уЧЕБНИК. Конспект лекций СанктПетербург 2005
 Скачать 1.58 Mb.
|
|
Ю.А. Зингеренко О С Н О В Ы П О С Т Р О Е Н И Я Т Е Л Е КО М М У Н И К А Ц И О Н Н Ы Х С И С Т Е М И С Е Т Е Й Конспект лекций Санкт-Петербург 2005 2 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ Ю.А. Зингеренко О С Н О В Ы П О С Т Р О Е Н И Я Т Е Л Е КО М М У Н И К А Ц И О Н Н Ы Х С И С Т Е М И С Е Т Е Й Конспект лекций Санкт-Петербург 2005 3 Зингеренко Ю.А. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей / Конспект лекций. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. – 143 с. Содержит основные вопросы построения систем и сетей связи различного назначения. Предназначено для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Физика и техника оптической связи». © Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2005 © Ю.А. Зингеренко, 2005 4 СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение 5 2. Архитектура взаимосвязанной сети связи (ВСС) РФ 6 2.1. Деление по ведомственной принадлежности 6 2.2. Деление по архитектуре 6 2.3. Деление по среде передачи 7 2.4. Взаимоувязанность сети связи реализуется следующими службами 7 3. Первичные электрические сигналы и их характеристики 8 4. Элементы теории телетрафика 16 4.1.Телефонная нагрузка 16 4.2. Качество обслуживания 18 4.3. Основы построения телефонной сети. Общие сведения 19 5. Принципы построения систем коммутации 20 6. Коммутация пакетов 28 7. Типовые каналы передачи и основные характеристики каналов 37 7.1. Понятие об уровнях передачи. Рабочее затухание (усиление) 38 7.2. Остаточное затухание канала 39 7.3. Частотная характеристика канала 40 7.4. Фазовая характеристика канала 42 7.5. Амплитудная характеристика 44 7.6. Коэффициент нелинейных искажений 44 7.7. Защищенность от помех 45 7.8. Организация двухсторонних каналов 47 7.9. Разделение во времени 51 8. Принципы построения систем передачи с частотным разделением каналов 51 8.1. Методы формирования и передачи канальных сигналов в СП с ЧРК 58 8.2 Линейный тракт систем передачи с ЧРК 65 8.3. Размещение усилителей. Накопление собственных помех 67 8.4. Коррекция линейных искажений в каналах и групповых трактах 71 8.5. Автоматическое регулирование уровней 74 8.6. Иерархическое построение МСП с ЧРК 76 8.6.1. Системы передачи по коаксиальным кабелям 76 8.6.2. Системы передачи по симметричным кабелям 82 9. Принципы построения СП с временным разделением каналов и импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) 86 9.1. Основные особенности ЦСП 88 9.2 Оборудование цифровых систем передачи 89 9.3 Оборудование аналого-цифрового преобразования 91 9.4 Оборудование временного группообразования 93 9.5 Оборудование линейного тракта 94 9.6 Иерархия цифровых систем передачи 97 9.7 Особенности построения волоконно-оптических цифровых систем передачи 102 5 10. Сети подвижной связи 103 10.1 Сети сотовой подвижной связи 105 10.2 Сети транкинговой связи 114 10.3 Сети персонального радиовызова 116 10.4 Сети персональной спутниковой связи 118 11.Спутниковое телевидение 124 11.1 Принципы построения спутниковых систем связи 124 11.2 Спутниковое телевизионное вещание 125 11.3 Методы формирования и передачи спутниковых телевизионных сигналов 127 11.4 Цифровое телевидение 131 11.5 Стандарт MPEG 135 Литература 141 6 1. Введение Несмотря на наличие значительного потенциала, в первую очередь, кадрового и образовательного, чем всегда славилась и сегодня сильна Россия, уровень распространения информационных технологий у нас ниже по сравнению с основными развитыми странами. Мы отстаем как по масштабу использования, так и по производству средств вычислительной техники и программного обеспечения. По количеству компьютеров на сто жителей у нас показатели ниже европейских в 5-6 раз. И хотя наблюдается быстрый рост количества пользователей Интернет, все равно этот сегмент остается небольшим и составляет лишь малую часть мировой сети – всего 1%. Вместе с тем рынок инфокоммуникаций России развивается очень динамично. Объем предоставляемых услуг электросвязи вырос за последний год на 40%. Интенсивно развиваются новые виды информационных услуг, таких, как электронная торговля, дистанционное образование, справочные услуги. За год число пользователей Интернет выросло почти на полтора миллиона человек. Сегодня мы понимаем те колоссальные преимущества, которые несет с собой развитие и распространение информационно-коммуникационных технологий. Инфокоммуникации обеспечивают реализацию прав граждан на доступ к достижениям цивилизации, к мировым информационным ресурсам, а также обеспечивают культурный обмен, дистанционное образование, телемедицину, электронную коммерцию. Приоритетное развитие информатизации обеспечивается следующими условиями: Рис.1.1. Приоритеты развития информатизации в РФ 7 Все эти условия являются важнейшей целью государственной политики России в сфере информационных технологий. 2. Архитектура взаимосвязанной сети связи (ВСС) РФ 2.1. Деление по ведомственной принадлежности Взаимоувязанная сеть связи (ВСС) Российской Федерации по ведомственной принадлежности подразделяется на две большие группы: телефонную сеть общего пользования (ТФ ОП), которая курируется Министерством информатики и связи, и ведомственные сети связи. Телефонная сеть общего пользования принадлежит, в основном, АО Ростелеком, АО Связьинвест, областным АО Электросвязь и телефонным сетям крупных городов. Ведомственные сети связи принадлежат различным министерствам и ведомствам, таким, как Министерство путей сообщения (МПС), АО Транстелеком, АО Газпром, АО Связьтранснефть, АО Телекомнефтепродукт, РАО Единые энергосистемы, Министерство обороны РФ, Федеральное агенство правительственной связи и информатики. Рис.2.1. Деление ВСС по ведомственной принадлежности 2.2. Деление по архитектуре По архитектуре ВСС подразделяется на магистральные (междугородние и международные), зоновые (внутриобластные), местные (городские и сельские) и локальные (внутриобъектовые) линии связи. 8 Рис.2.2. Деление ВСС по архитектуре 2.3. Деление по среде передачи По среде передачи ВСС можно разделить на кабельные (волоконно- оптические и по медным кабелям), радиорелейные, спутниковые, мобильные и арендованные, т.е. организованные по арендованным каналам линии и сети связи. Рис.2.3. Деление ВСС по среде передачи 2.4. Взаимоувязанность сети связи реализуется следующими службами А) Госсвязьнадзор обеспечивает: • Надзор и контроль за лицензируемой деятельностью в области электросвязи; • Инспектирование технологического состояния сетей и средств связи; • Проведение экспертиз при вводе в эксплуатацию; • Планирование и назначение радиочастот в пределах выделенных диапазонов; • Международную координацию; Б) Центр сертификации при МС РФ обеспечивает: 9 • Выдачу сертификатов на оборудование систем связи с проверкой на соответствие международным (международного союза электросвязи МСЭ ) и Российским стандартам. В) Государственная комиссия по радио частотам при МС обеспечивает: • Выделение диапазонов частот. Г) ФАПСИ при Президенте РФ обеспечивает: • Лицензирование и сертификацию в области защиты информации с целью обеспечения информационной безопасности РФ. 3. Первичные электрические сигналы и их характеристики В соответствии с определением, принятым в теории информации, сигнал есть материальный носитель информации. В системах связи сигнал представляет собой процесс изменения во времени и в пространстве некоторой физической величины, характеризующей передаваемое сообщение. Так, например, при разговоре (акустическая связь) переносчиком информации служит звуковое поле; изменение звукового давления, характеризующее передаваемое сообщение, является в этом случае сигналом. В системах электрической связи сигналы представляют собой электромагнитные процессы, параметры которых изменяются в соответствии с передаваемым сообщением. Например, мгновенное значение тока в цепи микрофона пропорционально звуковому давлению; микрофон преобразует акустические сигналы в электрические и, таким образом, дает возможность передавать звуковые сообщения по кабелям электрической связи. В процессе передачи сигнал подвергается ряду преобразований, важнейшими из которых являются модуляция и кодирование и обратно – демодуляция и декодирование. В импульсных и цифровых системах связи сигналы подвергаются дискретизации. При передаче по каналу связи сигналы претерпевают искажения, связанные с несовершенством устройств, входящих в канал, и маскируются помехами. Система связи должна быть построена так, чтобы, несмотря на искажения и помехи, возникающие при передаче сигналов, было бы возможно восстановление исходного сообщения с необходимой степенью точности. Чтобы выполнить это условие, при построении систем связи необходимо знать основные характеристики сигналов, соответствующие различным сообщениям. 10 В системе электрической связи важную роль играют первичные преобразователи, превращающие сообщения источника в электрические сигналы. При передаче телефонных сообщений и звуковом вещании первичными преобразователями служат микрофоны, в телеграфии – телеграфные аппараты, при передаче изображений в факсимильной связи и телевидении – устройства электрооптического анализа. Сигналы, формируемые первичными преобразователями, называются первичными сигналами. Ясно, что свойства первичных сигналов в значительной мере определяют требования к системам связи. Подходящей математической моделью для описания сигналов связи являются случайные процессы; свойства случайных процессов характеризуются n-мерной функцией распределения и тем точнее, чем больше n. Однако, практическое определение многомерных функций распределения связано с чрезвычайными трудностями, поэтому в большинстве случаев для описания сигналов пользуются понятием энергетического спектра и некоторыми числовыми характеристиками. К ним относятся: Полоса частот, необходимая для передачи сигнала с допустимыми искажениями, f Δ (часто ее называют эффективной полосой) Мощности сигнала – пиковая или максимальная P макс ,, средняя P ср и минимальная P мин В качестве энергетических характеристик сигналов часто используют понятия динамического диапазона , lg 10 мин макс P P D = дБ (3.1) и пикфактора , 10lg ср макс P P = ν дБ. (3.2) Рассмотрим характеристики первичных сигналов. Телефонные (речевые) сигналы Звуки речи представляют собой сложные звуковые колебания, следовательно, первичные сигналы, формируемые микрофоном, также очень сложны. Спектр звуков речи содержит колебания с частотами от 70-80 до 8000-20000 Гц. Однако основная мощность речевых сигналов сосредоточена в полосе частот от 150 до 1500-2000 Гц. В результате действия резонирующих полостей речеобразующего тракта человека (полости рта и носа) в спектре звуков создаются области повышенной интенсивности, называемые формантами. Большая часть формантных областей расположена в диапазоне частот от 300 до 3000 Гц. Ограничение спектра речевых сигналов приводит к ухудшению качества принимаемой речи – искажается тембр, теряется естественность и узнаваемость, снижается разборчивость. Экспериментальные исследования показали, что вполне удовлетворительное качество речи получается при передаче в полосе частот от 250-300 до 3300-3500 Гц. Поэтому полоса эффективно передаваемых частот стандартного канала тональной частоты находится в пределах от 300 до 3400 Гц. 11 Мощность разговорных звуков изменяется в очень широких пределах от 0,01мкВт при шепоте до 10000мкВт при крике. Средняя мощность речи при нормальном разговоре с учетом пауз между словами и фразами равна приблизительно 10мкВт. Таким образом, при учете всех возможностей речи динамический диапазон речевых сигналов оказывается чрезвычайно большим 55 = D дБ, 5 , 27 = ν дБ. Однако при расчете каналов телефонной связи не следует ориентироваться на необходимость передачи сигналов с таким большим динамическим диапазоном, т.к. это связано с серьезными техническими трудностями. Кроме того, исследования показывают, что в большинстве случаев динамический диапазон речи значительно меньше. Так, например, при плавном разговоре со средним уровнем громкости пикфактор не превосходит величины 18 14 − = ν дБ. Поэтому, при передаче речевых сообщений принимают динамический диапазон равным 23-27 дБ. Кроме речевого сигнала телефонная система передачи должна передавать специальные сигналы управления и взаимодействия СУВ на другой конец связи. По цепи между телефонной станцией и абонентом передаются следующие сигналы: постоянным током для дистанционного управления, образующиеся снятой и лежащей на месте телефонной трубкой, импульсы или частоты набора номера, а также сигнала вызова переменным током. Эту информацию на центральной станции преобразуют для передачи по специальным сигнальным проводам, называемым проводами E и M (E &M сигнализация). Сигналы, передаваемые постоянным током по проводу M с вызывающей станции, поступают в провод E на вызываемой станции и наоборот. Адресация или указание номера вызываемого абонента производится вызывающим абонентом. Это делается, в основном, двумя способами – набирая номер диском телефонного аппарата или расположенном на нем кнопками. При наборе номера диском телефонного аппарата обрывается токовая цепь между абонентом и телефонной станцией. При наборе номера кнопками передаются либо импульсы определенной частоты, либо тональные частоты. Сигналы акустического вещания Спектр сигналов возникающих при исполнении вокальных и инструментальных музыкальных произведений, расположен в полосе частот от 16 до 15000-20000 Гц. Однако, в зависимости от требования к качеству воспроизведения полоса частот, необходимая для передачи сигналов акустического вещания, может быть ограничена. Так, для каналов первого класса - от 50 до 10000 Гц и для каналов высшего класса от 30 до 15000 Гц. Динамический диапазон сигналов акустического вешания чрезвычайно велик. Так, динамический диапазон симфонического оркестра достигает 100 дБ, т.е. максимальная мощность сигнала больше минимальной в 10 10 раз. Передать по линии сигнал с таким динамическим диапазоном чрезвычайно трудно – потребуется очень мощная дорогостоящая аппаратура. Поэтому, не снижая заметно качества передачи, ограничивают динамический диапазон сигналов 12 вещания величиной 40 дБ для каналов первого класса и 50 дБ для каналов высшего класса. Сигналы телевизионного вещания Полный телевизионный сигнал черно-белого телевидения состоит из сигналов изображения, синхронизации и гашения обратного хода луча приемной трубки по строкам и кадрам. Сигналы синхронизации содержат синхронизирующие импульсы строчной и полукадровой частоты и уравнивающие импульсы. Рис.3.1. Стандартные телевизионные видеосигналы: а) В начале каждого первого поля, б) В начале каждого второго поля. Отечественный стандарт на черно-белое телевидение предусматривает передачу 25 кадров в секунду. Каждый кадр составляется из двух полей (полукадров). Число строк в кадре – 625. Развертка изображения чересстрочная, т.е. поля с нечетными строками и поля с четными строками передаются поочередно. Это позволяет ослабить визуальный эффект мерцания воспроизводимого изображения без увеличения числа элементов изображения, передаваемых за одну секунду. Отношение ширины кадра к его высоте (формат кадра) равна 4:3.Развертка изображения осуществляется по строкам слева на право и по полукадрам сверху вниз. Номинальное значение частоты строчной развертки f c =15625 Гц, а частоты полей 50 Гц. Во всех точках соединения по видеочастоте в трактах передачи телевидения номинальный размах полного видеосигнала должен 13 составлять 1 В. Время передачи одной строки T c =64 мкс. Длительность строчных импульсов гашения 12 мкс, а синхронизирующих 4,7 мкс. Импульсы синхронизации передаются ниже уровни черного. Введение уравнивающих импульсов (частота следования 2f c, а длительность 2,35 мкс) и нескольких кадровых синхронизирующих импульсов (один широкий, разделенный врезками на пять) обеспечивает идентичные условия работы устройств синхронизации полукадров при передаче четных и нечетных строк и непрерывность работы строчной синхронизации во время полукадровых импульсов. В современных системах цветного телевидения многоцветное изображение разделяется на три одноцветных, называемых цветоделенными. Они соответствуют основным цветам: красному R, зеленому G и синему B. Однако, передаются не сигналы, соответствующие этим трем цветам, а сигналы яркости и цветности изображения, образуемые из этих трех сигналов. Сигнал яркости создает нормальное черно-белое изображение и обеспечивает передачу необходимого числа градаций яркости передаваемого изображения. Он получается путем сложения в определенном соотношении сигналов основных цветов. Цветность изображения передается с помощью двух цветоразностных сигналов. Таким образом, обеспечивается совместимость черно-белого и цветного телевидения. Системы ЦТВ – NTSC, PAL и SEKAM отличаются главным, образом, способом модуляции цветовой поднесущей частоты цветоразностными сигналами. Ширина видеоканала 6 МГц, расстояние между несущими звука и изображения 6,5 МГц, ширина радио канала телевизионного вещания 8 МГц. Сигналы передачи данных Сигналы передачи данных обычно имеют вид последовательностей двуполярных или однополярных прямоугольных импульсов. Сигналы такой формы называют двоичными. Длительность импульсов и τ определяется скоростью передачи B, измеряемой в бит/с (число символов в секунду). Вводится понятие тактовой частоты и т F τ 1 = , которая численно равна скорости передачи. Рис.3.2. Двоичные импульсы передачи данных c(t) с и τ и τ t -c c(t) c и τ t 14 Вероятность появления положительных p(+C) и отрицательных p(-C) импульсов, а также статистические связи между импульсами определяются свойствами источника информации. Часто p(+C)=p(-C)=0,5 и импульсы последовательности статистически независимы. Энергетический спектр такого сигнала 2 2 sin ) ( 2 и и и с Ф ωτ ωτ π τ ω ⋅ = (3.3) Подставляя f ⋅ = π ω 2 и т и F 1 = τ и обозначая нормированный спектр и т т н с F f Ф F f Ф τ π 1 ) / ( ) / ( 2 = ↑ , получим т т т н F f F f F f Ф π π sin = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ (3.4) Определим минимальную полосу частот, F Δ , необходимую для передачи сигнала данных. Выражение для ) ( ω Ф показывает, что для неискаженной передачи последовательности прямоугольных импульсов необходима бесконечно широкая полоса частот, т.к. спектральная плотность сигнала не равна нулю на всей оси частот. Следует, однако, иметь ввиду, что при передаче двоичных сигналов в приемнике нет необходимости восстанавливать импульсы без искажений, т.е. сохранять их прямоугольную форму. Рис.3.3. Энергетический спектр сигнала передачи данных Для восстановления информации достаточно зафиксировать только знак импульса при двухполярном сигнале, либо наличие или отсутствие импульсов при однополярном. Исходя из этого, будем решать задачу определения величины F Δ Пусть на вход идеального фильтра низких частот ФНЧ с частотной характеристикой Фн 1,0 0,5 fв 0 0,5 1,0 15 ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ > ≤ = с с при при K ω ω ω ω ω 0 1 ) ( (3.5) подается последовательность из двух прямоугольных импульсов ) ( 1 t f (Рис.3.4). Найдем сигнал на выходе фильтра ) ( 2 t F при различных значениях частоты среза с c f ⋅ = π ω 2 Сигнал ) ( 1 t f можно представить аналитически в виде ) 3 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) ( 1 и и и t t t t t f τ σ τ σ τ σ σ − − − + − − = , где ) ( t σ - единичный скачок. ⎩ ⎨ ⎧ > < = 0 1 0 0 ) ( t при t при t σ . (3.6) Рис.3.4. Известно, что скачок на выходе идеального фильтра при подаче на его вход единичного скачка определяется выражением t Si t h c ω π 1 2 1 ) ( + = , (3.7) где Si dx x x z z ∫ = 0 sin - интегральный синус. Используя принцип суперпозиции, найдем ) ( 2 t f на выходе идеального фильтра [ ] ) 3 ( ) 2 ( ) ( 1 ) ( 2 c c и c и c c t Si t Si t Si t Si t f τ ω τ ω τ ω ω τ − − − + − − = . (3.8) На рис.3.9 представлены графики функции ) ( 2 t f при различных значениях частоты среза с ω .Как видно наличие или отсутствие импульсов можно уверенно зафиксировать при B F f T и с 5 , 0 5 , 0 2 1 = = = τ Таким образом, если частотные характеристики канала связи приближаются к характеристикам идеального ФНЧ, то эффективная полоса частот двоичного сигнала составляет T F F 5 , 0 = Δ . При наличии частотных искажений в реальных каналах приходится несколько расширять полосу частот, отводимую для передачи импульсных сигналов. Часто принимают B F F T − = Δ f 1 (t) 1 t и τ и τ и τ 16 2 f и τ t T c F f 2 = 2 f и τ t T c F f = 2 f и τ t T c F f 5 , 0 = 17 Рис.3.9. Вид f 2 (t) при различных значениях частоты среза 4. Элементы теории телетрафика |