции на входы модулятора
поступают сигнал V и несущая U. Например,
если сигнал есть гармоническое колебание

V = Vm*sin(W *t+j )

с амплитудой Vm, частотой W и фазой j , то
на выходе нелинейного элемента в
модуляторе будут модулированные
колебания

U_АМ=
U_m*(1+m*sin(W
*t+j ))*sin(v *t+y ),

где m = V_m/U_m
— коэффициент модуляции. На выходе
модулятора в спектре сигнала присутствуют
несущая частота v и две боковые частоты
v +W и v -W . Если сигнал занимает некоторую
полосу частот, то в спектре модулированного
колебания появятся две боковые полосы,
как это показано на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Спектры
модулирующего и модулированного сигналов
при АМ

При амплитудной модуляции во избежание
искажений, называемых качанием фронта,
нужно выполнение условия v >> W , где
v и W — соответственно несущая и модулирующая
частоты. Соблюдение этого условия при
стандартной (для среднескоростной
аппаратуры передачи данных) несущей
частоте 1700 Гц не может обеспечить
информационные скорости выше 300 бит/с.
Поэтому в модемах применяют дополнительное
преобразование частоты: сначала
производят модуляцию несущей, имеющей
повышенную частоту, например Fнд = 10 кГц,
затем с помощью фильтра выделяют спектр
модулированного сигнала и с помощью
преобразователя частоты переносят
модулирующие колебания на промежуточную
частоту, например 1700 Гц. Тогда при боковых
полосах до 1400 Гц спектр сигнала согласуется
с полосой пропускания телефонных линий.
Однако достигаемые при этом скорости
передачи данных остаются невысокими.

Скорости передачи повышаются с помощью
квадратурно-амплитудной или фазовой
модуляции за счет того, что вместо
двоичных модулирующих сигналов
используются дискретные сигналы с
большим числом возможных значений.

6. Частотная и
фазовая модуляции.
В сравнительно простых модемах применяют
частотную модуляцию (FSK — Frequency Shift Keying)
со скоростями передачи до 1200 бит/с. Так,
если необходима дуплексная связь 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 (PSK — Phase Shift Keying) двумя
уровнями сигнала (1 и 0) осуществляется
переключением между двумя несущими,
сдвинутыми на полпериода друг относительно
друга. Другой вариант PSK изменение фазы
на p /2 в каждом такте при передаче нуля
и на 3/4*p , если передается единица.

7. Квадратурно-амплитудная
модуляция. Квадратурно-амплитудная
модуляция (QAM — Quadrature Amplitude Modulation, 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.
Тогда при скорости модуляции в 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.

8. 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 связи;

эхо-компенсация — 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 (рис.2.3).

Рис. 2.3.
Эхо-компенсация

9. Многоканальная
аппаратура. В
многоканальной аппаратуре одна (или
несколько) линия связи разделяется
между сообщениями по частоте или времени.
В широкополосных аналоговых каналах
используется частотное разделение.
Каналы группируются в первичные (полоса
60…108 кГц), вторичные (312…552 кГц), третичные
(812…2044 кГц) и т.д. В группе первичных
каналов помещаются 12 каналов тональной
частоты, в группе вторичных каналов —
пять первичных групп и т.д.

В современных телекоммуникационных
технологиях большее распространение
получили цифровые каналы передачи
данных.

10. Протоколы
физического уровня для модемной связи.
Протоколы
физического уровня определяют в
телекоммуникационных технологиях
способ модуляции, направленность
передачи (дуплекс, симплекс, полудуплекс),
ориентированность на выделенный или
коммутируемый канал. Возможно отражение
в протоколах и некоторых других
характеристик передачи, например способа
исправления ошибок и/или сжатия
информации.

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.

Возможно применение квадратурно-амплитудной
модуляции. В протоколе V.22bis используются
несущие частоты 1200 и 2400 Гц, при скорости
модуляции 600 бод скорость передачи
данных составляет 2400 бит/с, так как
каждый элемент сигнала отражает одно
из 16 значений четырехбитовой комбинации
(для каждого значения — своя амплитуда).
В протоколе V.29 скорость составляет 9600
бит/с, используется четырехпроводный
выделенный канал.

В модемах, соответствующих V.32, достигается
скорость 9600 бит/с за счет фазовой
модуляции и отфильтровывания эха
собственного передатчика от принимаемых
сигналов. Специальный процессор
автоматически снижает скорость передачи
при наличии шумов в линии. Используется
помехоустойчивое кодирование.

В протоколе V.32bis при тех же несущих и
бодовой скорости пропускная способность
повышена до 14,4 кбит/с за счет комбинирования
квадратурно-амплитудной и фазовой
модуляций. Расширение V.32terbo этого
протокола уже рассчитано на скорости
16,8 и 19,2 кбит/с.

Современные высокоскоростные модемы
строятся в соответствии с протоколом
V.34 или его предшественником V.FC. 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. В протоколе V34.bis скорости могут
достигать 33,6 кбит/с.

В последнее время стали выпускаться
модемы на 56 кбит/с по технологии, названной
х2. Однако пока отсутствуют стандарты
на х2 и двукратного ускорения передачи
еще получить не удалось.

Протокол V.42 относится к стандартам,
устанавливающим способы защиты от
ошибок, а V.42bis, кроме того, — способы
сжатия данных. Наряду с протоколом V.42,
для коррекции ошибок применяют протоколы
MNP (Microcom Network Protocol).

В качестве примера организации передачи
сообщений рассмотрим протокол V.42,
являющийся вариантом протокола HDLC.

Установление соединения (вход в протокол)
происходит в асинхронном байт-ориентированном
режиме. Запрос на соединение осуществляется
посылкой двухбайтовых сигналов ОDP. Для
соединения необходимо согласие приемника
в виде посылки ответа ADP. После этого
образуется соединение, осуществляется
переход в синхронный бит-ориентированный
режим. В начале сообщения передаются
управляющие, а затем информационные
кадры.

Краткие сведения о некоторых протоколах
(двухпроводных на основе RS-232C) подытожены
ниже (указаны имя протокола, способ
модуляции, скорость в килобитах в секунду
и возможно другие особенности).

V.21_ЧМ_0.3_ для «1» используются частоты
980 и 1650 Гц, для «0» — 1180 и 1850 Гц.
V.22_ФМ_1,2_ частотное разделение прямого
и обратного каналов, несущие частоты
1200 и 2400 Гц; четыре значения фазы.
V.22bis_QAM дуплекс_2,4_ частотное разделение
каналов; QAM четырех и 16-позиционная;
модуляционная скорость 600 бод; основной
протокол для среднескоростных модемов.
V/29_ QAM _9,6_ QAM 16-позиционная, дуплекс при
выделенных каналах (четырехпроводная)
или полудуплекс при коммутируемых
каналах (двухпроводная).
V.32_QAM_9,6_ QAM 16-позиционная, выделенные
или коммутируемые каналы.
V.32bis_QAM_14,4_ QAM 128-позиционная.
V.32ter_ QAM_19,2_ QAM, дуплекс, выделенные или
коммутируемые каналы.
V.34_ QAM_ 28,8_ QAM 256-позиционная, дуплекс.

Перечисленные
протоколы предназначены для работы в
телефонных аналоговых сетях с коммутацией
каналов. Они опираются на двухпроводные
линии связи и начиная с V.29 используют
эхо-компенсацию. На выделенных телефонных
линиях с интенсивным трафиком часто
применяют четырехпроводные линии для
дуплексной и двухпроводные для
полудуплексной связи (протоколы V.23,
V.26, V.27, V.29).

В высокоскоростных выделенных каналах
можно использовать аналоговые протоколы
V.35, V.36, V.37, рассчитанные соответственно
на скорости 48, 72, 168 кбит/с.

11. Протоколы
канального уровня для модемной связи.
Центральное
место среди канальных протоколов
телекоммуникаций занимают протоколы
передачи файлов по телефонным каналам.
Функции канальных протоколов: управление
потоком данных, координация работы
передатчика с приемником. Различают
протоколы по способам обнаружения и
исправления ошибок, по реакции на
возникновение ошибок (старт-стопные и
конвейерные), по способам защиты от
несанкционированного доступа.

Способы обнаружения и исправления
ошибок рассмотрены ниже.

Старт-стопный протокол характеризуется
тем, что, прежде чем посылать новый кадр
информации, передатчик ждет подтверждения
о правильном получении приемником
предыдущего кадра, в конвейерных
протоколах такое подтверждение может
быть получено после передачи нескольких
кадров. В последнем случае меньше
задержки на ожидание подтверждений
(квитанций), но больше затраты на повторную
пересылку в случае ошибок.

Защита от несанкционированного доступа
реализуется или аппаратно в модеме, или
в связной (коммутационной) программе.

Обычно в протоколах предусматриваются
режимы командный и обмена данными.

Примеры действий, выполняемых по командам
в командном режиме: имитация снятия
трубки и ответ на вызов; имитация снятия
трубки и набора номера (после того как
связь установится, модем переходит в
режим обмена данными); переход из
дуплексного режима в полудуплексный;
отключение внутреннего динамика модема
и др.

Команды может набирать пользователь,
но в большинстве почтовых программ
типовые последовательности команд
выполняются автоматически после
обращения к соответствующим процедурам.

Стандартом «де-факто» стал набор
команд, реализуемый фирмой Hayes в своих
модемах, это так называемые AT- или
Hayes-команды.

Операции, выполняемые в режиме обмена
данными, иллюстрирует фрагмент процесса,
показанный на рис. 2.4. Имеется ограничение
на число подряд поданных сигналов ack
или nak и на время передачи.

Рис. 2.4. Процесс связи по протоколу XModem

Основой для многих протоколов модемной
связи стал протокол XModem. В базовом
варианте этого протокола используется
старт-стопное управление, размер одного
блока сообщения (пакета) равен 128 байт
и 1 байт отводится под контрольную сумму.
В варианте XModem-CRC реализован более
жесткий контроль ошибок за счет
использования циклического кода с
16-разрядной проверяющей комбинацией.
В варианте XModem-1k дополнительно введено
автоматическое увеличение длины блока
до 1024 байт при малой частоте ошибок. В
варианте YModem по сравнению с XModem-CRC
разрешена групповая передача файлов.
В наиболее распространенном протоколе
ZModem используется конвейерное управление
(иначе называемое оконным), длина пакета
автоматически меняется от 64 до 1024 байт
в зависимости от качества канала. Если
на приемном конце ZModem не поддерживается,
то автоматически протокол переходит в
Ymodem. Прерванная передача продолжается
с места прерывания.

12. Кодово-импульсная
модуляция. Кодово-импульсная
модуляция (КИМ или PCM — Pulse Code Modulation)
используется для передачи аналоговых
сигналов по цифровым каналам связи.

Этот вид модуляции сводится к измерению
амплитуды аналогового сигнала в моменты
времени, отстоящие друг от друга на dt,
и к кодированию этих амплитуд цифровым
кодом. Величина dt определяется по теореме
Котельникова: для неискаженной передачи
нужно иметь не менее двух отсчетов на
период колебаний, соответствующий
высшей составляющей в частотном спектре
сигнала. В цифровых каналах ISDN (Integrated
Services Digital Network) за основу принята передача
голоса с частотным диапазоном до 4 кГц,
а кодирование производится восемью
(или семью) битами. Отсюда получаем, что
частота отсчетов (передачи байтов) равна
8 кГц, т.е. биты передаются с частотой 64
кГц (или 56 кГц при семибитовой кодировке).

При преобразовании амплитуды А аналогового
сигнала в цифровой код К желательно
учитывать нелинейность амплитудных
характеристик приборов и иметь зависимость
К от А мнонотонно убывающей с ростом
амплитуды.

Разновидностями
КИМ являются дельта-модуляция
(ДМ),
дифференциальная
ДМ (ДДМ) и адаптивная ДМ (АДДМ). В них
передаются разности амплитуд А₁
и А₂
соседних отсчетов. При этом в ДМ А₁
— амплитуда на входе модулятора, а А₂— амплитуда
отсчета, которая соответствует переданному
сигналу в предыдущем временном такте.
Для представления разности используется
всего 1 бит (т.е. передается знак разности),
поэтому нужна достаточно высокая частота
отсчетов, чтобы не было «запаздывания»
изменений передаваемого сигнала по
сравнению с реальными изменениями.

ДДМ отличается от
ДМ тем, что знак разности А₁-А₂
передается только в момент пересечения
величиной А₁
одного из уровней квантования. В АДДМ
шаги отсчетов адаптируются к динамике
изменения величины сигнала.

13. Цифровые
каналы передачи данных. Различают
несколько технологий связи, основанных
на цифровых каналах передачи данных.

Связь ООД с АКД (например, компьютера с
модемом или низкоскоростными периферийными
устройствами) чаще всего осуществляется
при помощи последовательных интерфейсов
RS-232С, RS-422 (их аналогами в системе
стандартов ITU являются V.24, V.11), а связь
ООД с цифровыми сетями передачи данных
— при помощи интерфейсов Х.21, X.35, G.703.

Примечание:
Стандарты ITU серии V разрабатывались
для передачи информации по телефонным
линиям, а стандарты ITU серии X — для
передачи данных.

В качестве
магистральных каналов передачи данных
в США и Японии применяют стандартную
многоканальную систему Т1 (иначе DS-1).
Она включает 24 цифровых канала, называемых
DS-0 (Digital Signal-0). В каждом канале применена
кодово-импульсная модуляция с частотой
следования отсчетов 8 кГц и с квантованием
сигналов по 28= 256 уровням,
что обеспечивает скорость передачи 64
кбит/с на один канал или 1554 кбит/с на
аппаратуру Т1. В Европе более распространена
аппаратура Е1 с 32 каналами по 64 кбит/с,
т.е. с общей скоростью 2048 кбит/с. Применяются
также каналы Т3 (или DS-3), состоящие из 28
каналов Т1 (45 Мбит/с) и Е3 (34 Мбит/с)
преимущественно в частных высокоскоростных
сетях.

В Т1 использовано временное
мультиплексирование (TDM). Все 24 канала
передают в мультиплексор по байту,
образуя 192-битный кадр с добавлением
одного бита синхронизации. 24 кадра
составляют суперкадр. В суперкадре
имеются контрольный код и синхронизирующая
комбинация. Сборку информации из
нескольких линий и ее размещение в
магистрали Т1 осуществляет мультиплексор.
Канал DS-0 (один слот) соответствует одной
из входных линий, т.е. реализуется
коммутация каналов. Некоторые
мультиплексоры позволяют маршрутизировать
потоки данных, направляя их в другие
мультиплексоры, связанные с другими
каналами Т1, хотя собственно каналы Т1
называют некоммутируемыми.

При обычном
мультиплексировании каждому соединению
выделяется определенный слот (например,
канал DS-0). Если же этот слот не используется
из-за недогрузки канала по этому
соединению, но по другим соединениям
трафик значительный, то эффективность
невысокая. Загружать свободные слоты
или, другими словами, динамически
перераспределять слоты можно, используя
так называемые статистические
мультиплексоры на
основе микропроцессоров. В этом случае
временно весь канал DS-1 или его часть
отдается одному соединению с указанием
адреса назначения.

В современных сетях
важное значение имеет передача как
данных, представляемых дискретными
сигналами, так и аналоговой информации
(например, голос и видеоизображения
первоначально имеют аналоговую форму).
Поэтому для многих применений современные
сети должны быть сетями
интегрального обслуживания.
Наиболее перспективными сетями
интегрального обслуживания являются
сети с цифровыми каналами передачи
данных, например, сети ISDN.

Сети ISDN могут быть коммутируемыми и
некоммутируемыми. Различают обычные
ISDN со скоростями от 56 кбит/с до 1,54 Мбит/с
и широкополосные ISDN (Broadband ISDN, или B-ISDN)
со скоростями 155… 2048 Мбит/с. Более
перспективны B-ISDN, в настоящее время
технология B-ISDN активно осваивается.

Применяют два варианта обычных сетей
ISDN — базовый и специальный. В базовом
варианте имеются два канала по 64 кбит/с
(эти каналы называют В каналами) и один
служебный канал с 16 кбит/с (D канал). В
специальном варианте — 23 канала В по 64
кбит/с и один или два служебных канала
D по 16 кбит/с. Каналы В могут использоваться
как для передачи закодированной голосовой
информации (коммутация каналов), так и
для передачи пакетов. Служебные каналы
используются для сигнализации — передачи
команд, в частности, для вызова соединения.
Применяют специальные сигнальные
системы, устанавливающие перечень и
форматы команд. В настоящее время
основной сигнальной системой становится
система SS7 (Signaling System-7).

Очевидно, что для реализации технологий
Т1, Т3, ISDN необходимо выбирать среду
передачи данных с соответствующей
полосой пропускания.

Схема ISDN показана на рис. 2.5. Здесь
S-соединение — 4-проводная витая пара.
Если оконечное оборудование не имеет
интерфейса ISDN, то оно подключается к S
через специальный адаптер ТА. Устройство
NT2 объединяет S-линии в одну Т-шину,
которая имеет два провода от передатчика
и два — к приемнику. Устройство NT1 реализует
схему эхо-компенсации (рис. 2.3) и служит
для интерфейса Т-шины с обычной телефонной
двухпроводной абонентской линией U.

Рис. 2.5. Схема ISDN.

Примером цифровой
сети может служить Московская цифровая
наложенная сеть (МЦНС), структура которой
представлена на рис. 2.6. Здесь,
как и во многих других применениях
цифровых каналов, Т1/Е1 выполняет роль
магистрального канала передачи данных
между узловыми станциями (центрами
коммутации), а сеть ISDN используется для
подключения к магистрали и поэтому
носит название соединения «последней
мили».

Рис. 2.6. Московская цифровая наложенная
сеть

Для подключения
клиентов к узлам магистральной сети с
использованием на «последней миле»
обычного телефонного кабеля наряду с
каналами ISDN можно использовать цифровые
абонентские линии xDSL. К
их
числу
относятся
HDSL (High-bit-rate Digital Subcriber Loop), SDSL (Single Pair
Symmetrical Digital Subcriber Loop), ADSL (Asymmetric Digital
Subcriber Loop). Например,
в HDSL используются две пары проводов,
амплитудно-фазовая модуляция без
несущей, пропускная способность до 2
Мбит/с, расстояния до 7,5 км. Применяемые
для кодирования устройства также
называют модемами. Собственно ISDN можно
рассматривать, как разновидность xDSL.

14. Беспроводные
каналы связи. В
беспроводных каналах передача информации
осуществляется на основе распространения
радиоволн. В табл. 2.1 приведены сведения
о диапазонах электромагнитных колебаний,
используемых в беспроводных и оптических
каналах связи.

Таблица 2.1

Диапазон	Длины волн, м	Частоты, ГГц	Применение
Дециметровый	1..0,1	0,3..3	Сотовые радиотелефоны, ТВ, спутниковая связь, РК в ЛВС*
Сантиметровый	0,1..0,01	3..30	Радиорелейные линии, РК в ЛВС, спутниковая связь
Миллиметровый	0,01..0,001	30..300	РК в ЛВС
Инфракрасный	0,001..7,5*10-7	3102..4105	ВОЛС, WDМ**
Видимый свет	(7,5…4,0)*10-7	(4,0…7,5)*105
) РК в ЛВС — радиоканалы в локальных сетях и системах связи; *) WDM — мультиплексирование с разделением каналов по длинам волн.

Для организации канала ПД в диапазонах
дециметровых волн (902…928 МГц и 2,4…2,5 ГГц)
требуется регистрация в Госсвязьнадзоре.
Работа в диапазоне 5,725…5,85 ГГц пока
лицензирования не требует.

Чем выше рабочая частота, тем больше
емкость (число каналов) системы связи,
но тем меньше предельные расстояния,
на которых возможна прямая передача
между двумя пунктами без ретрансляторов.
Первая из причин и порождает тенденцию
к освоению новых более высокочастотных
диапазонов.

Радиоканалы входят необходимой
составной частью в спутниковые и
радиорелейные системы связи, применяемые
в территориальных сетях, в сотовые
системы мобильной связи, они используются
в качестве альтернативы кабельным
системам в локальных сетях и при
объединении сетей отдельных офисов и
предприятий в корпоративные сети. Во
многих случаях применение радиоканалов
оказывается более дешевым решением по
сравнению с другими вариантами.

В территориальных
сетях на региональном уровне часто
используются радиорелейные
линии связи
(коммутация каналов, диапазон частот
15…23 ГГц, связь в пределах прямой
видимости, что ограничивает дальность
между соседними станциями — до 50 км при
условии размещения антенн на строениях
типа башен). Последовательность станций,
являющихся ретрансляторами, позволяет
передавать информацию на значительные
расстояния.

Радиосвязь
используется в корпоративных и локальных
сетях, если затруднена прокладка других
каналов связи. Радиоканал
либо выполняет роль моста между подсетями
(двухточечное соединение), либо является
общей средой передачи данных в ЛВС по
излагаемому далее методу МДКН/ОК (см.
гл. 4), либо служит соединением между
центральным и терминальными узлами в
сети с централизованным управлением.

В первом случае (связь двух сетей)
имеем двухточечное соединение с
направленными антеннами, дальность в
пределах прямой видимости (обычно до
15-20 км с расположением антенн на крышах
зданий). Мост имеет два адаптера: один
для формирования сигналов для радиоканала,
другой — для кабельной подсети.

В случае использования радиоканала
в качестве общей среды передачи данных
в ЛВС сеть называют RadioЕthernet (стандарт
IEEE 802.11), она обычно используется внутри
зданий. В состав аппаратуры входят
приемопередатчики и антенны. Связь
осуществляется на частотах от одного
до нескольких гигагерц. Расстояния
между узлами — несколько десятков метров.

В соответствии со стандартом IEEE 802.11
возможны два способа передачи двоичной
информации в ЛВС, оба они имеют целью
обеспечить защиту информации от
нежелательного доступа.

Первый способ нзывается методом прямой
последовательности (DSSS — Direct Sequence Spread
Spectrum). В нем вводится избыточность —
каждый бит данных представляется
последовательностью из 11 элементов
(«чипов»). Эта последовательность
создается по алгоритму, известному
участникам связи, и потому может быть
дешифрирована при приеме. Избыточность
повышает помехоустойчивость, что
позволяет снизить требования к мощности
передатчика, а для сохранения высокой
скорости нужно расширять полосу
пропускания. Так, в аппаратуре фирмы
Aironet в диапазоне 2,4 ГГц имеются 4 канала
шириной в 22 МГц.

Второй
способ
— метод
частотных
скачков
(FHSS — Frequency Hopping Spread Spectrum). В
этом методе полоса пропускания делится
на 79 поддиапазонов. Передатчик через
каждые 20 мс переключается на новый
поддиапазон, причем алгоритм изменения
частот известен только участникам связи
и может изменяться, что и затрудняет
несанкционированный доступ к данным.

В варианте использования радиоканалов
для связи центрального и периферийного
узлов центральный пункт имеет
ненаправленную антенну, а терминальные
пункты при этом используют направленные
антенны. Дальность связи составляет
также десятки метров, а вне помещений
— сотни метров. Пример многоточечной
системы: ненаправленная антенна по
горизонтали, угол 30 градусов по вертикали,
5,8 ГГц — к терминалам, 2,4 ГГц — к центральному
узлу, до 62 терминалов, дальность — 80 м
без прямой видимости. В системе RoomAbout
связь на частоте 920 МГц гарантируется
на расстоянии в 120 метров, предусмотрена
защита от перехвата информации.

В условиях высоких
уровней электромагнитных помех иногда
используют инфракрасные
каналы связи.
В последнее время их стали применять
не только в цехах, но и в офисах, где лучи
можно направлять над перегородками
помещения.

Поставкой оборудования для организации
корпоративных и локальных беспроводных
сетей занимается ряд фирм, в том числе
известные фирмы Lucent Technologies, Aironet,
Multipoint Network.

В оборудование беспроводных каналов
ПД входят:

Сетевые адаптеры и радиомодемы,
поставляемые вместе с комнатными
антеннами и драйверами. Различаются
способами обработки сигналов,
характеризуются частотой передачи,
пропускной способностью, дальностью
связи.

Сетевой адаптер вставляется в свободный
разъем шины компьютера. Например, адаптер
WaveLAN (Lucent Technologies) подключается к шине
ISA, работает на частоте 915 МГц, пропускная
способность 2 Мбит/с.

Радиомодем подключается к цифровому
ООД через стандартный интерфейс.
Например, радиомодемы серии RAN (Multipoint
Networks) могут работать в дуплексном или
полудуплексном режимах; со сторны порта
данных -интерфейс RS-232C, RS-449 или V.35,
скорости до 128 кбит/с; со стороны радиопорта
— частоты 400…512 или 820…960 МГц, ширина
радиоканала 25…200 кГц.

Радиомосты используются для объединения
между собой кабельных сегментов и
отдельных ЛВС в пределах прямой видимости
и для организации магистральных каналов
в опорных сетях, выполняют ретрансляцию
и фильтрацию пакетов. Например, мост
ARLAN 640 (Aironet) взаимодействует с сетями
Ethernet, обеспечивает 2 Мбит/с

Направленные и ненаправленные антенны,
антенные усилители, и вспомогательное
оборудование типа кабелей, полосовых
фильтров, грозозащитников и т.п.

15. Спутниковые
каналы передачи данных.
Спутники в
системах связи могут находиться на
геостационарных (высота 36 тысяч км) или
низких орбитах. При геостационарных
орбитах заметны задержки на прохождение
сигналов (туда и обратно около 520 мс).
Возможно покрытие поверхности всего
земного шара с помощью четырех спутников.
В низкоорбитальных системах обслуживание
конкретного пользователя происходит
попеременно разными спутниками. . Чем
ниже орбита, тем меньше площадь покрытия
и, следовательно, нужно или больше
наземных станций, или требуется
межспутниковая связь, что естественно
утяжеляет спутник. Число спутников
также значительно больше (обычно
несколько десятков)

Структура спутниковых каналов передачи
данных может быть проиллюстрирована
на примере широкоизвестной системы
VSAT (Very Small Aperture Terminal). Наземная часть
системы представлена совокупностью
комплексов, в состав каждого из них
входят центральная станция (ЦС) и
абонентские пункты (АП). Связь ЦС со
спутником происходит по радиоканалу
(пропускная способность 2 Мбит/с) через
направленную антенну диаметром 1…3 м и
приемопередающую аппаратуру. АП
подключаются к ЦС по схеме «звезда»
с помощью многоканальной аппаратуры
(обычно это аппаратура Т1 или Е1, хотя
возможна и связь через телефонные линии)
или по радиоканалу через спутник. Те
АП, которые соединяются по радиоканалу
(это подвижные или труднодоступные
объекты), имеют свои антенны, и для
каждого АП выделяется своя частота. ЦС
передает свои сообщения широковещательно
на одной фиксированной частоте, а
принимает на частотах АП. Арендная плата
за соединение «точка-точка» через
VSAT cо скоростью 64 кбит/с составляет около
3900 долл. в месяц, что для больших расстояний
дешевле, чем аренда выделенной наземной
линии.

Примерами российских систем спутниковой
связи с геостационарными орбитами могут
служить системы Инмарсат и Runnet. Так, в
Runnet применяются геостационарные спутники
«Радуга». Один из них, с точкой
стояния 85 градусов в.д., охватывает почти
всю территорию России. В качестве
приемопередающей аппаратуры (ППА)
используются станции «Кедр-М» или
«Калинка», работающие в сантиметровом
диапазоне волн (6,18…6,22 ГГц и 3,855…3,895
ГГц соответственно). Диаметр антенн 4,8
м. Структура ЦС представлена на рис.
2.7.

В планируемой фирмой LMI на 1998-2001 г.г.
системе глобальной спутниковой связи
предусматривается 4 геостационарных
спутника. В России для этой системы
будет установлено 26-30 наземных станций
(оператор Ростелеком).

Примеры сетей с
низкоорбитальными спутниками
— система глобальной спутниковой
телефонной связи «Глобалстар». 48
низкоорбитальных (высота 1400 км) спутников
охватывают весь земной шар. Каждая
станция (наземная) имеет одновременно
связь с тремя спутниками. У спутника
шесть сфокусированных лучей по 2800
дуплексных каналов каждый. Обеспечиваются
телефонная связь для труднодоступных
районов, навигационные услуги, определение
местонахождения подвижных объектов.
Терминал обойдется в 750 долл., минута
разговора в 30-50 центов. Начало
коммерческой эксплуатации намечено на
1999 г. Другая глобальная спутниковая
сеть Iridium, имеющая и российский сегмент,
включает 66 низкоорбитальных спутников,
диапазон частот 1610-1626,5 МГц. В российской
системе Глоснасс — 24 спутника.

В 1997 г. 30% международного трафика
проходило по спутниковым каналам, 70% —
по наземным линиям.

Рис. 2.7. Схема спутниковой связи

16. Системы
мобильной связи.
Системы
мобильной связи осуществляют передачу
информации между пунктами, один из них
или оба являются подвижными. Характерным
признаком систем моюильной связи
является применение радиоканала. К
технологиям мобильной связи относятся
пейджинг, твейджинг, сотовая телефония,
транкинг, для мобильной связи используются
также спутниковые каналы.

Пейджинг — система односторонней
связи, при которой передаваемое сообщение
поступает на пейджер пользователя,
извещая его о необходимости предпринять
то или действие или просто информируя
его о тех или иных текущих событиях. Это
наиболее дешевый вид мобильной связи
(цена пейджера — около 150 долларов,
абонентская плата — 15-50 долларов в месяц).

Твейджинг — это двухстронний пейджинг.
В отличие от пейджинга возможно
подтверждение получения сообщения и
даже проведение некоторого подобия
диалога. Цена твйеджера — около 300
долларов, месячная абонентская плата
— около 80 долларов.

Сотовые технологии обеспечивают
телефонную связь между подвижными
абонентами (ячейками). Связь осуществляется
через посредство базовых (стационарных)
станций, выполняющих коммутирующие
функции.

Одна из первых систем сотовой связи
NMT-450 появилась в Скандинавии,(NMT — Nordic
Mobile Telephone). В России она развивается c
1991 г. , на ее базе создана федеральная
сеть сотовой связи СОТЕЛ.

NMT-450 — система аналоговая, работающая
в частотном диапазоне 453-468 МГц. Сравнительно
низкие частоты обусловливают повышенную
дальность прямой связи ( несколько
десятков километров подвижного объекта
от базовой станции) и потому в России с
ее большой территорией эта система
получила широкое распространение в
районах с невысокой плтностью населения.
Однако на этих частотах слабее
помехоустойчивость, труднее выполнить
защиту от подслушивания и, как уже
сказано выше, остро ощущуется дефицит
числа каналов.

Поэтому в городах в настоящее время
более распространены цифровые системы
сотовой связи.

Диапазон скоростей в цифровых системах
сотовой связи довольно широк — от 19,2
кбит/с (в американском стандарте CDPD —
Cellular Digital Packet Data) до 1,23 Мбит/с (в другом
стандарте CDMA — Code Division Multiple Access). Типичный
радиус действия 10…12 км. Доступ к
радиоканалу осуществляется одним из
следующих способов.

1. Случайный доступ (метод Алоха, назван
так в связи с первым применением метода
для связи между группой Гавайских
островов). Применяется только при малых
нагрузках. Его развитием стал метод
МДКН/ОК , используемый в локальных и
корпоративных сетях.

2. Технология CDMA — выделение для каждого
абонента своей кодовой комбинации,
которой кодируются символы 1 и 0
передаваемых сообщений. Фактически это
метод DSSS, рассмотренный выше. Это
широкополосная технология с возможностью
одновременной передачи в отведенной
полосе частот нескольких сообщений с
различными кодами символов.

3. Технология TDMA (Time Division Multiple Access) —
временное мультиплексирование с
выделением слота по требованию. Требования
отсылаются в короткие интервалы времени
(слоты запросов), при коллизиях запросы
повторяются. Базовая станция выделяет
свободные информационные слоты, сообщая
их источнику и получателю.

Разработано несколько стандартов
мобильной связи.

Одна из концепций передачи данных по
сотовой технологии зафиксирована в
стандарте CDPD, разработанном в 1993 г. В
соответствии с ней по сотовой связи
осуществляется передача телефонных
разговоров с вставкой в паузы передаваемых
пакетов данных. Оборудование ячейки —
портативный компьютер с модемом. Для
уменьшения потребления энергии от
источника питания используется «спящий»
режим, в котором включен только приемный
блок, распознающий адрес. При передаче
данные сжимаются (по протоколу V.42bis) и
шифруются. Возможно использование
клиентской программы электронной почты
(например, RadioMail). Если ячейка имеет
IP-адрес для связи с сетью Internet, то
дополнительно можно использовать
протокол FTP этой сети для пересылки
файлов. Сигналы от ячеек принимаются
стационарным узлом, имеющим приемопередающую
аппаратуру и антенну.

В европейском стандарте цифровой
беспроводной связи DECT применено временное
мультиплексирование. Базовая станция
(рис. 2.8) имеет 10 несущих частот с 24
ячейками (слотами) на каждой из них (т.е.
одновременно используются и FDM, и TDM).
Предусмотрены автоматический поиск
свободного канала и переключение на
новые каналы. Частоты в диапазоне
1,8…1,9 ГГц. Мощность передатчика базовой
станции 10 мВт или выше.

Рис. 2.8. Схема сотовой телефонной связи

Одной из наиболее
широко распространенных технологий
мобильной связи (в том числе и в России)
является технология, соответствующая
стандарту для цифровых сетей сотовой
связи GSM (Global
System for Mobile Communications),
основанному на TDMA. GSM может поддерживать
интенсивный трафик (270 кбит/с), обеспечивает
роуминг (т.е. автоматическое отслеживание
перехода мобильного пользователя из
одной соты в другую), допускает интеграцию
речи и данных и связь с сетями общего
пользования. Используются
разновидности: сотовая связь GSM-900 в
частотном диапазоне 900 МГц (более точно
890-960 МГц), и микросотовая связь GSM-1800
(DCS-1800) в диапазоне 1800 МГц (1710-1880 МГц).
Название микросотовая обусловлено
большим затуханием и, следовательно,
меньшей площадью соты. Однако увеличение
числа каналов выгодно при высокой
плотности абонентов.
Мощность излучения мобильных телефонов
— 1-2 Вт.

Архитектура GSM-системы аналогична
архитектуре рис. 2.8. В каждой соте
действует базовая станция BTS (Base
Transciever Station), обеспечивающая прием и
передачу радиосигналов абонентам. BTS
имеет диапазон частот, отличный от
диапазонов соседних сот. Мобильная
ячейка прослушивает соседние BTS и
сообщает контроллеру базовых станций
(BSC — Base Station Controller) о качестве приема с
тем, чтобы BSC мог своевременно переключить
ячейку на нужную BTS. Центр коммутации
(MSC — Mobile services Switching Centre) осуществляет
коммутацию и маршрутизацию, направляя
вызовы нужному абоненту, в том числе во
внешние сети общего пользования. В базе
данных хранятся сведения о местоположении
пользователей, технических характеристиках
мобильных станций, данные для идентификации
пользователей.

В перспективе
предполагается использовать широкополосный
B-ISDN на основе стандарта UMTS (Universal Mobile
Telecommunication Systems) с
глобальным роумингом.

Мобильная связь для предприятий (т.е.
ведомственная или профессиональная)
может отличаться от сотовой связи
индивидуальных пользователей. Такую
ведомственную связь называют транкинговой
(или транковой). Для транкинговой связи
характерны следующие особенности:

связь внутри некоторой группы (бригады)
и групповой вызов от центра ко всем
членам группы;
наличие приоритетности;
скорость соединения должна быть выше,
чем в обычных сотовых системах;
возможность выхода в телефонную сеть
общего пользования имеет меньшее
значение, во многих случаях она вообще
может отсутствовать;
преимущественная передача данных, в
некоторых случаях голосовая связь не
нужна; чаще используется полудуплексная
передача.

В результате растет оперативность
связи при уменьшенной цене.

Наиболее распространены два протокола
транкинговой связи: аналоговый МРТ-1327
и цифровой TETRA.

В иерархической структуре системы
транкинговой связи используются базовые
станции (BS) и центры коммутации (DXT). BS
обслуживает одну зону и имеет от одной
до нескольких несущих частот, отличных
от частот соседних зон. В TETRA применяется
метод TDMA с несколькими слотами на каждой
из несущих. Так, в системе TETRA Nokia
используется 64 несущих и 256 радиоканалов.
В системах, работающих по протоколу
МРТ-1327, обычно используется несколько
частотных поддиапазонов в пределах
80-800 МГц с выделением каналов шириной в
12,5 кГц. Очевидно, что чем меньше частота,
тем больше площадь охватываемой зоны,
но меньше число каналов.

17. Оптические
линии связи. Оптические
линии связи реализуются в виде
волоконно-оптических линий связи (ВОЛС).
Конструкция ВОЛС — кварцевый сердечник
диаметром 10 мкм, покрытый отражающей
оболочкой с внешним диаметром 125…200
мкм. Типичные характеристики ВОЛС:
работа на волнах 0,85…1,55 мкм, затухание
0,7 дБ/км, полоса частот — до 2 ГГц;
ориентировочная цена — 4…5 долл. за 1 м.
Предельные расстояния D для передачи
данных по ВОЛС (без ретрансляции) зависят
от длины волны излучения L: для L=850 нм
имеем D=5км, а для L=1300 нм D=50 км, но
аппаратурная реализация дороже.

ВОЛС являются основой высокоскоростной
передачи данных, особенно на большие
расстояния. Так, в настоящее время (1997
г.) реализуется проект кругосветного
канала передачи данных на ВОЛС длиной
в 27,3 тыс. км, кабель должен пройти по дну
трех океанов, Средиземного и Красного
морей, информационная скорость 5,3 Гбит/с.

Именно на ВОЛС достигнуты рекордные
скорости передачи информации. В
экспериментальной аппаратуре с
использованием метода мультиплексирования
с разделением каналов по длинам волн
(WDM — Wavelengths Division Multiplexing) достигнута
скорость 1100 Гбит/с на расстоянии 150 км.
В одной из действующих систем на основе
WDM передача идет со скоростью 40 Гбит/с
на расстояния до 320 км.

В методе WDM выделяется
несколько несущих частот (каналов). Так,
в последней упомянутой системе имеются
16 таких каналов вблизи частоты 4*10⁵ГГц, отстоящих
друг от друга на 10³
ГГц, в каждом канале достигается скорость
2,5 Гбит/с.

**************************************************************************

1.1. Особенности канала связи

1.2. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

1.3. Методы мультиплексирования потоков данных

1.3.1. Частотное мультиплексирование

1.3.2. Временное мультиплексирование

1.3.3. Временное мультиплексирование двоичных потоков данных

1.4. Кодирование цифровых данных в ИКМ системах

1.4.1. Практические методы формирования цифровой последовательности

1.4.2. Методы двоичного кодирования и ошибки квантования

1.4.3. Параметры стандартных ИКМ систем

1.4.4. Практические методы линейного кодирования потока данных в канале

1.5. Цифровые иерархии скоростей передачи

1.5.1. Схемы плезиохронной цифровой иерархии — PDH

1.5.2. Особенности плезиохронной цифровой иерархии

1.5.3. Недостатки плезиохронной цифровой иерархии

1.5.4. Синхронные иерархии SONET/SDH

С момента изобретения телефона в 1875 году, ставшего отправной точкой в развитии телефонной связи, методов и технологий передачи голоса, прошло сто лет прежде чем в 1975 году появился первый микрокомпьютер. Все это время системы связи были аналоговыми (в мире — практически вплоть до середины 60-х, в России до середины 70-х годов) [1,2]. Цифровых систем связи практически не было, несмотря на то, что ИКМ была известна с 1937 года [3], а специализированные цифровые компьютеры — с 1939 года. Несмотря на то, что импульсные методы модуляции интенсивно развивались с начала 40-х в связи с развитием радиолокации [4], ИКМ не находила широкого практического применения ввиду громоздкости цифрового оборудования, вплоть до появления в 1959 году компьютеров второго поколения, использующих транзисторы в качестве элементной базы.

Начало использования цифровых технологий в сетях передачи данных связано с ИКМ, а именно, с системами цифровой телефонии на основе кабельных сетей связи, используемыми для передачи голоса.

Первой коммерческой цифровой системой передачи голоса, использующей ИКМ и методы мультиплексирования с временным разделением каналов, считают систему компании Bell System (США), установленную в Чикаго в 1962 году. Система давала возможность передавать 24 голосовых канала по медному кабелю, проложенному между офисами компании Bell System. Каждый голосовой канал использовал скорость передачи 64 кбит/с, все каналы объединялись с помощью мультиплексора в единый поток двоичных данных со скоростью 1536 кбит/с, а с учетом служебного канала (8 кбит/с) этот поток приобретал скорость 1544 кбит/с. Он, благодаря последующей стандартизации, и стал известен как канал DS1 или Т1, принятый далее в США за первый (или первичный) уровень мультиплексирования для систем цифровой телефонии. Это было уже время появления ЭВМ третьего поколения (IBM System 360, 1963 год), принесших с собой концепцию канала ввода/вывода с развитой системой мультиплексоров ввод/вывода, используемых для организации коммерческих компьютерных систем цифровой передачи данных, а также для объединения компьютеров в локальные сети.

Однако только стремительное развитие микропроцессорной техники и технологии, зародившейся в 1971 году с появлением первого микропроцессора компании Intel, сделало возможным реальное внедрение цифровой техники в телекоммуникационные системы и привело к широкому распространению и развитию компьютерных сетей, давших вторичный мощный импульс развитию сетей передачи данных на основе ИКМ.

Сетевые компьютерные технологии, разработанные первоначально на основе ЭВМ общего назначения, или мэйнфреймов, вот уже около 15 лет применяются для объединения в сеть персональных компьютеров, или ПК. Широкое использование сетевых технологий стало доступно только тогда, когда производительность и функциональные возможности микропроцессоров выросли настолько, чтобы удовлетворить высоким требованиям по управлению сетью связи.

Сетевые цифровые технологии развивались до последнего времени параллельно для глобальных и локальных сетей. Технологии глобальных сетей были направлены в основном на развитие цифровых телефонных сетей, используемых для передачи голоса. Технологии локальных сетей — напротив, использовались, в основном, для передачи данных.

Развитие цифровых телефонных сетей шло по линии уплотнения каналов, как за счет мультиплексирования низкоскоростных первичных каналов Т1, так и за счет использования более рациональных методов модуляции, например, использования дифференциальной ИКМ и ее модификаций, позволивших применять для передачи голосового сигнала скорости 32, 16 и 8 кбит/с.

Развитие схем мультиплексирования привело к возникновению трех цифровых иерархий с разными (для разных групп стран) уровнями стандартизованных скоростей передачи или каналов: DS2 или Т2/Е2, DS3 или ТЗ/ЕЗ, DS4 или Т4/Е4. Эти иерархии, названные плезиохронными (т.е. почти синхронными) цифровыми иерархиями PDH (ПЦИ), широко использовались и продолжают использоваться как в цифровой телефонии, так и для передачи данных.

Развитие технологий скоростных телекоммуникаций на основе PDH привело к появлению в последнее время двух наиболее значительных новых цифровых технологий: синхронной оптической сети SONET (СОС), и синхронной цифровой иерархии SDH (СЦИ), иногда рассматриваемых как единая технология SONET/SDH, расширившая диапазон используемых скоростей передачи до 40 Гбит/с. Эти технологии были ориентированы на использование волоконно-оптических кабелей (ВОК) в качестве среды передачи.

Технологии локальных сетей, ориентированных на передачу данных, а не голоса, развивались не по линии уплотнения каналов, а по линии увеличения полосы пропускания каналов передачи данных, необходимой для передачи не только текстовых, но и графических данных, а сейчас и данных мультимедиа. В результате используемые на начальном этапе развития сетевые технологии ARCnet, Ethernet и Token Ring, реализующие скорости передачи 2-16 Мбит/с в полудуплексном режиме и 4-32

Для передачи голоса или данных, рассматриваемых в общем случае как сигнал, имеющий определенные характеристики, используется канал связи, организуемый между передатчиком и приемником. Один из основных вопросов заключается в том, может ли этот сигнал быть принят без искажений. Если нет, то насколько он искажается при прохождении по каналу связи. Уровень допустимых искажений сигнала, а точнее отношение сигнал/шум, согласно известной формуле Шеннона-Хартли [1], определяет, наряду с шириной полосы пропускания, емкость канала связи или допустимую скорость передачи сигнала. Аналоговый сигнал, непосредственно передаваемый по каналу связи, может быть искажен по амплитуде, фазе и частоте или временному масштабу. Эти искажения являются следствиями естественных или искусственных ограничений канала связи, например на динамический диапазон и полосу пропускания.

При передаче сигнала на дальние расстояния энергетически выгодно использовать высокочастотную несущую, параметры которой модулируются передаваемым сигналом. Для передачи голоса по каналам связи обычно используют два метода модуляции несущей: амплитудную(AM) и частотную (ЧМ). В процессе модуляции (а это операция нелинейная) симметрично несущей f₀ появляются левые и правые боковые частоты to ± nDf, здесь Dt — основная полоса частот, занимаемая сигналом. Для AM n = 1, для ЧМ л зависит от индекса модуляции и может быть принято равным, например, 7 [1]. Полоса частот, занимаемая модулируемым сигналом (или его спектр), которая и составляет в этом случае требуемую ширину полосы частот канала передачи, равна для AM 2Df, a для ЧМ 14Df ЧМ передача позволяет существенно уменьшить искажения передаваемого сигнала, особенно в канале с паразитной амплитудной модуляцией и затуханиями амплитуды, каким является радиоэфир, однако требует и существенного (в нашем случае в 7 раз) расширения требуемой полосы частот канала связи. На это идут, если передаваемый сигнал один, как например в УКВ ЧМ трансляции, которая позволяет передавать 15 кГц речевого спектра, но требует полосы канала 210 кГц [1]. AM трансляция передает основную полосу частот — 5 кГц, требуя полосы канала всего 10 кГц.

Системы связи ассоциируются у нас с системами передачи голоса или телефонной связи, которые только в последнее время в связи с развитием модемной и факсимильной связи стали использоваться для передачи данных. Ясно, что эти системы рассчитывались и оптимизировались на передачу речи. Из экономических соображений системы телефонной связи строились как многоканальные системы, использующие различные методы уплотнения каналов для передачи по кабелю все большего и большего числа каналов (телефонных разговоров) одновременно. Из приведенного выше примера ясно, что при выборе метода модуляции предпочтение было отдано AM. Более того основная полоса частот передаваемого речевого спектра была оптимизирована по индексу артикуляции (принятому равным 0.7), соответствующему уровню разборчивости слов 85-90%, и составила 3100 Гц. Эта полоса размещалась в диапазоне 300-3400 Гц [1].

Учитывая, что указанная полоса частот должна фильтровываться реальным, а не идеальным, аналоговым полосовым фильтром, имеющим конечную крутизну спада частотной характеристики в переходной полосе, было предложено использовать полосу в 4 кГц в качестве расчетной ширины основной полосы стандартного телефонного канала (защитная полоса между двумя соседними каналами при этом составляет 900 Гц).

1.2. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

Наряду с использованием аналоговых (AM) можно использовать импульсные методы модуляции, в частности, амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), что позволяет улучшить энергетические характеристики процесса передачи в целом, если учесть, что длительность излучаемого импульса может быть мала по сравнению с периодом несущей. Импульсные методы модуляции основаны на процессе дискретизации передаваемого аналогового сигнала, т.е. использовании последовательности выборок (выборочных значений) аналогового сигнала, взятых периодически с частотой дискретизацииfд. Она выбирается из условия возможности последующего восстановления аналогового сигнала без искажений из дискретизированного сигнала с помощью фильтра нижних частот. Для сигнала с ограниченным спектром, к которому относится и сигнал стандартного телефонного канала, имеющий частоту среза fcp = 4 кГц, применима теорема Котельникова-Найквиста, определяющая fд = 2 fcр. Отсюда получаем, что для стандартного телефонного канала частота дискретизации составляете 8 кГц (т.е. выборки аналогового сигнала следуют с периодом дискретизации Тд = 125 мкс).

Следующим логичным шагом может быть квантование амплитуд импульсных выборок — процесс определения для каждой выборки эквивалентного ей численного (цифрового) значения. Указанные два шага (дискретизация и квантование) определяют процессы, осуществляемые при импульсно-кодовой модуляции. Они позволяют перейти от аналогового представления речевого сигнала к цифровому.

Численное значение каждой выборки в этой схеме может быть далее представлено (закодировано) в виде 7 или 8 битного двоичного кода (на практике при использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП) двоичное кодирование осуществляется непосредственно при квантовании). Такое кодирование (часто называемое кодификацией) дает возможность передать 128 (2⁷) или 256 (2⁸) дискретных уровней амплитуды речевого сигнала, обеспечивая качественную передачу речи формально с динамическим диапазоном порядка 42 или 48 дБ. Учитывая, что выборки должны передаваться последовательно, получаем двоичный цифровой поток со скоростью 56 кбит/с (8 кГц х 7 бит) в случае 7 битного кодирования или 64 кбит/с (8 кГц х 8 бит) в случае 8 битного кодирования.

Указанные шаги преобразования для формирования ИКМ представлены на рис. 1-1.

Использование ИКМ (известной с 1938г., но реализованной только в 1962г.) в качестве метода передачи данных позволяет:

— для систем цифровой телефонии — ликвидировать недостатки, присущие аналоговым методам передачи, а именно:

— убрать существенное затухание сигнала и его изменение в сеансе связи и от сеанса к сеансу;

— практически убрать посторонние шумы;

— улучшить разборчивость речи и увеличить динамический диапазон передачи;

— для систем передачи данных — организовать канал передачи данных на скорости 56 или 64 кбит/с.

1.3. Методы мультиплексирования потоков данных

Первые системы телефонной связи использовали отдельные линии передачи для организации каждого канала. Идеи организации передачи нескольких телеграфных каналов по одной линии или идеи мультиплексирования были впервые осуществлены еще в 1918 с помощью механического коммутатора. Под мультиплексированием (связисты используют термин уплотнение) будем понимать объединение нескольких меньших по емкости входных каналов связи в один канал большей емкости для передачи по одному выходному каналу связи. При реализации такого объединения телефонных каналов одной из основных задач является устранение взаимного влияния соседних каналов. До последнего времени широко использовались два метода мультиплексирования:

— мультиплексирование с частотным разделением каналов (частотное мультиплексирование/уплотнение);

— мультиплексирование с временным разделением каналов (временное мультиплексирование/уплотнение).

1.3.1. Частотное мультиплексирование

При частотном мультиплексировании полоса частот выходного канала делится на некоторое число полос (подканалов) n, соответствующих по ширине основной полосе стандартного телефонного канала 4 кГц. Например, на рис. 1-2 показана такая группа из четырех каналов с полосой 4 кГц, отведенной под каждый канал, и частотами, сдвинутыми на 60 кГц в результате амплитудной модуляции.

Каждый канал имеет фактическую полосу пропускания 3.1 кГц и формируется полосовыми фильтрами с частотами среза, сдвинутыми на 4 кГц относительно друг друга. Например, фильтр первого канала имеет частоты среза 60.3 и 63.4 кГц, второго — 64.3 и 67.4 кГц. При больших уровнях .си^ гнала в каналах защитной полосы 900 Гц между каналами недостаточно для устранения перекрестной наводки (телефонного разговора) от соседних каналов.

Для формирования канальных групп используется процедура ОБП-ПН — модулирования несущей и поднесущих по амплитуде с подавлением одной боковой полосы (левой или правой) и подавлением несущей. Схема формирования канальных групп может быть разной. Стандарт CCITT рекомендует следующую систему группирования [1]:

• основная канальная группа (называемая связистами первичной группой) — 12 стандартных телефонных каналов;

• основная супергруппа (называемая вторичной группой) — 5 канальных групп (т.е. 60 каналов);

• мастергруппа (называемая третичной группой) — 5 супергрупп (т.е. 300 каналов) или 10 супергрупп (т.е. 600 каналов), или 16 супергрупп (т.е. 960 каналов)

Различное число мастергрупп и супергрупп может быть использовано в процессе группировав ния, образуя мультимастергруппы (называемые четвертичными группами). Формирование основной канальной группы показано на рис.1-3, где используется двухступенчатая схема: на первой формиру^-ется группа из трех (правых) каналов ОБП — путем модуляции поднесущих 12, 16 и 20 кГц, на второй — канальная группа из 12 (левых) каналов ОБП — путем модуляции поднесущих 84, 96, 108 и 120 кГц. В результате формируется канальная группа с шириной полосы 48 кГц (60-108 кГц), которая используется для модуляции 5 несущих (420, 468, 512, 564, 612 кГц) при формировании супергруппы с шириной полосы 210 кГц (312-522 Гц)и.т.д.

1.3.2. Временное мультиплексирование

Частотное мультиплексирование достаточно сложно в реализации и настройке (как и все аналоговые метод;)При’использовании ИКМ наиболее удобной является схемамультиплексирования с временным

разделением каналов, или, кратко, схема временного мультиплексирования разделением ресурсов с помощью коммутатора (на передающей стороне) который последовательно подключает каждый входной канал на определенный временной интервал (его называют также «тайм-слот» или интервал коммутации», или «цикл»), необходимый для посылки выборки (или какой то фиксированной части) сигнала в данном канале. Сформированный таким образом поток выборок от разных входных каналов направляется в канал связи. На его приемной стороне демультиплексор с помощью аналогичного коммутатора и фильтров нижних частот выделяет отдельные выборки и распределяет их по соответствующим каналам. Важно то, что коммутаторы на передающей и приемной сторонах должны работать синхронно, т.е. должны быть синхронизированы. Схема временного мультиплексирования выборок приведена на рис. 1-4.

Для ИКМ в телефонных сетях коммутатор должен обращаться с периодом равным периоду дискретизации Тд тогда интервал коммутации канала Dtк = Тд / n, где n — число входных каналов мультиплексора, или Dtк = 125 / n [мкс]. Если мультиплексируются 24 канала, то Dtк — 5.208(3) мкс, если 32 канала, то Dtк = 3.90625 мкс. Однако введенное понятие интервала коммутации как фикси-рованной величины верно в идеальном случае. На практике в ряде случаев оно условно, а сам процесс коммутации может быть неравномкрным.

Действительно, для синхронизации коммутаторов должен использоваться некий синхроимпульс или его цифровой аналог (например последовательность вида «11…11» определенной длины).

Если он передается по какому-то внещнему каналу управления, то рассмотренная схема идеального мультиплексирования абсолютно верна, если же используется внутриканальная синхронизация, то процесс синхронизации сводится к вставке так называемого выравнивающего, бита или группы бит после m выборок, либо организации более сложной повторяющейся структуры в потоке выборок, включающей m выборок и k полей определенной длины или выравнивающих бит. Эта структура может быть разной, но она фиксирована для конкретной схемы кодирования ИКМ и носит название кадр или фрейм (frame), в терминологии связистов «цикл». Несколько фреймов могут объединятся в еще более общую структуру называемую мультифреймом (multiframe), в терминологии связистов «сверхцикл».

Период повторения фрейма — это время, требуемое на один полный цикл коммутации с учетом времени вставки выравнивающей группы бит. Пример его вычисления при наличии выравнивающей группы бит рассмотрен более подробно в 1.4.2.

Другим непривычным моментом (в казалось бы ясной схеме временного мультиплексирования, используемой в компьютерных системах) является либо наличие в поле выборки бита сигнализации, уменьшающего разрядную сетку выборки на один бит (с 7 до 6 или с 8 до 7), либо использование для целей сигнализации целых интервалов коммутации или тайм-слотов.

1.3.3. Временное мультиплексирование двоичных потоков данных

При использовании систем цифровой телефонии для передачи данных на входе мультиплексора нет речевых сигналов, которые нужно дискретизировать и квантовать, а есть уже сформированный поток двоичных данных. Для него схема временного мультиплексирования может быть конкретизирована. Она практически совпадает с процедурой мультиплексирования в компьютерных системах. Итак, на входе мультиплексора имеются л входных двоичных последовательностей (происхождение которых может быть и не связано с выборками), поэтому коммутатор мультиплексора может последовательно отбирать из каналов любую логически осмысленную для данной сетевой технологии последовательность бит, составляя из них выходную последовательность. Этот процесс называется интерливингом (interleaving), или чередованием. Различают следующие виды интерливинга:

• бит-интерливинг или чередование битов — на выход последовательно коммутируется по одному биту из каждого канала;

• байт-интерливинг или чередование байтов — на выход последовательно коммутируется по одному байту из каждого канала;

• символьный интерливинг или чередование символов — на выход последовательно коммутируется по одному символу (один ниббл или поле длиной 7 бит (ASCII код — американская версия), или поле длиной 8 бит — байт или октет (ASCII код — международная версия) из каждого канала;

• блок-интерливинг или чередование блоков — на выход последовательно коммутируется по одному блоку (который может быть длиной в несколько байтов или может быть полем целократ-ным другому стандартному формату) из каждого канала.

Схема временного мультиплексирования четырех двоичных потоков данных входных показана на рис. 1-5. Для примера выбран вариант бит-интерливинга, где в используемых об( значениях: 1_1К … 1_4К, 4_!К … 4_4К. цифры 1, 2, 3, 4 соответствуют номерам бит, а индексы — homi рам каналов. Стрелкой указано направление потока бит.

1.4. Кодирование цифровых данных в ИКМ системах

1.4.1. Практические методы формирования цифровой последовательности

Рассмотрим простой пример дискретизации в системе ИКМ с n-канальным мультиплексированием, внутриканальной синхронизацией (путем вставки синхро-группы из k бит после m фреймов) и линейного симметричного квантования с числом уровней l. Для примера выберем п=4, k=4, m=2, l=8. Условимся, что мгновенное значение сигнала изменяется в интервале (-4,+4). Пример иллюстрируется рис. 1-6. Для компактности все процессы дискретизации, квантования, кодификации, мультиплексирования и выравнивания показаны на одном рисунке.

ИКМ система последовательно выполняет следующие стандартные функции:

— дискретизацию сигнала в каждом из четырех каналов (к1 — к4) с частотой /ц (конкретное значение не играет роли) в последовательные нормированные моменты времени О (к1), 1 (к2),2(к3),3(к4),4(к1)ит.д. При отсутствии выравнивания выборки берутся периодически с периодом дискретизации 4 единицы, например, для к1 — в моменты: 0, 4, 8, 12, … , для к2: 1, 5, 9, 13, … и т. д., что соответствует фрейму, состоящему из 4 тайм-слотов;

— квантование выборок сигнала каждого канала, т.е. отображение непрерывного множества значений амплитуд выборок а из интервала (-4,+4) на дискретное множество из 8 уровней квантования, либо 0, 1, …, 7 — одностороннее (несимметричное) отображение (однополярный сигнал), либо, например, -3, -2, …. +4 — двустороннее (симметричное с точностью до уровня) отображение (двухполярный сигнал);

— двоичное кодированиние, или кодификацию (см. термин в 1.6.) квантованных значений. При схеме кодирования: знак-номер уровня и 8 уровнях квантования достаточно 4 бита на выборку: 1 знаковый бит и 3 бита на формирование двоичного номера уровня (2^3 = 8). Используем простой алгоритм отображения множеств, или алгоритм кодификации: если n-1 < а < n, то a=n для всех а. Следовательно, если а = 3.55, то-есть, если 3 < а < 4, то а = 4, а если а = -0.78, т.е. -1 < а < О, то а = О. В результате требований симметричности квантования, получаем поток бит, показанный на рис, 1-6, где -3 —> 1011, …, 0 —> 0000, … , +4 —> 0100;

— мультиплексирование каналов по схеме: объединение 4 каналов на входе в один канал на выходе — 4:1 — т.е. с чередованием выборок отдельных каналов для создания потока бит выходного канала. Без учета синхронизации процесс мультиплексирования создает регулярный поток фреймов, состоящих из четырех выборок. Его регулярность нарушается необходимостью синхронизации, которая при внутриканальной синхронизации сводится к вставке синхрогруппы после m фреймов -этот процесс называется выравниванием фрейма. Для выравнивания по нашей схеме необходимо сформировать мультифрейм — структуру состоящую из двух фреймов, что еще больше осложняет процесс мультиплексирования;

— выравнивание фрейма (а точнее мультифрейма) осуществляется путем формирования и вставки легко идентифицируемой синхрогруппы «1111» (не используемой в процессе кодификации) после двух регулярных фреймов, для чего выделяется один дополнительный тайм-слот. В результате на приемной стороне происходит синхронизация приемника с передатчиком, а повторяющаяся структура — результирующий мультифрейм — принимает вид: 8 выборок + синхрогруппа = 9 тайм-слотов. Можно ввести также понятие результирующий фрейм — формальный параметр, равный 9/2=4.5, показывающий, что период повторения регулярного фрейма изменился с 4 до 4.5 тайм-слотов. Из этого ясно, что мультиплексирование осуществляется «регулярно в среднем», с периодом повторения 4.5 слота, формируя за цикл один результирующий фрейм. Физически же информационные выборки формируются нерегулярно. Например, выборки в к1, берутся теперь в моменты времени 0, 4, 9, 13, 18, 22, 27, и т.д. .

Общий вид четырех входных сигналов, с выборками, взятыми последовательно в моменты времени 0, 1, 2, 3, и т. д., и их квантованные значения, полученные в результате кодификации, с учетом выравнивания, показаны на рис. 1-6. Сформированный таким образом поток бит приведен в нижней части рисунка.

На приемной стороне происходит демультиплексирование указанной последовательности так, что в канал к1 попадут только квантованные кодифицированные выборки, взятые в моменты: 0, 4, 9, 13, 18, 22, … . Из них затем (если нужно) и будут восстановлены с помощью фильтрации фильтрами нижних частот (ФНЧ) исходные аналоговые сигналы.

1.4.2. Методы двоичного кодирования и ошибки квантования

Для цифровых систем, как и для аналоговых, существуют шумы канала связи и шумы, возникающие в процессе преобразования сигнала, а значит и к ним применимы такие понятия, как отношение сиг-чал/шум и динамический диапазон.

Специфическими для цифровых систем являются шумы квантования. На рис. 1-7, например, показана разность между идеальным и реальным преобразованным сигналами — искажение, квалифицированное как шум, возникающий при линейном квантовании. Неприятной особенностью является то, что амплитуда искажений не зависит от амплитуды сигнала, делая наиболее уязвимой передачу сигналов низкого уровня. Ясно, что для уменьшения искажений нужно увеличивать число уровней квантования, но, в отличие от звуковых Hi-Fi систем, где используется 16, 18 и 20 бит на выборку, в цифровых системах связи выше 8 бит на выборку практически не используют, чтобы не увеличивать максимально необходимую скорость передачи.

Для улучшения ситуации используют методы нелинейного двоичного кодирования при квантовании (нелинейной кодификации). Они идейно основаны на методах компандерного расширения динамического диапазона при передаче по каналу связи с ограниченным динамическим диапазоном, используемых в аналоговых системах (например, в системах магнитной записи). В них на входе системы сигнал сжимается с помощью компрессора до уровня, приемлемого для передачи по каналу связи, а на выходе из канала связи сигнал с помощью эспандера (осуществляющего обратное преобразование) восстанавливается (см. рис. 1-8).

Для реализации такой схемы нелинейной кодификации, достаточно выбрать требуемую степень компрессии и закон нелинейного преобразования, а затем решить проблему аппроксимации функции, соответствующей выбранному закону преобразования.

Для нелинейных (прямого и обратного) преобразований входа/выхода идеально подходит пара ехр(х) — lп(х). Ее и апроксимируют затем по методу близкому к линейной неравномерной адаптивной аппроксимации, оптимально выбирая число и наклон прямолинейных аппроксимирующих сегментов. В результате получают некий закон, который, будучи стандартизован, используется в коммерческих системах. Используются два таких закона для симметричного входного сигнала: А-закон (параметр А) и μ-закон (параметр μ), ниже х — вход, у — выход:

А-закон: y=sgn(x)[z/(1+lnA)], где z=А /х/ для 0≤х≤1/А или z=1+lnA /х/ для (1/А)</х/≤1;

μ.-закон: y=sgn(x)[ln(1+μ|x|) / ln(1+μ)].

А-закон (А=87.6) используется в европейских системах ИКМ и дает минимальный шаг квантования 2/4096, mu-закон используется в американских системах ИКМ (D1 с μ=100 и D2 с μ=255), давая минимальный шаг квантования 2/8159 (см. ITU-T Rec. G.711 [30]). Указанный подход позволяет добиваться отношения сигнал/шум (С/Ш) 30 дБ в динамическом диапазоне 48 дБ, что соответствует эквивалентной схеме кодирования с 13 битами на выборку.

1.4.3. Параметры стандартных ИКМ систем

Существует несколько реализации ИКМ систем, признанных в качестве стандартных:

— Т1 (AT&T, США, 1962), позднее названная Bell D1 — 24-канальная система с выходным потоком Т1 = 1544 кбит/с;

— D2 (Bell, США) — 24-канальная система, описана в ITU-T Rec. G.733 [31];

— U.K. (Англия) — 24-канальная система с выходным потоком 1536 кбит/с;

— СЕРТ (Европа) — 30-канальная система с выходным потоком Е1 = 2048 кбит/с, описана в ITU-

Т Rec. G.732 [32]. Параметры этих систем сведены в таблицу 1-1:

Указанные в таблице параметры практически не требуют дополнительных объяснений. Укажем только их некоторые их особенности.

Системы типа Bell D1 (как модификация системы Т1) до сих пор существуют в северной Америке в силу большой распространенности в прошлом. Эти 4-х проводные системы используются и для передачи цифровых данных со скоростью 56 кбит/с по цифровым каналам, начало которому было положено компанией AT&T (видимо не раньше 1973 года, после внедрения тарифа «267»), предложившей услуги Dataphone Digital Service [1].

Система Bell D2 в отличие от D1 более продвинута: использует 8 бит на выборку в пятерках (1-5 и 7-11) фреймов и 7 бит в 6-ом и 12-ом фреймах, редуцируя закон кодификации при переходе с 8-на 7-битное квантование. Система использует выравнивание мультифреймов (12 фреймов) и допускает сигнализацию по обшему каналу. В силу широкого распространения в северной Америке, Японии и юго-восточной Азии, система была стандартизована комитетом CCITT [31].

Английская система, как и D1, использует 7-битное кодирование, но выравнивание осуществляет по мультифрейму (4 фрейма), что позволяет обойтись без 193-го бита (отсюда скорость 1536 кбит/с). Система использует европейский закон кодификации (с 1968 года), что важно для целей совместимости. Практически вытесняется системой СЕРТ.

Система СЕРТ начала развиваться с начала 70-х годов. Она целиком базировалась на двоичных, а не на двоично-десятичных эквивалентах (как три предыдущие). В результате была выбрана 8-битная схема кодификации и 32 (а не 24) канала для первичного уровня мультиплексирования. Один из каналов (тайм-слот 0) целиком используется для синхронизации (выравнивания фреймов) и передачи системного статуса, второй (тайм-слот 16) — для организации общего канала сигнализации — 64 кбит/с. Число фреймов в мультифрейме также кратно 2 и зависит от типа сигнализации. При внутри-канальной сигнализации используется 16 фреймов на мультифрейм, при использовании общего канала сигнализации — 2 фрейма на мультифрейм. Схема выравнивания проста и кратна 2: 8 бит на фрейм при выравнивании фрейма и 8 бит на 16 фреймов для выравнивания мультифрейма. Система СЕРТ фактически стала доминирующей не только в Европе но и в мире.

1.4.4. Практические методы линейного кодирования потока данных в канале

Сформированная в результате мультиплексирования и выравнивания цифровая двоично-кодированная ИКМ последовательность подается в канал связи, на входе которого, как правило, используется устройство сопряжения с каналом, или интерфейсный блок, и собственно передатчик. Учитывая, что канал, рассматриваемый как среда передачи, может быть электрическим, оптическим или радио-каналом, полученную последовательность приходится еще по крайней мере дважды перекодировать для оптимизации ее прохождения через интерфейс (интерфейсное кодирование) и линию связи (линейное кодирование). Два других вида кодирования: помехоустойчивое кодирование для обнаружения и исправления ошибок, возникающих в процессе передачи, а также шифрование данных, передаваемых такой последовательностью, здесь не рассматриваются.

Поток бит, полученный в результате квантования и двоичного кодирования (кодификации), оптимален только с точки зрения уменьшения ошибок квантования, но непригоден для передачи по каналу связи по ряду причин, основные из которых следующие:

— выходной цифровой поток имеет широкий спектр, что затрудняет его передачу по каналу связи с ограниченной полосой пропускания и осложняет процесс регенерации сигнала синхронизации, передаваемого в канале, особенно в случае восстановления потерянного синхронизма;

— спектр сигнала имеет значительную долю низкочастотных составляющих, которые могут интерферировать с составляющими передаваемого низкочастотного сигнала;

— спектр содержит большую постоянную составляющую, усложняющую фильтрацию

напряжения сети питания.

Для оптимизации спектра сигнала, подаваемого в линию связи, используется так называемое линейное кодирование. Оно должно обеспечить:

— минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах;

— информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала в виде дискретной составляющей, легко выделяемой на фоне непрерывной части спектра;

— непрерывный спектр должен быть достаточно узкополосным для передачи через канал связи без искажений;

— малую избыточность, для снижения относительной скорости передачи в канале связи;

— минимально возможные длины блоков повторяющихся символов («1» или «О») и диспаритетность (неравенство числа «1» и «О» в кодовых комбинациях).

Для двоичного кодирования число уровней входного сигнала m = 2, а число уровней выходного сигнала n может быть 2 (двухуровневое кодирование) или 3 (трехуровневое кодирование). Двухуровневое кодирование может быть однополярным (+1, 0) и двухполярным, или симметричным (+1, -1); трехуровневое — однополярным (+2, +1, 0) и двухполярным (+1, 0, -1). Например, оптические линии связи требуют однополярных методов кодирования, тогда как электрические линии связи могут использовать как однополярные, так и двухполярные методы кодирования.

В различных методах кодирования «1» может быть представлена положительным прямоугольным импульсом на полную или на половинную длину двоичного интервала, или переходом с «+1» на «О» или «-1» (ступенькой вниз) в центре интервала, а «О» — соответствующей длины отрицательным импульсом, или отсутствием импульса, или обратным переходом с «-1» или «О» на «+1» (ступенькой вверх) в центре интервала.

Для ограничения длины блоков повторяющихся символов типа «11… 11» или «00…00» используется инверсия («обращение» или незапланированное (преднамеренное) изменение) полярности импульсов регулярной кодовой последовательности, обозначаемая ниже буквой «V». Наряду с инверсией иногда используются вставки (дополнительные символы определенной полярности, обозначаемые ниже буквой В), позволяющие сохранить паритет кодовой комбинации.

Алгоритмы кодирования в большинстве случаев просты и могут быть описаны словесно, однако исчерпывающее описание дается направленным графом состояний, описывающим множество всех возможных состояний и переходов из одного в другое.

На рис. 1-9 для иллюстрации приведены некоторые линейные коды. Использованы следующие обозначения: (а) — исходная двоичная последовательность — взята из примера, приведенного на рис.1-6, (б)-(к) — соответствующие ей идеальные формы несимметричных (однополярных) и симметричных (двухполярных) импульсных последовательностей, полученные в результате применения специальных методов кодирования к исходной двоичной последовательности. На рис. 1-9 приведены следующие коды:

б) — однополярный код без возвращения к нулю — NRZ;

в) — двухполярный NRZ или симметричный телеграфный код;

г) — двухполярный код с возвращением к нулю — RZ; д) — код с поразрядно-чередующейся инверсией — ADI; е) — код с чередующейся инверсией на «1» — AMI; ж) — код с инверсией кодовых комбинаций — CMI; з) — двухполярный двухуровневый код Миллера; и) — биполярный код высокой плотности порядка 3 — HDB3;

к) — однополярный эквивалент кода HDB3 в оптической линии связи.

Ниже приведены расшифровки сокращений и краткие определения алгоритмов формирования кодов, используемых в практике цифровой связи:

1b2b — широко используемый частный случай класса блочных кодов (см. ниже), в котором 1 бит исходной И КМ последовательности длительностью Т кодируется комбинацией из 2 бит длительностью Т/2 (относительная скорость передачи в канале связи при этом возрастает в 2 раза). К этому классу (из приведенных нами) относятся коды CMI и Миллера.

ADI — Alternate Digit Invertion code — двоичный код с инверсией полярности сигнала на каждом втором двоичном разряде (не важно, какой он: «1» или «О»); в результате формируется двухполярный двухуровневый код.

AMI —Alternate Mark Inversion code — двоичный код RZ с инверсией на каждой «1», может быть получен из кода ADI путем инверсии каждой четной «1»; в результате формируется двухполярный трехуровневый код.

B3ZS — Bipolar with 3 Zero Substitution code — биполярный код с подстановкой альтернативныхблоков вместо блоков из трех «О», т.е. вместо блока «000» происходит подстановка блоков «OOV» или «BOV» для сохранения паритета — аналог кода HDB2 (см. ниже).

B6ZS — Bipolar with 6 Zero Substitution code — биполярный код с подстановкой альтернативных блоков вместо блоков из 6-ти «О», т.е. вместо «000000» блоков «OVBOVB».

B8ZS — Bipolar with 8 Zero Substitution code — биполярный код с подстановкой альтернативных блоков вместо блоков из 8-ми «О» , т.е. вместо «00000000» блоков «OOOVBOVB».

СМ1 — Coded Mark Inversion code — двухуровневый без возвращения к нулю двоичный код класса 1В2В с инверсией полярности кодовой комбинации на полный интервал на каждой «1» (т.е. каждой «1» ставится в соответствие либо комбинация «11», либо «00») и изменением полярности в середине каждого интервала «О» (т.е. каждому «О» ставится в соответствие дипульс «01»).

HDB2 — High—Density Bipolar code of order 2 — двухполярный код высокой плотности порядка 2 -код RZ с инверсией на «1» (аналогичен AMI), в котором каждый блок «000» заменяется на блок «OOV» или «BOV», где В — вставка импульса «1», выполняемая так, чтобы число В импульсов между последовательными V импульсами было нечетным. В результате формируется трехуровневый код.

HDB3 — High—Density Bipolar code of order 3 — двухполярный код высокой плотности порядка 3 -код с инверсией на «1», в котором каждый блок «0000» заменяется на блок «OOOV» или «BOOV» , где В — вставка импульса «1» выполняемая так, чтобы число В импульсов между последовательными V импульсами было нечетным. В результате формируется трехуровневый код.

mbnb — общее обозначение класса блочных кодов — где т — длина (в битах) блоков, на которые разбивается исходная ИКМ последовательность, an— соответствующая им длина (в битах) блоков, составленных из кодовых символов. Из них наиболее широко используется класс 1В2В (см. выше).

NRZ — Won Return to Zero code — основополагающий двухуровневый код без возвращения к нулю, может быть как двуполярным, так и однополярным.

RZ — Return to Zero code — основополагающий трехуровневый код с возвращением к нулю.

Miller code — двуполярный двухуровневый код Миллера класса 1В2В, имеющий множество состояний{00, 01, 10, 11}, переходы между которыми описываются графом, приведенным на рис. 1-10. Например, для приведенной на рис. 1-9 исходной последовательности 1101101000000 … порождаемые графом кодовые комбинации имееют вид: 11 10 00 01 10 00 01 11 …, а сам процесс генерации (перехода из состояния в состояние) имеет вид:

1->11-1->10-0->00-1->01-1->10-0->00-1->01-0->1Г и т. д.

Нужно иметь ввиду, что указанные коды могут быть использованы и как интерфейсные коды, и как линейные коды. Для электрических линий связи интерфейсные и линейные коды могут совпадать, для оптических, как правило, — нет в силу невозможности непосредственного использования биполярных кодов в оптическом кабеле. Например, при использовании биполярного интерфейсного кода HDB3 в оптических линиях связи могут использоваться коды CMI, MCMI (модифицированный CMI) или код типа mВnВ, либо использо

ваться его оптические аналоги, например, однополярный эквивалент кода HDB3 (см. 1-10,к). Более подробно о линейном кодировании в каналах связи см. например, в [33], главу 5.

1.5. Цифровые иерархии скоростей передачи

Новые технологии телекоммуникаций стали развиваться в связи с переходом or аналоговых к цифровым методам передачи данных, основанных на мультиплексировании с временным разделением каналов и ИКМ.

При использовании цифровых методов мультиплексор (типа п:1) формирует, как известно, из п входных цифровых последовательностей одну выходную, состоящую из повторяющихся групп по л одноименных блоков (бит, байт, несколько байтов), сформированных за «тайм-слот». Мультиплексор теоретически должен при этом обеспечить скорость передачи данных порядка n х v, где v — скорость передачи данных одного входного канала, предполагаемая одинаковой для всех каналов.

Если в качестве входного используется сигнал основного цифрового каналаDSO (ОЦК) со скоростью передачи 64 кбит/с, то с помощью одного мультиплексора типа п:1 можно теоретически формировать потоки со скоростью n х 64 кбит/с. Так, для Bell D2 мы имели поток 24 х 64 кбит/с, а для СЕРТ — 30 х 64 кбит/с. Если считать этот мультиплексор первым в схеме каскадного соединения из нескольких мультиплексоров второго, третьего и т.д. уровней типа т:1, 1:1, k:1…, to можно сформировать различные иерархические наборы цифровых скоростей передачи, или цифровые иерархии, позволяющие довести этот процесс мультиплексирования, или уплотнения каналов, до необходимого уровня, дающего требуемое число каналов DSO на выходе, выбирая различные коэффициенты кратности n, m, I, k, … .

1.5.1. Схемы плезиохронной цифровой иерархии — PDH

Три такие иерархии были разработаны в начале 80-ч годов. В первой из них, принятой в США и Канаде, в качестве скорости сигнала первичного цифрового канала ПЦК (DS1) была выбрана скорость 1544 кбит/с (фактически n = 24, т.е. двадцать четыре цифровых телефонных канала 64 кбит/с, а для передачи данных — 24 информационных канала 64 кбит/с). Во второй, принятой в Японии, использовалась та же скорость для DS1. В третьей, принятой в Европе и Южной Америке, в качестве первичной была выбрана скорость 2048 кбит/с (формально n = 32, фактически n = 30, т.е. в качестве информационных используется тридцать телефонных или информационных каналов 64 кбит/с плюс два канала сигнализации и управления по 64 кбит/с).

Первая иерархия, порожденная скоростью 1544 кбит/с, давала последовательность: DS1 -DS2 — DS3 — DS4 или последовательность вида: 1544 — 6312 — 44736 — 274176 кбит/с (часто цитируется ряд приближенных величин 1.5 — 6 — 45 — 274 Мбит/с), что, с учетом скорости DSO, соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n=24, m=4, 1=7, k=6. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 24, 96, 672 и 4032 канала DSO.

Здесь и ниже DSO — DS4 — мы будем называть цифровыми каналами 0-го, 1-го, 2-го, 3-го и 4-го уровней иерархии. В терминологии, используемой в связи, это соответственно: основной цифровой канал (ОЦК), первичный цифровой канал (ПЦК), вторичный цифровой канал (ВЦК), третичный цифровой канал (ТЦК) и четвертичный цифровой канал (ЧЦК).

Вторая иерархия, порожденная скоростью 1544 кбит/с, давала последовательность DS1 — DS2 — DSJ3 — DSJ4 или последовательность 1544 — 6312 — 32064 — 97728 кбит/с (ряд приближенных величин составляет 1.5-6-32-98 Мбит/с), что, с учетом скорости DSO, соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n=24, m=4, 1=5, k=3. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 24, 96, 480 и 1440 каналов DSO.

Здесь DSJ3 и DSJ4 мы будем называть цифровыми каналами 3-го и 4-го уровней Японской PDH иерархии.

Третья иерархия, порожденная скоростью 2048 кбит/с, давала последовательность Е1 — E2 -ЕЗ — Е4 — Е5 или последовательность 2048 — 8448 — 34368 — 139264 — 564992 — кбит/с (ряд прибли-женнх величин составляет 2 — 8 — 34 — 140 — 565 Мбит/с), что соответствует ряду коэффициентов п=30 (32), m=4, 1=4, k=4, i=4, (т.е. коэффициент мультиплексирования в этой иерархии выбирался постоянным и кратным 2). Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 30, 120, 480, 1920 и 7680 каналов DSO, что отражается и в названии ИКМ систем: ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480 и т.д..

Указанные иерархии, известные под общим названием плезиохронная цифровая иерархия PDH, или ПЦИ, сведены в таблицу 1-2.

Параллельное развитие трех различных иерархий не могло способствовать развитию глобальных телекоммуникаций в мире в целом, поэтому комитетом по стандартизации ITU-T или МСЭ-Т были сделаны шаги по их унификации и возможному объединению. В результате был разработан стандарт [13], согласно которому:

— во-первых, были стандартизованы три первых уровня первой иерархии (DS1-DS2-DS3), четыре уровня второй иерархии (DS1-DS2-DSJ3-DSJ4) и четыре уровня третьей иерархии (Е1-Е2-ЕЗ-Е4) в качестве основных и указаны схемы кросс-мультиплексирования иерархий, например, из третьей иерархии в первую (с первого на второй уровень) и обратно (с третьего на четвертый уровень), что и показано на рис.1-11 (коэффициенты мультиплексирования показаны на линиях связи блоков, представляющих скорости передачи);

— во-вторых, последние уровни первой (274 Мбит/с) и третьей (565 Мбит/с) иерархий не были рекомендованы в качестве стандартных;

— в-третьих, была сохранена ветвь 32064 — 97728 кбит/с (или приближенно 32 — 98 Мбит/с) во второй иерархии, т.е. уровни DSJ3 и DSJ4, параллельные уровням DS3 в первой иерархии и Е4 в третьей иерархии. Уровень DSJ3 фактически соответствует уровню ЕЗ, что облегчает кросс-мультиплексирование со второго уровня на третий. Уровень DSJ4 — 98 Мбит/с — был возможно сохранен для совместимости с технологией распределенного оптоволоконного интерфейса данныхFDDI.

Работы по стандартизации иерархий как в Европе, так и в Америке, имели два важных последствия:

— разработка схемы плезиохронной цифровой иерархии (PDH или ПЦИ);

— разработка схемы синхронной цифровой иерархии (SONET/SDH или СЦИ).

1.5.2. Особенности плезиохронной цифровой иерархии

Наличие стандартных скоростей передачи и фиксированных коэффициентов мультиплексирования позволило говорить о трех схемах мультиплексирования — американской, японской и европейской (называемой часто СЕРТ или ETSI/CEPT).

При использовании жесткой синхронизации при приеме/передаче можно было бы применить метод мультиплексирования с чередованием октетов или байтов, как это делалось при формировании цифровых сигналов первого уровня, для того, чтобы иметь принципиальную возможность идентификации байтов или групп байтов каждого канала в общем потоке. Однако учитывая, что общая синхронизация входных последовательностей, подаваемых на мультиплексор от разных абонентов/пользователей, отсутствует, в схемах второго и более высокого уровней мультиплексирования был использован метод мультиплексирования с чередованием бит (а не байт). В этом методе мультиплексор, например, второго уровня формирует выходную цифровую последовательность (со скоростью 6 Мбит/с — АС, ЯС или 8 Мбит/с — ЕС) путем чередования бит входных последовательностей от разных каналов (для АС и ЯС это каналы Т1, а для ЕС — каналы Е1).

Так как мультиплексор не формирует структуры, которая могла бы быть использована для определения позиции бита каждого канала, а входные скорости разных каналов могут не совпадать, то используется внутренняя побитовая синхронизация, при которой мультиплексор сам выравнивает скорости входных потоков путем добавления нужного числа выравнивающих бит в каналы с относительно меньшими скоростями передачи (наиболее простой вариант, хотя могут использоваться другие варианты, когда выравнивание скоростей осуществляется путем изъятия бит из каналов с большими скоростями, или сочетаются оба процесса добавления/изъятия). Благодаря этому на выходе мультиплексора формируется синхронизированная цифровая последовательность. Информация о вставленных/изъятых битах передается по служебным каналам, формируемым отдельными битами в структуре фрейма. На последующих уровнях мультиплексирования эта схема повторяется, добавляя новые выравнивающие биты. Эти биты затем удаляются/добавляются при демультиплексировании на приемной стороне для восстановления исходной цифровой последовательности. Такой процесс передачи получил название плезиохронного (т.е. почти синхронного), а цифровые иерархии АС, ЯС и ЕС соответственно название плезиохронных цифровых иерархий —PDH.

Кроме синхронизации, на уровне мультиплексора второго порядка также происходит формирование фреймов и мультифреймов, которые позволяют структурировать последовательность в целом. Например, для канала Т2 (6312 кбит/с) длина фрейма равна 789 бит при естественном сохранении частоты повторения фрейма 8000 Гц. Мультифрейм соответствует 12 фреймам. Для канала Е2 (8448 кбит/с) длина фрейма равна 1056 бит, и также может быть использован мультифрейм из 12 фреймов [15]. Формирование фреймов и мультифреймов и их выравнивание особенно важно для локализации на приемной стороне каждого фрейма, что позволяет в свою очередь получить информацию о сигнализации и кодовых группах контролирующих избыточных кодов CRC и информацию служебного канала данных.

В АС используется два уровня мультиплексирования — 1.5->6 и б->45 плюс один возможный дополнительный 45->140 для сопряжения с ЕС. В ЯС используются три уровня мультиплексирования -1.5->6, 6->32 и 32->98 плюс один возможный дополнительный 32->140 для сопряжения с ЕС. В ЕС используются три уровня мультиплексирования — 2->8, 8->34 и 34-140.

Общая схема канала передачи с использованием технологии PDH даже в самом простом варианте топологии сети «точка — точка» на скорости 140 Мбит/с должна включать три уровня мультиплексирования на передающей стороне (для ЕС, например, 2->8, 8->34 и 34->140) и три уровня демультиплексирования на приемной стороне, что приводит к достаточно сложной аппаратурной реализации таких систем. Однако существенное удешевление цифровой аппаратуры за последнее десятилетие и использование оптоволоконных кабелей в качестве среды передачи PDH сигнала привели к тому, что системы цифровой телефонии с использованием технологии PDH получили значительное распространение. Эти системы позволили транспортировать большое количество каналов цифровой высококачественной телефонной связи. Например, один канал 140 Мбит/с эквивалентен 1920 (30х4х4х4=1920) каналам 64 кбит/с, которые в первую очередь использовались для передачи речи, но могут быть использованы, в частности, для передачи данных.

С использованием современных методов ИКМ (например дифференциальной ИКМ — ДИКМ) можно использовать скорость 32 кбит/с для передачи одного речевого канала, что приводит к схемам каналов Т1 или Е1, несущих 48 или 60 телефонных каналов [15]. Современная техника сжатия данных позволила последовательно увеличить эти показатели в 2 раза (16 кбит/с на речевой канал), затем в 4 раза (8 кбит/с на канал) и, наконец, благодаря использованию техники кодирования с линейным предсказанием по кодовой книге, в 5 раз (6.4 кбит/с на канал).

Более важным результатом этого развития, однако, с нашей точки зрения, стало то, что PDH системами стали пользоваться для передачи данных, и в первую очередь банковских транзакций, используя главным образом каналы 64 кбит/с с протоколом пакетной коммутации Х.25. Казалось, что от этого привлекательность новой технологии только выиграет за счет привлечения новой мощной группы пользователей. Однако этого не произошло. PDH технология продемонстрировала на этом этапе возросшего к ней интереса свою негибкость.

1.5.3. Недостатки плезиохронной цифровой иерархии

Суть основных недостатков PDH в том, что добавление выравнивающих бит делает невозможным идентификацию и вывод, например, потока 64 кбит/с или 2 Мбит/с, «зашитого» в поток 140 Мбит/с, без полного демультиплексирования или «расшивки» этого потока и удаления выравнивающих бит. Одно дело «гнать» поток междугородных или международных телефонных разговоров от одного телефонного узла к другому «сшивая» и «расшивая» их достаточно редко. Другое дело — связать несколько банков и/или их отделений с помощью PDH сети. В последнем случае часто приходится либо выводить поток 64 кбит/с или 2 Мбит/с из потока 140 Мбит/с, чтобы завести его, например, в отделение банка, либо наоборот выводить поток 64 кбит/с или 2 Мбит/с из банка для ввода его обратно в поток 140 Мбит/с. Осуществляя такой ввод/вывод, приходится проводить достаточно сложную операцию трехуровневого демультиплексирования («расшивания») PDH сигнала с удалением/добавлением выравнивающих (на всех трех уровнях) бит и его последующего трехуровневого мультиплексирования («сшивания») с добавлением новых выравнивающих бит.

Схема такой операции для одного пользователя (с потоком 2 Мбит/с) показана на рис.1-12. При наличии многих пользователей, требующих ввода/вывода исходных (например, 2 Мбит/с) потоков, для аппаратурной реализации сети требуется чрезмерно большое количество мультиплексоров, в результате эксплуатация сети становится экономически невыгодной.

Другое узкое место технологии PDH — слабые возможности в организации служебных каналов для целей контроля и управления потоком в сети и практически полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексированных потоков, что крайне важно для использования в сетях передачи данных. Обычно для целей последующей идентификации и сигнализации поток разбивается на группы тайм-слотов, или фреймы, из которых затем компонуются группы из нескольких фреймов или мультифреймы. Последние, давая возможность идентифицировать на приемной стороне отдельные фреймы, снабжаются дополнительными битами циклических помехоустойчивых кодов и используемых систем сигнализации [15]. Однако эти средства достаточно слабы, особенно на первых двух уровнях АС и ЯС иерархий. Например, мультифреймы Т1 позволяют формировать кроме сигнала синхронизации, кодовую группу кода CRC-6 (6 бит контрольного кода на 4632 бита — 24 фрейма) и служебный канал данных со скоростью 4 кбит/с, используемый, в частности, для посылки сигнала потери синхронизации фреймаLFA. Мультифреймы Т2 дают возможность формировать служебный канал той же емкости — 4 кбит/с и кодовую группу кода CRC-5 (5 бит контрольного кода на 3156 бит).

Рекомендация G.704 [15] вообще не предусматривает необходимые для нормальной маршрутизации заголовки. В связи с отсутствием специальных средств маршрутизации, при формировании PDH фреймов и мультифреймов увеличивается (при возрастании числа мультиплексирований и переключении потоков при маршрутизации) возможность ошибки в отслеживании «истории» текущих переключении, а значит увеличивается и возможность «потерять» сведения не только о текущем переключении, но и о его «истории» в целом, что приводит к нарушению схемы маршрутизации всего трафика.

Так, казалось бы существенное достоинство метода — небольшая «перегруженность заголовками» — на деле оборачивается еще одним серьезным недостатком, как только возникает необходимость в развитой маршрутизации, вызванная использованием сети PDH для передачи данных.

1.5.4. Синхронные иерархии SONET/SDH

Указанные недостатки PDH и желание их преодолеть привели к разработке в США еще одной иерархии — иерархии синхронной оптической сетиSONET, а в Европе аналогичной синхронной цифровой иерархии SDН, предложенными для использования на волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Целью разработки была иерархия, которая позволила бы:

• вводить/выводить входные потоки без необходимости проводить их сборку/разборку (а значит иметь возможность определять положение каждого входного потока, составляющего общий поток);

• разработать новую структуру фреймов, позволяющую осуществлять не только развитую маршрутизацию, но и осуществлять в пределах иерархии управление сетями с топологией любой сложности;

• систематизировать иерархический ряд скоростей передачи и продолжить его (на перспективу) за пределы ряда PDH;

• разработать стандартные интерфейсы для облегчения стыковки оборудования.

Для достижения поставленных целей американскими разработчиками первоначально (начало 80-х годов) предлагалось:

— во-первых, использовать синхронную, а не асинхронную или плезиохронную схему передачи с побайтным (а не с побитным) чередованием при мультиплексировании;

— во-вторых, положить в основу иерархии SONET первичную скорость передачи ОС1 = 50.688 Мбит/с, основанную на использовании стандартного периода повторения фрейма 125 мкс, принимающего вид двумерной матрицы формата 3 х 264 байта (264х3х8х8000 = 50688000 бит/с), так как она позволяла продолжить американскую ветвь PDH иерархий, т.е. 1.5-6-45 Мбит/с, последний уровень которой, путем добавления необходимых заголовков, мог бы быть преобразован в первый уровень новой иерархии ОС1;

— в-третьих, включить в иерархию достаточное число (первоначально 48) уровней ОС1 — ОСn (в настоящее время она включает значительно больше уровней, см. ниже) и принять кратность последующих уровней иерархии равной номеру уровня, т.е. ОСЗ = ЗхОС1 = 3х50.688 = 152.064 Мбит/с;

— в-четвертых, использовать известную к тому времени технологию инкапсуляции данных, предложив технологию виртуальных контейнеров, их упаковки и транспортировки, дающую возможность загружать и переносить в них фреймы PDH иерархии со скоростями 1.5, 6, 45 Мбит/с;

— в-пятых, ориентировать иерархию на использование оптических (а не электрических) сред передачи сигнала.

В 1984-86 годах, рассмотрев ряд альтернатив, комитет Т1 (США) предложил использовать сигнал со скоростью передачи 50.688 Мбит/с в качестве основного синхронного транспортного сигнала STS-1, Однако, учитывая неудачу практического внедрения кросс-мультиплексирования существующих PDH иерархий, разработчики технологии SONET не могли не считаться с необходимостью облегчить процедуру взаимодействия американской и европейской PDH иерархий и не принять во внимание наличие стандартов СС1ТТ на цифровую иерархию, охватывающую диапазон скоростей 1.5

— 140 Мбит/с, а также аналогичной европейской разработки , названной SDH иерархией, или технологией SDH. В последней в качестве основного формата синхронного сигнала был принят синхронный транспортный модуль STM-1, имеющий скорость передачи 155.52 Мбит/с и позволяющий инкапсулировать все фреймы европейской PDH иерархии, в том числе фрейм Е4 (140 Мбит/с).

В результате комитетом SONET в последствие было принято мужественное решение — отказаться от внедрения ещё одной обособленной иерархии (т.е., собственно SONET) и разработать на ее основе новую синхронную цифровую иерархию, названную SONET/SDH, первый уровень которой ОС1 принимался равным 51.84 Мбит/с, что позволяло путем разработки развитой схемы мультиплексирования и кросс-мультиплексирования, предложить универсальный набор виртуальных контейнеров, позволяющий заключить в их оболочки все форматы фреймов стандартных уровней американской и европейской PDH иерархий.

Теперь синхронный транспортный модуль STM-1 (155.52 Мбит/с), предложенный для европейской версии SDH, с одной стороны, совпадал с новой скоростью SONET ОСЗ (51.84х3 = 155.52), а с другой — позволял включить в схему мультиплексирования максимальную скорость европейской PDH иерархии — 140 Мбит/с,

Совместные усилия в этом направлении привели к разработке и публикации в Синей книге в 1989 году трех основополагающих рекомендаций СС1ТТ (теперь ITU-T) по SDH — Rec. G.707, G.708 и G.709 [16-18], а также параллельной публикации организациями ANSI и Bellcore аналогичных стандартов для технологии SONET [34-42].

· Лекция 10. Передача данных между ЭВМ с помощью модемов. Типы и характеристики модемов.Набор АТ-команд.

Редкий серьезный деловой человек, профессиональный программист или системный оператор может представить себе полноценную работу без использования такого мощного, оперативного и удобного сочетания как обычная телефонная линия, модем и компьютерная сеть. В то время как первые две составляющие всего лишь техническая сторона новой организации информационного обмена между пользователями, компьютерная сеть — это та глобальная идея, объединяющая разрозненных обладателей компьютеров и модемов, систематизирующая и управляющая хаотически предъявляемыми требованиями и запросами по быстрому информационному обслуживанию, моментальной обработкой коммерческих предложений, услугами личной конфиденциальной переписки и т.д. и т.п. Сейчас, в условиях многократно возрастающих каждый год информационных потоков, уже практически невозможно вообразить четкое взаимодействие банковских структур, торговых и посреднических фирм, государственных учреждений и других организаций без современной вычислительной техники и компьютерных сетей. В противном случае пришлось бы содержать гигантский штат обработчиков бумажных документов и курьеров, причем надежность и быстрота функционирования такой системы все равно была бы значительно ниже предоставляемой модемной связью и компьютерными сетями. А ведь каждая минута задержки в пересылке важных информационных сообщений может вылиться в весьма ощутимые денежные потери и имиджевые крахи.

Без модема немыслима система электронных коммуникаций. Это устройство позволяет включиться в увлекательный, а сегодня, используя последние изобретения мира телекоммуникаций, уже и просто жизненно необходимый, мир информационных потоков, электронных баз данных, электронной почты, электронных справочников, электронных досок объявлений и многого другого. Возможности получения и обмена информацией с помощью модемов уже сегодня трудно переоценить, а то, что ждет нас завтра, мы не можем себе даже вообразить. Электронное письмо, посланное по электронной почте в любую точку земного шара, дойдет до адресата меньше, чем за два часа. Мы можем поместить какое-либо объявление или рекламу в систему телеконференции вашей сети электронной почты и эту информацию через сутки узнает весь мир (если, конечно, этого очень захотеть). Посредством модема можно, например, из Москвы подключиться напрямую к серверу в Нью-Йорке и работать с информационными базами данных, которые он содержит. Наконец, мы можем послать факс. Уже сегодня ни одна солидная брокерская контора не может обойтись без оперативного получения и передачи информации с использованием компьютерных каналов связи и, как следствие, модемов.

Основной задачей модема является преобразование исходной цифровой информации в вид, пригодный для передачи по каналу связи, и обратное преобразование на приеме. Вид модуляции и метод построения модема в значительной степени определяют скорость передачи данных и эффективность использования канала связи. Применительно к передаче данных по телефонным каналам, виды модуляции, используемые в модемах, регламентируются Международным союзом электросвязи (МСЭ-Т). В Рекомендациях МСЭ-Т определены основные технические характеристики модема, такие, как форма спектра передаваемого сигнала, структура настроечной комбинации, образующий полином скремблера (дескремблера) и другие параметры, обеспечивающие совместимость модемов, выпускаемых разными изготовителями.

Качество работы модема определяется способностью противодействовать мешающим факторам, а, именно:

— Гауссовскому шуму;

— межсимвольной интерференции, вызванной не идеальностью передаточной функции канала связи;

— флуктуациям фазы несущей частоты, обусловленным низкочастотной паразитной модуляцией в генераторном оборудовании систем передачи с частотным разделением каналов.

Поэтому для повышения качества работы модема требуется применение оптимальных( либо близких к ним) алгоритмов обработки сигналов, позволяющих уменьшить влияние мешающих факторов.

Модемы

Определение
Стандарты
- Протоколы модуляции
- Протоколы сжатия
- Протоколы обнаружения ошибок
- Протоколы передачи файлов
Архитектура
Аппаратная реализация

Передача цифровых сигналов на большие расстояния
требует создания специально оборудованных линий и сетей связи с высокой
пропускной способностью. Такие линии существуют и интенсивно развиваются. Однако
потребность в передаче данных между компьютерами опережает возможности сетей
цифровой связи. Это вызывает необходимость задействовать для передачи цифровых
данных массовые сети с низкой пропускной способностью — телефонные.

Для использования телефонной сети как канала передачи цифровой информации
разработаны и широко используются устройства преобразования цифровой информации
в аналоговую и обратно, основанные на принципе модуляции несущей частоты,
получившие название модемы (модуляторы-демодуляторы).

Модем: обеспечивает согласование цифровых сигналов компьютера с аналоговыми
сигналами телефонной линии, при передаче данных осуществляет модулирование
аналоговых сигналов цифровой информацией, а при приеме — демодулирование.
Они различаются между собой по способу модуляции, пропускной способности,
способу коррекции ошибок, способу сжатия данных. Для различных скоростей
работы модемов, различных способов коррекции ошибок и сжатия данных
разработаны стандарты.

После установления связи модемы, расположенные на концах линии, обмениваются
тональным сигналом с частотой в пределах 1000-3000 Гц (несущей частотой,
carrier). При передаче данных на несущую накладываются
модуляции — изменения частоты тона (или другого параметра сигнала) в
определенных пределах. Повышение или понижение частоты интерпретируются как
передача «единицы» или «нуля» цифровой информации.

Стандарты

Модемы, выпускаемые разными производителями, должны отвечать определенным
стандартам. Стандарты опираются на протоколы — набор правил, по которым
осуществляется процесс передачи данных в данном устройстве. Протоколы,
реализуемые в работе модемов, можно разделить на четыре группы:

протоколы модуляции;
протоколы обнаружения/коррекции ошибок;
протоколы сжатия данных;
протоколы передачи файлов.

Протоколы серии V были предложены МККТТ
(Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии); серия
Bell является американским национальным стандартом;
протоколы MNP (Microcomm Nerworking
Protocols) разработаны фирмой Microcomm и
являются стандартом де факто.

По скорости передачи данных разработаны модемы стандартов:
v.22 bis — для скорости 2400 бит/с. В более скоростных модемах обычно
реализованы и предшествующие стандарты передачи сигналов и, кроме того,
предусмотрены запасные режимы с меньшими скоростями. Например, для стандарта
v.32 bis это скорости 12000, 9600, 7200 и 4800 бит/с.
В настоящее время используются модемы со скоростью передачи 56 Мбит/с.

Протоколы модуляции

Частотная модуляция (ЧМ, FSK — Frequency Shift
Keying)На частотной модуляции основаны протоколы Bell
103J и V.21. Протокол
V.21 является дуплексным и использует частотное разделение каналов.
Полоса частот телефонного канала тональной частоты делится на два подканала.
Один из них (нижний) используется вызывающим модемом для передачи своих
данных, а другой (верхний) — для передачи информации от отвечающего модема.
При этом в нижнем канале «1» передается частотой 980 Гц, а «0» — 1180 Гц. В
верхнем подканале «1» передается сигналом в 1650 Гц, а «0» — 1850 Гц.
Скорость передачи в этом случае составляет 300 бод, но, несмотря на низкую
скорость, протокол V.21 широко используется в
качестве аварийного. Кроме того, он применяется в высокоскоростных
протоколах на этапе установления соединения.Протокол Bell 103J: в нижнем подканале «0»
передается частотой 1070 Гц, а «1» — 1270 Гц, в верхнем подканале — «0» —
2025 Гц, «1» — 2225 Гц.

Частотная модуляция помехоустойчива, однако плохо использует пропускную
способность канала, поэтому более широкое распространение получили другие
виды модуляции.
Относительная фазовая модуляция (ОФМ,
DPSK — Differential Phase Shift Keying)Здесь биты кодируются изменением (поворотом) фазы сигнала
относительно предшествующего значения — скорость повышается, поскольку один
поворот фазы кодирует 2-3 бита, но резко снижается помехоустойчивость.
Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ, QAM —
Quadrature Amplitude Modulation)

При этом методе изменяется как фаза, так и амплитуда сигнала, что повышает
помехоустойчивость.
Треллис-модуляция (СКК — сигнально-кодовые конструкции,
TCM — Trellis Coded Modulation)

КАМ совместно с решетчатым кодированием.

Протоколы сжатия и обнаружения ошибок

Группа стандартов, связанных с используемыми протоколами коррекции ошибок,
многие годы опиралась на протоколы MNP (Microcom
Nerworking Protocol): MNP1-MNP10. Это
аппаратные протоколы фирмы Microcom, обеспечивающие
автоматическую коррекцию ошибок и компрессию (сжатие) передаваемых данных. В
настоящее время используется стандарт МКТТ V.42. В
целях совместимости модем стандарта V.42 включает в
себя и функции MNP.

Группа стандартов, определяющая реализуемый метод сжатия данных также
включает в себя протоколы серии MNP и
V. Стандарт MNP5,
предусматривающий сжатие информации всего лишь вдвое, уступает место стандарту
Международного комитета по телеграфии и телефонии (МКТТ) V.42
bis, обеспечивающему сжатие информации в четыре раза.
Стандарт V.42 bis в качестве резервного метода сжатия
данных включает стандарт MNP5, а в качестве метода
коррекции ошибок — стандарт V.42.

Основные принципы этих протоколов следующие:

объединение в пакеты с удалением стартовых и стоповых битов и за счет
этого экономия времени передачи;
контроль правильности передачи с помощью контрольных сумм — передающая
сторона формирует из потока данных отдельные блоки (пакеты) длиной от 16 до
20000 байт в зависимости от качества связи, каждый блок снабжается
заголовком, содержащим проверочную информацию (например, контрольную сумму —
КС блока); принимающая сторона подсчитывает КС и сравнивает с содержимым
заголовка; при несовпадении выдается запрос на повтор передачи блока;
сжатие информации с помощью соответствующих методов (наиболее
распространенным является BTLZ — British Telecom
Lempel-Ziv method, патентованный метод компрессии, использующий
принцип двумерного адаптивного кодирования, эффективность которого может
доходить до 400%);
настройка на пропускную способность линии путем изменения длины
передаваемого блока.

Указанные процедуры могут быть осуществлены как аппаратурно, так и программно
(аппаратная реализация на 30% эффективнее). В первом случае говорят, что «модем
поддерживает соответствующий протокол», во втором — «программа управления
модемом эмулирует данный протокол». Не для всех приводимых протоколов возможны
как программная, так и электронная реализации.

Протоколы передачи файлов

Протоколы передачи файлов контролируют завершенность передачи файла (вместе с
его атрибутами типа «дата создания», «имя файла» и пр.) и используют приемы,
аналогичные приведенным выше, — переменная длина блока, контрольные суммы,
аппаратная коррекция MNP и пр.

Известен ряд протоколов передачи файлов, рассмотрим некоторые из них:

ASCII;
Xmodem;
Ymodem;
Zmodem;
Kermit.

ASCII —: при передаче данных не используются средства обнаружения ошибок. Обычно
можно послать таким образом только файлы ASCII;
Xmodem —: передает блоки по 128 символов; если принимающая сторона обнаруживает,
что блок прибыл нетронутым, она сигнализирует об этом и ждет следующего
блока. Проверка ошибок реализуется контрольной суммой или более сложной
циклической проверкой (протокол в этом случае называется
Xmodev-CRC — Cyclic Redundancy Chek — здесь вместо 8-битовой
контрольной суммы используется 16-битовый код);
Xmodem 1K —: если передача идет без ошибок, размер пакета увеличивается со 128 до
1024 байт. В остальном совпадает с Xmodem;
Xmodem 1K-G —: подразумевает каналы, свободные от ошибок, такие как модемы,
корректирующие ошибки (например, MNP-модемы,
реализующие аппаратную коррекцию ошибок), или прямые соединения кабелей
модемов между двумя компьютерами. Он достигает высокой скорости путем
передачи нескольких блоков без ожидания подтверждения от принимающего
компьютера;
Ymodem —: является вариацией Xmodem; позволяет
передавать несколько файлов в один прием, кроме того, вместе с файлом
передаются его атрибуты;
Ymodem G —: обладает большей скоростью за счет передачи блоков один за другим без
ожидания подтверждения;
Zmodem —: быстрый протокол передачи файлов по несколько в окне. Если при передаче
файла произошел сбой на линии, то при повторной попытке передачи этого файла
он автоматически будет передаваться с того места, где произошло прерывание;
Kermit —: известны две разновидности протокола: стандартный и
SuperKermit. Протокол разработан в Колумбийском университете в 1981
г. для связи между ЭВМ различных типов и поколений, включая большие ЭВМ,
мини- и микро-ЭВМ. Kermit используют для передачи
пакетов переменной длины размером до 94 байт. SuperKermit
предназначен для работы в сетях, где имеются большие задержки при передаче
данных. По этому протоколу пакеты передаются «окнами» составом до 31 пакета.
Kermit также использует предварительную компрессию
данных для увеличения скорости обмена.

Архитектура

В состав типичного модема входят: специализированный микропроцессор для
управления работой модема, оперативная память для хранения содержимого регистров
модема и буферизации передаваемой (получаемой) информации, электрически
перепрограммируемая постоянная память для хранения коммуникационных программ,
динамик для звукового контроля связи, вспомогательные элементы (трансформатор,
резисторы, разъемы и пр.).

Аппаратная реализация

В конструктивном исполнении модемы могут быть внутренними (встроенными) и
внешними. Внутренний модем выполняется в виде отдельной платы, вставляемой в
слот на материнской плате компьютера. Внешний модем представлен в виде
отдельного устройства с блоком питания, подключаемого к последовательному
асинхронному порту компьютера. К телефонной линии связи модем подключается либо
непосредственно, либо при помощи микрофона и динамика к обычной телефонной
трубке (акустические модемы). Модемы, подключаемые к разным концам одной и той
же линии связи, должны быть одинакового стандарта.

Сайт управляется системой uCoz

Источник

Модем
– это техническое устройство,
предназначенное для передачи информации
по телефонным каналам, способное
осуществлять модуляцию и демодуляцию
информационных сигналов. Работа
модулятора модема заключается в том,
что поток битов из компьютера преобразуется
в аналоговые сигналы, пригодные, например,
к передаче по телефонному каналу связи.
Демодулятор модема выполняет обратную
задачу. Модемы подключаются, с одной
стороны, к компьютеру, а с другой – к
телефонной линии.

Стандарты,
разработанные Международным Союзом
электросвязи (ITU),
обозначаются латинской буквойVи последующим номером, напримерV.32.

Модемы
могут работать в синхронном и асинхронном
режиме. Кроме того, есть дуплексный и
полудуплексный режимы. Их отличие в
том, что в полудуплексном режиме передача
в один момент времени идёт лишь в одном
направлении, в то время как в дуплексном
режиме передача осуществляется в обоих
направлениях одновременно. Новый шаг
в развитии модемов разработчики связали
с х2-технологией, обеспечивающей доступ
к Internet со скоростью
56 кбит/с. это многофункциональная
коммуникационная система для подключения
кInternetпозволяет пользователю
ПК работать с электронной почтой,
устанавливать универсальную связь, а
также иметь персональную голосовую
почту. Голосовая связь поддерживаетсяspeakerphoneм, находящимся в
одном устройстве с автоответчиком.

Модем
принимает факсимильные и голосовые
сообщения без участия компьютера. Так
как модем имеет большой объём памяти,
он может принимать входные сообщения
даже при выключенном ПК или не открытом
программном приложении, управляющем
модемом. Все полученные сообщения
передаются по запросу пользователя или
запуском соответствующего приложения.
Функции удалённого доступа, позволяют
пользователю получать голосовые
сообщения из любого места, где имеется
телефонная связь.

Как
уже было отмечено, получение и хранение
факсимильной и голосовой информации
может осуществляться без всякого
вмешательства ПО, работающего на
компьютере, но голосовая связь требует
программ для установления коммутируемого
соединения.

ЦИФРОВЫЕ
МОДЕМЫ(ISDN)
Современная технологияISDNдалека от совершенства, но на сегодняшний
день это наилучший способ перекинуть
мостик между пользователями ПК и всем
богатством информации, доступной в
оперативном режиме. Базовые услугиISDNобеспечивают скорость передачи до 128
кбит/с. СтандартISDNявляется
цифровым, что вполне логично при
установлении связи между компьютерами:
ПК цифровое устройство, телефонная сеть
тоже, любая компьютерная сеть к которой
вы можете подключиться тоже имеет
цифровую природу.

Все
методы обнаружения ошибокоснованы
на передаче в составе кадра данных
служебной избыточной информации, по
которой можно судить с некоторой
степенью вероятности о достоверности
принятых данных. Эту служебную информацию
принято называтьконтрольной суммой(илипоследовательностью контроля
кадра. — Frame
Check Sequence,
FCS).Контрольная
сумма вычисляется как функция от основной
информации, причем необязательно только
путем суммирования. Принимающая
сторона повторно вычисляет контрольную
сумму кадра по известному алгоритму и
в случае ее совпадения с контрольной
суммой, вычисленной передающей
стороной, делает вывод о том, что данные
были переданы через сеть корректно.

Существует
несколько распространенных алгоритмов
вычисления контрольной суммы, отличающихся
вычислительной сложностью и способностью
обнаруживать ошибки в данных.

Контроль
по паритетупредставляет собой
наиболее простой метод контроля данных.
Метод заключается в суммировании по
модулю 2всех бит
контролируемой информации.Вертикальный
и горизонтальный контроль по паритетупредставляет собой модификацию
описанного выше метода. Его отличие
состоит в том, что исходные данные
рассматриваются в виде матрицы, строки
которой составляют байты данных.
Контрольный разряд подсчитывается
отдельно для каждой строки и для каждого
столбца матрицы.Циклический избыточный
контроль (Cyclic
Redundancy Check,
CRC)Метод основан
на рассмотрении исходных данных в виде
одного многоразрядного двоичного числа.

Методы
восстановления искаженных и потерянных
кадров. Методы коррекции ошибок в
вычислительных сетях основаны на
повторной передаче кадра данных в том
случае, если кадр теряется и не доходит
до адресата или существует несколько
модифицированная процедура вычисления
остатка, приводящая к получению в случае
отсутствия ошибок известного ненулевого
остатка, что является более надежным
показателем корректности, приемник
обнаружил в нем искажение информации.

Компрессия(сжатие) данных применяется для сокращения
времени их передачи. Так как на компрессию
данных передающая сторона тратит
дополнительное время, к которому нужно
еще прибавить аналогичные затраты
времени на декомпрессию этих данных
принимающей стороной, то выгоды от
сокращения времени на передачу сжатых
данных обычно бывают заметны только
для низкоскоростных каналов. Этот
порог скорости для современной аппаратуры
составляет около 64Кбит/с.
Многие программные и аппаратные средства
сети способны выполнятьдинамическую
компрессиюданных в отличие от
статической, когда данные предварительно
компрессируются (например, с помощью
популярных архиваторов типаWinZip),
а уже затем отсылаются в сеть.

На
практике может использоваться ряд
алгоритмов компрессии, каждый из которых
применим к определенному типу данных.
Некоторые модемы (называемые
интеллектуальными) предлагают адаптивную
компрессию,при которой в зависимости
от передаваемых данных выбирается
определенный алгоритм компрессии.
Рассмотрим некоторые из общих алгоритмов
компрессии данных.

Десятичная
упаковка.Когда данные состоят только
из чисел, значительную экономию можно
получить путем уменьшения количества
используемых на цифру бит с
7до 4,используя простое
двоичное кодирование десятичных цифр
вместо кодаASCII. Просмотр
таблицыASCIIпоказывает,
что старшие три бита всех кодов десятичных
цифр содержат комбинацию
011.Если все данные в кадре информации
состоят из десятичных цифр, то, поместив
в заголовок кадра соответствующий
управляющий символ, можно существенно
сократить длину кадра.

Относительное
кодирование.Альтернативой десятичной
упаковке при передаче числовых данных
с небольшими отклонениями между
последовательными цифрами является
передача только этих отклонений вместе
с известным опорным значением. Такой
метод используется, в частности, в
рассмотренном выше методе цифрового
кодирования голосаADPCM,
передающем в каждом такте только разницу
между соседними замерами голоса.

Символьное
подавление.Часто передаваемые данные
содержат большое количество повторяющихся
байт. Например, при передаче черно-белого
изображения черные поверхности будут
порождать большое количество нулевых
значений, а максимально освещенные
участки изображения —большое количество байт, состоящих из
всех единиц. Передатчик сканирует
последовательность передаваемых байт
и, если обнаруживает последовательность
из трех или более одинаковых байт,
заменяет ее специальной трехбайтовой
последовательностью, в которой указывает
значение байта, количество его повторений,
а также отмечает начало этой
последовательности специальным
управляющим символом.

Коды
переменной длины.В этом методе
кодирования используется тот факт, что
не все символы в передаваемом кадре
встречаются с одинаковой частотой.
Поэтому во многих схемах кодирования
коды часто встречающихся символов
заменяют кодами меньшей длины, а редко
встречающихся —кодами
большей длины. Такое кодирование
называется также статистическим
кодированием. Из-за того, что символы
имеют различную длину, для передачи
кадра возможна только бит-ориентированная
передача.

При
статистическом кодированиикоды
выбираются таким образом, чтобы при
анализе последовательности бит можно
было бы однозначно определить соответствие
определенной порции бит тому или иному
символу или же запрещенной комбинации
бит. Если данная последовательность
бит представляет собой запрещенную
комбинацию, то необходимо к ней добавить
еще один бит и повторить анализ. Например,
если при неравномерном кодировании для
наиболее часто встречающегося символа
«Р» выбран код 1,состоящий
из одного бита, то значение
0однобитного кода будет запрещенным.
Иначе мы сможем закодировать только
два символа. Для другого часто
встречающегося символа «О» можно
использовать код 01,а код00оставить как запрещенный.
Тогда для символа «А» можно выбрать код
001,для символа «П» —код 0001и т. п.

Вообще,
неравномерное кодирование наиболее
эффективно, когда неравномерность
распределения частот передаваемых
символов достаточна велика, как при
передаче длинных текстовых строк.
Напротив, при передаче двоичных данных,
например кодов программ, оно малоэффективно,
так как 8-битовые коды при этом распределены
почти равномерно.

Одним
из наиболее распространенных алгоритмов,
на основе которых строятся неравномерные
коды, является алгоритм Хафмана,
позволяющий строить коды автоматически,
на основании известных частот символов.
Существуют адаптивные модификации
метода Хафмана, которые позволяют
строить дерево кодов «на ходу», по мере
поступления данных от источника.

Многие
модели коммуникационного оборудования,
такие как модемы, мосты, коммутаторы и
маршрутизаторы, поддерживают протоколы
динамической компрессии, позволяющие
сократить объем передаваемой информации
в 4,а иногда и в8раз. В таких случаях говорят, что протокол
обеспечивает коэффициент сжатия1:4или 1:8.Существуют
стандартные протоколы компрессии,
напримерV.42bis,aтакже большое количество
нестандартных, фирменных протоколов.
Реальный коэффициент компрессии
зависит от типа передаваемых данных,
так, графические и текстовые данные
обычно сжимаются хорошо, а коды программ
—хуже.

Аналоговая
модуляцияявляется таким способом
физического кодирования, при котором
информация кодируется изменением
амплитуды, частоты или фазы синусоидального
сигнала несущей частоты. Приамплитудной
модуляциидля логической единицы
выбирается один уровень амплитуды
синусоиды несущей частоты, а для
логического нуля — другой.
Причастотной модуляциизначения
0и 1исходных данных
передаются синусоидами с различной
частотой —foиfi. Этот способ модуляции
не требует сложных схем в модемах и
обычно применяется в низкоскоростных
модемах, работающих на скоростях
300или 1200бит/с.

При
фазовой модуляции(рис.
2.13,г)значениям данных
0и 1соответствуют
сигналы одинаковой частоты, но с различной
фазой, например 0и
180градусов или 0, 90,180и 270градусов.
—

В
скоростных модемах часто используются
комбинированные методы модуля-ции, как
правило, амплитудная в сочетании с
фазовой.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

1.1. Особенности канала связи

1.2. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

1.3. Методы мультиплексирования потоков данных

1.3.1. Частотное мультиплексирование

1.3.2. Временное мультиплексирование

1.3.3. Временное мультиплексирование двоичных потоков данных

1.4. Кодирование цифровых данных в ИКМ системах

1.4.1. Практические методы формирования цифровой последовательности

1.4.2. Методы двоичного кодирования и ошибки квантования

1.4.3. Параметры стандартных ИКМ систем

1.4.4. Практические методы линейного кодирования потока данных в канале

1.5. Цифровые иерархии скоростей передачи

1.5.1. Схемы плезиохронной цифровой иерархии — PDH

1.5.2. Особенности плезиохронной цифровой иерархии

1.5.3. Недостатки плезиохронной цифровой иерархии

1.5.4. Синхронные иерархии SONET/SDH

1.2. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

Указанные шаги преобразования для формирования ИКМ представлены на рис. 1-1.

— убрать существенное затухание сигнала и его изменение в сеансе связи и от сеанса к сеансу;

— практически убрать посторонние шумы;

— улучшить разборчивость речи и увеличить динамический диапазон передачи;

— для систем передачи данных — организовать канал передачи данных на скорости 56 или 64 кбит/с.

1.3. Методы мультиплексирования потоков данных

— мультиплексирование с частотным разделением каналов (частотное мультиплексирование/уплотнение);

— мультиплексирование с временным разделением каналов (временное мультиплексирование/уплотнение).

1.3.1. Частотное мультиплексирование

• основная канальная группа (называемая связистами первичной группой) — 12 стандартных телефонных каналов;

• основная супергруппа (называемая вторичной группой) — 5 канальных групп (т.е. 60 каналов);

1.3.2. Временное мультиплексирование

1.3.3. Временное мультиплексирование двоичных потоков данных

1.4. Кодирование цифровых данных в ИКМ системах

1.4.1. Практические методы формирования цифровой последовательности

ИКМ система последовательно выполняет следующие стандартные функции:

1.4.2. Методы двоичного кодирования и ошибки квантования

А-закон: y=sgn(x)[z/(1+lnA)], где z=А /х/ для 0≤х≤1/А или z=1+lnA /х/ для (1/А)</х/≤1;

μ.-закон: y=sgn(x)[ln(1+μ|x|) / ln(1+μ)].

1.4.3. Параметры стандартных ИКМ систем

Существует несколько реализации ИКМ систем, признанных в качестве стандартных:

— Т1 (AT&T, США, 1962), позднее названная Bell D1 — 24-канальная система с выходным потоком Т1 = 1544 кбит/с;

— D2 (Bell, США) — 24-канальная система, описана в ITU-T Rec. G.733 [31];

— U.K. (Англия) — 24-канальная система с выходным потоком 1536 кбит/с;

— СЕРТ (Европа) — 30-канальная система с выходным потоком Е1 = 2048 кбит/с, описана в ITU-

Т Rec. G.732 [32]. Параметры этих систем сведены в таблицу 1-1:

1.4.4. Практические методы линейного кодирования потока данных в канале

— спектр содержит большую постоянную составляющую, усложняющую фильтрацию

напряжения сети питания.

— минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах;

— непрерывный спектр должен быть достаточно узкополосным для передачи через канал связи без искажений;

— малую избыточность, для снижения относительной скорости передачи в канале связи;

б) — однополярный код без возвращения к нулю — NRZ;

в) — двухполярный NRZ или симметричный телеграфный код;

к) — однополярный эквивалент кода HDB3 в оптической линии связи.

RZ — Return to Zero code — основополагающий трехуровневый код с возвращением к нулю.

1->11-1->10-0->00-1->01-1->10-0->00-1->01-0->1Г и т. д.

1.5. Цифровые иерархии скоростей передачи

1.5.1. Схемы плезиохронной цифровой иерархии — PDH

Здесь DSJ3 и DSJ4 мы будем называть цифровыми каналами 3-го и 4-го уровней Японской PDH иерархии.

Работы по стандартизации иерархий как в Европе, так и в Америке, имели два важных последствия:

— разработка схемы плезиохронной цифровой иерархии (PDH или ПЦИ);

— разработка схемы синхронной цифровой иерархии (SONET/SDH или СЦИ).

1.5.2. Особенности плезиохронной цифровой иерархии

1.5.3. Недостатки плезиохронной цифровой иерархии

1.5.4. Синхронные иерархии SONET/SDH

• разработать стандартные интерфейсы для облегчения стыковки оборудования.

— в-пятых, ориентировать иерархию на использование оптических (а не электрических) сред передачи сигнала.

Источник

AT	начало (префикс) командной строки. После получения этой команды модем автоматически подстраивает скорость передачи и формат знака к параметрам терминала.
A	ручной ответ. Команда переключает модем из командного режима на режим ожидания сигнала несущей вызывающего модема. После получения сигнала несущей, модем реализует процедуру положительного ответа на вызов и действует как переключенный на процедуру автоматического ответа. Если модем работает на выделенных линиях связи, то отвечает несущей без указания частоты. В этом случае если автоматический ответ (auto-answer) выключен (S0=0) и происходит вызов, то для получения связи надо передать команду ATA.
A/	модем повторяет предыдущую командную строку. Команда подается без префикса (AT) и нажатия.
Bn	выбор коммуникационного стандарта: n = 0 CCITT V.21, V.22, V.22bis, n = 1 BELL 103/202A.
Ds	автоматический набор номера. После получения этой команды, модем начинает набор номера и при получении связи переходит в режим передачи. Команда состоит из телефонного номера, в состав которого могут входить следующие управляющие параметры: s = P обозначает, что цифры телефонного номера идущие после символа P модем должен набирать импульсно (используются символы 0-9). s = T обозначает, что цифры телефонного номера идущие после символа T модем должен набирать частотой (разрешено использовать символы 0-9, A-D, * а также #). s = , обозначает перерыв перед набором следующей цифры (2s). s = ; если применяется как последний знак в командной строке, то модем после набора номера переходит в командный режим работы. s = @ модем ожидает 5-секундной тишины на линии, если она не появится в течении 30s (содержимое регистра S7), модем отключается, и отвечает NO ANSWER. s = ! если знак ! стоит перед знаками последовательности набора, модем переходит в состояние ON HOOK (кладет трубку) на 0,5s, а затем снова перейдет в состояние OFF HOOK (снимает трубку). s = S модем набирает телефонный номер записанный в памяти EEROM. s = R при записи как последний символ в командной строке, устанавливает модем после набора номера в режим answer, но только в том случае, если модем звонит к модему originate. s = W модем ожидает ответ станции (длинный гудок) перед дальнейшим набором телефонного номера (например выход на автоматическую междугороднюю связь).
En	местное эхо ON/OFF. После команды E1 модем возвращает эхо каждого знака передаваемого ему, что позволяет узнать, как действительно работает командная линия. Команда E0 блокирует эту функцию. n = 0 эхо выключено, n = 1 эхо включено
Hn	управление линией. Команда используется прежде всего при окончании телефонной связи: n = 0 отключение модема от линии, n = 1 подключение модема на линию.
In	производственный код и контрольная сумма: n = 0 сообщение сода продукта, n = 1 подсчет контрольной суммы программы содержащейся в ROM (EPROM), n = 2 модем проверяет состояние внутренней памяти ROM и возвращает сообщение OK или ERROR.
Ln	установка громкости сигнала встроенного динамика (громкоговорителя). n = 0,1 низкая n = 2 средняя n = 3 высокая
Mn	управление динамиком (громкоговорителем). n = 0 динамик выключен, n = 1 динамик включен только во время набора номера и выключается после обнаружения несущей, n = 2 динамик включен все время, n = 3 динамик включается после набора последней цифры номера и выключается после обнаружения несущей отвечающего модема.
Qn	управление ответом модема. n = 0 ответ включен, n = 1 ответ выключен. Независимо от состояния Q0 или Q1 модем всегда сообщает содержание S-регистров, код продукта, контрольную сумму и результаты теста (смотри команды S, I, а также &T).
O	после прохождения команды, модем настраивается на режим передачи данных и отвечает CONNECT (если до этого он находился в командном режиме работы).
Sr	управление S-регистрами.
Sr?	считывание содержимого S-регистра номер r.
Sr=nnn	ввод числового параметра nnn в S-регистр номер r. Все команды модифицируют содержимое одного или более S-регистров. Некоторые S-регистры содержат временные параметры, которые можно поменять только командой S.
Vn	выбор вида ответа модема. n = 0 ответ цифровым кодом, n = 1 ответ в символьном виде на английском языке.

Стандартный набор ответов модема
Ответ в символьном виде	Ответ цифровым кодом	Значение ответа
OK	0	Модем выполнил команду
CONNECT	1	Модем подключен со скоростью 300bps. После команды X0 возможна работа со скоростью 600, 1200, 2400 bps.
RING	2	Модем обнаружил правильный сигнал звонка. Ответ выдается всегда, независимо от режима работы.
NO CARRIER	3	Модем потерял несущую или не получил ответ от удаленного модема.
ERROR	4	Ошибка в командной строке. Командная строка длиннее 40 символов, или ошибка в контрольной сумме (смотри команду L2).
CONNECT 1200	5	Модем подключен со скоростью 1200 bps, (смотри команды X1, X2, X3, X4).
NO DIALTONE	6	Отсутствие сигнала станции коммутации (смотри команды X2, X4).
BUSY	7	Номер (канал) занят.
NO ANSWER	8	Ответ получается в случае использования в командной строке управляющего символа @ и если не выполнено условие — 5s тишины (см команду D).
CONNECT 600	9	Модем подключен со скоростью 600 bps, (смотри команды X1, X2, X3, X4).
CONNECT 2400	10	Модем подключен со скоростью 2400 bps, (смотри команды X1, X2, X3, X4).

1.2. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

1.3. Методы мультиплексирования потоков данных

1.3.1. Частотное мультиплексирование

1.3.2. Временное мультиплексирование

1.3.3. Временное мультиплексирование двоичных потоков данных

1.4. Кодирование цифровых данных в ИКМ системах

1.4.1. Практические методы формирования цифровой последовательности

1.4.2. Методы двоичного кодирования и ошибки квантования

1.4.3. Параметры стандартных ИКМ систем

1.4.4. Практические методы линейного кодирования потока данных в канале

1.5. Цифровые иерархии скоростей передачи

1.5.1. Схемы плезиохронной цифровой иерархии — PDH

1.5.2. Особенности плезиохронной цифровой иерархии

1.5.3. Недостатки плезиохронной цифровой иерархии

1.5.4. Синхронные иерархии SONET/SDH

Рекомендуемые материалы

Лекция 11

Модемы

Стандарты

Протоколы модуляции

Протоколы сжатия и обнаружения ошибок

Протоколы передачи файлов

Архитектура

Аппаратная реализация

1.2. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

1.3. Методы мультиплексирования потоков данных

1.3.1. Частотное мультиплексирование

1.3.2. Временное мультиплексирование

1.3.3. Временное мультиплексирование двоичных потоков данных

1.4. Кодирование цифровых данных в ИКМ системах

1.4.1. Практические методы формирования цифровой последовательности

1.4.2. Методы двоичного кодирования и ошибки квантования

1.4.3. Параметры стандартных ИКМ систем

1.4.4. Практические методы линейного кодирования потока данных в канале

1.5. Цифровые иерархии скоростей передачи

1.5.1. Схемы плезиохронной цифровой иерархии — PDH

1.5.2. Особенности плезиохронной цифровой иерархии

1.5.3. Недостатки плезиохронной цифровой иерархии

1.5.4. Синхронные иерархии SONET/SDH