Радиоэлектроника и телекомуникации

Введение

Вторичная сеть общего пользования представляет собой совокупность автоматических телефонных станции (АТС), узлов автоматической коммутации (УАК), абонентских аппаратов и линий, а также каналов передачи, полученных из первичной сети. В этой вторичной сети существует иерархия, подобная ярусам первичной сети. Как правило, абоненты подключаются к ней через местные (городские или сельские) сети связи, являющиеся нижним ярусом этой сети. Местные сети объединяются в зоновые сети (средний ярус) с помощью каналов связи первичной внутризоновой сети. Связь между абонентами различных зон (верхний ярус) осуществляется через каналы первичной магистральной сети.

Структура городской телефонной сети существенно зависит от количества абонентов и размеров территории. В частности при небольшой емкости (до 10 тыс. номеров) строилась одна АТС для всех абонентов. При средней емкости (до 40-50 тыс. номеров) строили несколько АТС, соединенные по принципу "каждая с каждой". На сетях большой емкости необходимо было вводить узлы входящего сообщения (УВС). В каждом узловом районе УВС соединялся со всеми АТС сети радиально, объединяя потоки от АТС всех других узловых районов к АТС своего района. В пределах каждого узлового района АТС соединялась по способу "каждая с каждой". При емкости сети более 400-500 тыс. номеров приходилось еще более усложнять структуру, вводя узлы исходящего сообщения (УИС). Такой узел собирал информационные потоки от всех АТС своего узлового района и распределял их к УВС всех других районов. Такая структура смешанного типа характерна для городской сети и других крупных промышленных центров и городов.

Автоматическая междугородная телефонная сеть сочетает в себе два принципа: радиально-узловой и "каждый с каждым". Система телефонной связи предназначена для удовлетворения населения и предприятий в передаче сообщений пользователей как в пределах страны, так и при выходе на международную телефонную сеть, и представляет следующие виды услуг:

) Услуги доставки сообщений: речевых, факсимильных, электронной почты, данных. Эти услуги предоставляются техническими службами, использующими физические ресурсы сети.

) Специальные услуги - это информационно-справочные, заказные и дополнительные, предоставляемые службами сервиса автоматически или с помощью оператора.

1. Виды модемов и их применение

.1 Модемы для коммутируемых аналоговых телефонных линий

Телефонные сети общего пользования, кроме передачи голоса, позволяют передавать цифровые данные при помощи модемов. Модем (модулятор-демодулятор) служит для передачи данных на большие расстояния с использованием выделенных и коммутируемых телефонных линий. Модулятор поступающую от компьютера двоичную информацию преобразует в аналоговые сигналы с частотной или фазовой модуляцией, спектр которых соответствует полосе пропускания обычных голосовых телефонных линий. Демодулятор из этого сигнала извлекает закодированную двоичную информацию и передает ее в принимающий компьютер. Факс-модем (fax-modem) позволяет передавать и принимать факсимильные изображения, совместимые с обычными факс-машинами. Цифровой сигнал используется для модуляции амплитуды, частоты или фазы звуковой несущей , в зависимости от того, какая скорость передачи данных требуется. Эти три типа модуляции известны как амплитудно-манипулированная (amplitude shift keying - ASK), частотно-манипулированная (frequency shift keying - FSK) или фазоманипулированная (phase shift keying - PSK). В простейшем случае модулированная несущая в каждый момент времени имеет одно из двух фиксированных значений параметров, то есть одну из двух амплитуд, одну из двух частот или один из двух фазовых сдвигов. Эти два фиксированных значения представляют собой логический 0 или логическую 1. При низких и средних скоростях передачи данных (до 1200 бит/с) используется частотная модуляция (FSK). Многофазные PSK используются при скоростях передачи данных от 2400 бит/с до 4800 бит/с. PSK более эффективно использует ширину диапазона, чем FSK,но ее реализация значительно дороже. ASK наименее эффективна и используется только для очень низких скоростей передачи (менее чем 100 бит/с). Для скоростей от 9600 бит/с до 33600 бит/с используется комбинация PSK и ASK, называемая квадратурной амплитудной модуляцией (QAM).

Основным параметром модема является обеспечиваемая скорость передачи данных. Ограниченность эффективно пропускаемой полосы частот (ЭППЧ) канала ТЧ (3100 Гц) является основной преградой в использовании телефонной сети для высокоскоростной передачи данных. Скорость передачи информации по каналу с ЭППЧ не может превосходить ее ширины, т.е. 3100 бод в случае канала ТЧ. Но как же тогда быть с модемами, передающими информацию со скоростями 14400, 28800 бит/с и даже больше? Ответ напрашивается сам: бод и бит/с не одно и то же.

На временной диаграмме несущего сигнала можно выделить равные по длительности отрезки времени, на которых несущий сигнал имеет определенные постоянные значения своих параметров. Эти отрезки времени называют бодовыми интервалами. Число бодовых интервалов в единицу времени определяет модуляционную скорость (еще ее называют линейной или бодовой). Модуляционная скорость измеряется в бодах.

Если кодируемый элемент соответствует одному биту информации (0 или 1), то на бодовом интервале параметры сигнала соответственно могут принимать одну из двух определенных совокупностей значений амплитуды, частоты и фазы. В этом случае модуляционная скорость равна информационной, т.е. 1 бод = 1 бит/с. Кодируемый элемент может соответствовать не одному, а, например, двум битам информации. В этом случае информационная скорость будет вдвое превосходить бодовую, а параметры сигнала на бодовом интервале могут принимать одну из четырех совокупностей значений, соответствующих 00, 01, 10 или 11.

1.2 Модемы для выделенных телефонных линий

Выделенные физические линии имеют полосу пропускания гораздо более широкую, чем коммутируемые. Для них выпускаются специальные модемы, обеспечивающие передачу данных со скоростями до 2048 кбит/с и на значительные расстояния.

.3 Модемы- xDSL

Технологии xDSL основаны на превращении абонентской линии обычной телефонной сети из аналоговой в цифровую xDSL (Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия). Суть данной технологии заключается в том, что на обоих концах абонентской линии - на АТС и у абонента - устанавливаются разделительные фильтры (splitter).

Низкочастотная (до 3,5 кГц) составляющая сигнала заводится на обычное телефонное оборудование (порт АТС и телефонный аппарат у абонента), а высокочастотная (выше 4 кГц) используется для передачи данных с помощью xDSL-модемов.  Абонент, пользующийся в настоящий момент обычной телефонной связью, имеет возможность с помощью технологии DSL значительно увеличить скорость своего соединения, например, с сетью Интернет. Благодаря многообразию технологий DSL пользователь может выбрать подходящую именно ему скорость передачи данных - от 32 Кбит/с до более чем 50 Мбит/с. Данные технологии позволяют также использовать обычную телефонную линию для таких широкополосных систем, как данные, IP-телевидение, видео по запросу(VOD), передача данных от камер видеонаблюдения или дистанционное обучение.

Современные технологии DSL приносят возможность организации высокоскоростного доступа в Интернет в каждый дом или на каждое предприятие среднего и малого бизнеса, превращая обычные телефонные кабели в высокоскоростные цифровые каналы. Причем скорость передачи данных зависит только от качества и протяженности линии, соединяющих

пользователя и провайдера. Технологии xDSL позволяют одновременно использовать одну и ту же телефонную линию и для передачи данных, и для передачи голоса (телефонных переговоров), чего не позволяют обычные модемы для коммутируемых линий.

.3.1 Принцип работы технологии DSL

2. Общеупотребительные модемные протоколы МСЭ-Т

- V.21. Дуплексный протокол с ЧРК и ЧМ. На нижнем канале (его обычно использует для передачи вызывающий модем) "1" передается частотой 980 Гц, а "0" - 1180 Гц. На верхнем канале (передает отвечающий) "1" передается частотой 1650 Гц, а "0" - 1850 Гц. Модуляционная и информационная скорости равны - 300 бод, 300 бит/с.

Несмотря на невысокую скорость, данный протокол находит применение прежде всего в качестве "аварийного", при невозможности вследствие высокого уровня помех использовать другие протоколы физического уровня. Кроме того, ввиду своей неприхотливости и помехоустойчивости, он используется в специальных высокоуровневых приложениях, требующих высокой надежности передачи. Например, при установке соединения между модемами по Рекомендации V.8, или для передачи управляющих команд при факсимильной связи (верхний канал).

V.22. Дуплексный протокол с частотным разделением каналов и относительной фазовой модуляцией (ОФМ). Несущая частота нижнего канала (передает вызывающий) - 1200 Гц, верхнего (передает отвечающий) - 2400 Гц. Модуляционная скорость - 600 бод. Имеет режимы двухпозиционной (кодируется бит) и четырехпозиционной (дибит) ОФМ с фазовым расстоянием между точками, соответственно, в 180° и 90°. Соответственно, информационная скорость может быть 600 или 1200 бит/с. Этот протокол фактически поглощен протоколом V.22bis.

- V.22bis. Дуплексный протокол с ЧРК и КАМ. Несущая частота нижнего канала (передает вызывающий) - 1200 Гц, верхнего - 2400 Гц. Модуляционная скорость - 600 бод. Имеет режимы 4-позиционной (кодируется дибит) и 16-позиционной (кодируется квадробит) КАМ. Соответственно, информационная скорость может быть 1200 или 2400 бит/с. Режим 1200 бит/с полностью совместим с V.22. Протокол V.22bis является стандартом де-факто для всех низкоскоростных модемов.

- V.32. Дуплексный протокол с эхоподавлением и КАМ или КАМ с решетчатым кодированием. Частота несущего сигнала - 1800 Гц, модуляционная скорость - 2400 бод. Таким образом, используется спектр шириной от 600 до 3000 Гц. Имеет режимы двухпозиционной (бит), 4-позиционной (дибит) и 16-позиционной (квадробит) КАМ. Соответственно, информационная скорость может быть 2400, 4800 и 9600 бит/с. Кроме того, для скорости 9600 бит/с имеет место альтернативная модуляция - 32-позиционная КАМ с решетчатым кодированием.

- V.32bis. Дуплексный протокол с эхоподавлением и КАМ с решетчатым кодированием. Используются те же, что в V.32, частота несущего сигнала - 1800 Гц, и модуляционная скорость - 2400 бод. Имеет режимы 16-, 32-, 64- и 128-позиционной модуляции. Соответственно, информационная скорость может быть 7200, 9600, 12000 и 14400 бит/с. Режим 32-позиционной модуляции полностью совместим с соответствующим режимом V.32. Протокол V.32bis является стандартом де-факто для среднескоростных модемов.

- V.34. Рекомендация обеспечила существенное увеличение скорости передачи по сравнению с рассмотренными выше, поэтому рассмотрим ее характеристики подробнее.

Полное название рекомендации: "Модем, обеспечивающий передачу данных со скоростями до 28800 бит/с для использования на коммутируемой сети общего пользования и на двухточечных двухпроводных выделенных каналах телефонного типа". Принята МСЭ-Т 20 сентября 1994 года.

Ключевым моментом, позволившим увеличить скорость, является более полное использование полосы частот, предоставляемой коммутируемой телефонной сетью.

Используемая модемом по рекомендации V.34 полоса частот является адаптивно меняющейся величиной. Рекомендацией предусматривается шесть символьных скоростей S, равных 2400, 2743, 2800, 3000, 3200 и 3429 символов/с (в рекомендации V.34 не упоминается единица измерения скорости модуляции "Бод", что, видимо, связано со спецификой используемых сигналов, размерность которых больше двух) и ряд значений несущей частоты: 1600, 1646, 1680, 1800, 1829, 1867, 1920, 1959, 2000 Гц. Это дает модему возможность использовать имеющуюся полосу частот с максимальной эффективностью.

Идея адаптивной подстройки под конкретные характеристики канала, которая в предыдущих поколениях модемов реализуется лишь в приемной части модема, в данной рекомендации обрела глобальный характер. Даже сама скорость передачи данных R выбирается из множества допустимых, лежащих в диапазоне от 2400 до 28800 бит/с, кратных 2400 бит/с, и может меняться в ходе работы. При этом за один символьный интервал, длительность которого равна 1/S, может передаваться от 1 до 9 бит. Наивысшая скорость - 28800 бит/с возможна только на символьных скоростях 3200 и 3429 символов/с, при этом ширина спектра линейного сигнала превышает ЭППЧ канала ТЧ (3100 Гц). Этот противоречивый на первый взгляд факт объясняется тем, что в ряде случаев межмодемное соединение может быть организовано без участия систем передачи, ограничивающих ЭППЧ величиной 3100 Гц. Примером такого соединения может служить соединение абонентов двух АТС, расположенных недалеко друг от друга (соединение представляет собой "чистые провода").

Другим, не менее важным, моментом является система помехоустойчивого кодирования. Техника TCM (Trellis Coded Modulation - модуляция с решетчатым кодированием) значительно продвинулась вперед по сравнению с той, какая заложена в рекомендации V.32.

В рекомендацию V.34 введена четырехмерная сигнально-кодовая конструкция (СКК) со сверточным кодом на 16, 32 и 64 состояния. С увеличением числа состояний кодера растет свободное евклидово расстояние между соседними путями на решетчатой диаграмме, в результате чего улучшается помехоустойчивость всей системы сигналов. С другой стороны, эта тенденция ведет к усложнению декодера и увеличению задержки на принятие решения.

В четырехмерном пространстве каждая точка имеет четыре координаты, передается за два символьных интервала и при формировании ее позиционного номера используется один избыточный бит. Переход к четырехмерным СКК позволил существенно увеличить общее число сигнальных точек, что дало возможность поднять кодовую скорость (отношение числа информационных бит к общему числу бит) без ухудшения помехоустойчивости.

Впервые в схему передатчика модема введен генератор колец, способствующий синтезу выходного сигнала требуемой формы. Дело в том, что, несмотря на наличие скремблера на входе передатчика, используемые СКК формируют сигнал с большим пик-фактором. Следствием этого является статистическая зависимость между передаваемой информацией и уровнем сигнала на выходе, что ухудшает общие характеристики системы. Для решения этой задачи в рекомендации предложено специальное предкодирование (Shell Mapping), которое обеспечивает информационную развязку для всех типов сигнальных созвездий.

Одной из интересных технологий, нашедших отражение в рекомендации V.34, является амплитудно-фазовая предкоррекция сигнала передатчика, позволяющая получить выигрыш более 3.5 дБ в отношении сигнал/шум по сравнению с линейной коррекцией. Предискажения на передаче вводятся при помощи цифрового фильтра третьего порядка с комплексными коэффициентами, которые пересылаются от удаленного модема на этапе вхождения в связь. Таким образом, сигнал передатчика имеет искажения, обратные тем, которые он приобретает при прохождении по каналу, и за счет этого существенно облегчается задача адаптивного корректора на приемной стороне.

Кроме того, в рекомендации заложена возможность выбора одного из 11 заранее определенных шаблонов для спектра сигнала передатчика. Эти шаблоны предполагают подъем высокочастотных составляющих спектра, что должно скомпенсировать искажения, вносимые абонентскими и соединительными линиями.

Интересной особенностью рекомендации является процедура адаптации к каналу связи после установления соединения. При этом передатчик модема дважды посылает в линию специальный зондирующий сигнал, который представляет собой последовательность из 21 гармонического колебания разных частот в диапазоне от 150 до 3750 Гц (т.е. в пределах шире ЭППЧ канала ТЧ). Приемник удаленного модема при помощи этого сигнала осуществляет расчет частотной характеристики канала связи, степени нелинейных искажений, сдвига частот и других характеристик канала. В соответствии с этим выбирается номинальная символьная скорость, значение несущей частоты, уровень передачи, номер шаблона и коэффициенты предкорректора, скорость передачи данных, число состояний решетчатого кодера, тип СКК, параметр нелинейного кодера и другая информация о желаемой конфигурации удаленного передатчика. Аналогичная процедура осуществляется и в противоположном направлении. Затем оба модема одновременно обмениваются этими установками, передавая их со скоростью 600 бит/с при помощи относительной фазовой модуляции в частотно-разделенных каналах на несущих 1200 и 2400 Гц. Эта информация защищена от ошибок циклическим кодом.

Серьезное внимание уделено процедуре вхождения в связь, которая состоит из четырех фаз. Первая фаза - установление соединения согласно рекомендациям V.25 и V.8, при которой модемы выбирают рекомендацию МСЭ-Т серии V, реализованную в обоих модемах. Если оба модема поддерживают V.34, то они переходят ко второй фазе, в ходе которой производится описанное выше опробирование и классификация канала связи. Третья и четвертая фазы служат для обучения адаптивного корректора, эхокомпенсатора и других систем приемника модема. Отличительной чертой V.34 также является развитый сервис, который включает в себя такие возможности, как: модем аналоговый факсимильный сеть

·  асимметричная передача. При этом подразумевается, что два модема, работающие по V.34, могут иметь не только разные скорости передачи, но и разные несущие частоты, разные СКК и т.д.;

·        дополнительный канал. В рекомендации заложен параллельный канал со скоростью передачи 200 бит/с, который образован за счет временного уплотнения и является информационно-независимым от основного канала. Этот канал может быть использован как самим модемом для обмена служебной информацией, так и оконечным оборудованием данных, и тогда он будет называться вторичным каналом. Вторичный канал является асинхронным и основным его назначением является функция управления сетью.

Доминирующим принципом V.34 является системный подход к проблеме помехоустойчивости. Все перечисленные аспекты увязаны воедино и представляют собой симбиоз передовых технологий, органично вобравший в себя последние достижения теории и практики передачи данных.

Ресурсоемкие алгоритмы, лежащие в основе рекомендации V.34, требуют большой вычислительной мощности. Производительность сигнального процессора в модеме, удовлетворяющего рекомендации V.34, должна быть порядка 35..40 MIPS, тогда как для реализации V.32bis было достаточно 20 MIPS.

Рынок модемов V.34 распался на два сегмента: недорогие модемы для "домашнего" использования, в которых реализованы только базовые обязательные функции V.34, и надежные дорогие модемы для профессиональной связи.

Технические решения, заложенные в рекомендации V.34 далеко не исчерпаны. Об этом свидетельствует то, что в конце 1996 года МСЭ-Т приняла новую редакцию рекомендации V.34, стандартизирующую требования к модемам на скорость передачи 33600 бит/с.

Кроме того, компании Rockwell Semiconductor Systems и Lucent Technologies подготовили набор микросхем, обеспечивающих скорость передачи 56 Кбит/с. Независимо от них фирма U.S.Robotics представила свою технологию х2, обеспечивающую такую же скорость передачи. Указанная скорость может быть достигнута только в том случае, если магистральная сеть является полностью цифровой, а аналоговыми являются только абонентские линии.

- V.90. Дальнейший рост скорости передачи возможен только при использовании линий с большей полосой пропускания, что и предусмотрено в стандарте V.90 для модемов со скоростью передачи до 56 Кбит/с, часто обозначаемых как V.90- или 56К-модемы. Стандарт V.90 на 56К-модемы утвержден ITU-T в сентябре 1998 г. Появление этого стандарта положило конец данного класса K56Flex (в связи с которым упоминаются фирмы 3COM, Rockwell и Lucent Technologies) и Х2 (от фирмы US Robotics).

На рисунке 1 приведена иллюстрация принципа работы обычных (со скоростью передачи до 33600 бит/с на основе стандарта V.34) и 56К (V.90)-модемов в телефонной сети общего пользования.Хотя большая часть сети цифровая, при работе на обоих концах линии модемы, соответствующие протоколу V.34, используют ее как полностью аналоговую. Это означает необходимость использования аналого-цифровых преобразователей (АЦП) при передаче сигналов в обоих направлениях. В результате дискретизации сигналов по амплитуде АЦП вносят заметный вклад в ухудшение отношения сигнал-шум, и скорость передачи в обоих направлениях одинакова (при самых благоприятных условиях до 33600 бит/с). Однако если на одном из концов линии (у провайдера) использовать специальный цифровой V.OO-модем, подключенный непосредственно к цифровой части телефонной сети, а на другом конце (у клиента) аналоговый У.90-модем, то в направлении от провайдера к пользователю АЦП отсутствует, и скорость может быть увеличена (теоретически) до 56 Кбит/с.

Рисунок 1 - Иллюстрация принципа работы обычных и 56К (V.90)-модемов.

Сама по себе цифровая телефонная сеть имеет скорость передачи 64 Кбит/с, однако наличие дополнительных искажений и шумов от работы ЦАП и АТС, хотя и меньших по уровню, чем шум дискретизации АЦП, ограничивает достижимую скорость передачи. Таким образом, достижение скорости передачи 33,6 Кбит/с и, тем более, 56 Кбит/с требует выполнения целого ряда условий. В первую очередь сама по себе телефонная линия со всем оборудованием, которое используется для преобразования сигналов и коммутации каналов, должна быть достаточно качественной в смысле малости вносимых искажений сигналов. Чтобы работа со скоростью 56 Кбит/с была возможной, необходимо выполнение трех дополнительных условий:

) Цифровое подключение на одном из концов (со стороны провайдера).

) Поддержка стандарта V.90 на обоих концах. Стандарт V.90 должен поддерживаться на обоих концах соединения: как аналоговым модемом пользователя, так и сервером удаленного доступа или модемным пулом на стороне хост-компьютера. Переход к стандарту V.90 не означает обязательного приобретения нового модема, т.к. некоторые из них допускают чисто программный "upgrade".

) Одно аналого-цифровое преобразование. На пути следования сигнала между цифровым модемом V.90 и аналоговым модемом может быть только одно аналого-цифровое преобразование.

3. Общеупотребительные протоколы МСЭ-Т для факсимильных аппаратов

- V.27ter. В этом протоколе применяется ОФМ с частотой несущего сигнала 1800 Гц. Могут использоваться два режима с разными информационными скоростями: 2400 и 4800 бит/с. Информационная скорость 2400 бит/с достигается модуляционной скоростью 1200 бод и кодированием дибита (4-позиционная ОФМ), а 4800 бит/с - скоростью 1600 бод и кодированием трибита (8-позиционная ОФМ).

Стоит отметить, что существуют еще малоупотребительные модемные протоколы данного семейства - V.27 и V.27bis, которые отличаются от V.27ter, главным образом, типом канала (выделенный четырехпроводный), для которого они предназначены.

V.29. В этом протоколе применяется КАМ. Частота несущего сигнала - 1700 Гц, модуляционная скорость - 2400 бод. Имеет режимы 8-позиционной (трибит) и 16-позиционной (квадробит) КАМ. Соответственно, информационная скорость может быть 7200 и 9600 бит/с.

V.17. Этот протокол по своим параметрам очень напоминает V.32bis. В нем используется модуляция с решетчатым кодированием. Частота несущего сигнала - 1800 Гц, и модуляционная скорость - 2400 бод. Имеет режимы 16-, 32-, 64- и 128-позиционной модуляции. Соответственно, информационная скорость может быть 7200, 9600, 12000 и 14400 бит/с.

Заключение

В данной контрольной работе систематизированы основные сведения о современном состоянии передачи данных и перспективах развития систем телекоммуникаций: линиях связи, системах передачи и системах коммутации, представляющие физический уровень эталонной модели взаимодействия открытых систем Международной организации стандартизации.

Список использованных источников

Крухмалев В.В.,.Гордиенко В. Н. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: Учебник для вузов / Крухмалев В.В.,.Гордиенко В. Н. / М.: Горячая линия - Телеком, 2004.

Кунегин С. В. Системы передачи информации. Курс лекций. М.: в/ч 33965, 1997, - 317 с., с илл.

www.lessons-tva.info