Семенов Ю.А. Телекоммуникационные технологии - файл 1_206.doc

приобрести
Семенов Ю.А. Телекоммуникационные технологии
скачать (6758 kb.)
Доступные файлы (3):
1_206.doc5323kb.07.06.2005 02:19скачать
207_425.doc4658kb.07.06.2005 02:21скачать
426_end.doc2616kb.07.06.2005 02:22скачать

1_206.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18
Телекоммуникационные технологии


Автор Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)


1 Введение (общие принципы построения сетей)



Интернет является сетью виртуальных сетей. В 1991 году у нас (тогда еще в СССР) о нем знали несколько десятков человек, которые только что освоили электронную почту (через RELCOM) и попробовали, что такое FidoNet. Первое сообщение по электронной почте было послано президентом США Биллом Клинтоном 2 марта 1993 года. Первая новелла Стивена Кинга была опубликована по каналам Интернет 19 сентября 1993 года (до появления печатной копии), к тому же году относится начало синхронной передачи радио-программ по сетям Интернет. В конце 1993 года заработала первая очередь оптоволоконной опорной сети Москвы, полностью профинансированная Джорджем Соросом. В 1994 году НАТО организовало первую конференцию по Интернет в России (в Голицыно под Москвой). С помощью DFN (Deutsche Forschung Naetze), а затем Дж. Сороса и RELARN круг любителей Интернет расширился до сотен и тысяч, а после включения программ Минвуза и Министерства науки РФ счет пошел на десятки тысяч. Это произошло прежде всего потому, что созрели условия - в различных учреждениях (сначала научных, а затем коммерческих и государственных) и у частных лиц оказались сотни тысяч персональных ЭВМ. К этому же времени (1992-93 годы) в мире стала формироваться сеть депозитариев, доступных через анонимный доступ (FTP), а несколько позднее и WWW-серверов. На рис. 1.1 показан рост числа ЭВМ, подключенных к Интернет по годам с 1989 по 1998 годы. Видно, что рост числа узлов сети имеет экспоненциальный характер. Можно смело утверждать, что протоколы Интернет, созданные для осуществления связи в случае нанесения десятков ядерных ударов по США со стороны СССР, явились одним из немногих (возможно единственным) положительным результатом холодной войны.


Рис. 1.1. Рост числа ЭВМ, подключенных к Интернет в период 1989-98 годы (по вертикальной оси отложено число ЭВМ в миллионах)

Сегодня, когда Интернетом заинтересовались широкие массы трудящихся, и определенная часть их подключилась к расширению этой сети, стала актуальной проблема оптимального проектирования сетей и их подключения к общенациональной и международной сети Интернет.

Современные сети Интернет объединяют в единое целое многие десятки (а может быть уже и сотни) тысяч локальных сетей по всему миру, построенных на базе самых разных физических и логических протоколов (ethernet, Token Ring, ISDN, X.25, Frame Relay, Arcnet и т.д.). Эти сети объединяются друг с другом с помощью последовательных каналов (протоколы SLIP, PPP), сетей типа FDDI(часто используется и в локальных сетях), ATM, SDH(Sonet) и многих других. В самих сетях используются протоколы TCP/IP (Интернет), IPX/SPX (Novell), Appletalk, Decnet, Netbios и бесконечное множество других, признанных международными, являющихся фирменными и т.д. Картина будет неполной, если не отметить многообразие сетевых программных продуктов (Windows NT, MS Windows-97, Netware, Multinet, Lantastic и пр.). На следующем уровне представлены разнообразные внутренние (RIP, IGRP, OSPF) и внешние (BGP, IS-IS и т.д.) протоколы маршрутизации и маршрутной политики, конфигурация сети и задание огромного числа параметров, проблемы диагностики и сетевой безопасности. Немалую трудность может вызвать и выбор прикладных программных средств (Netscape, MS Internet Explorer и пр.). В последнее время сети внедряются в управление (CAN), сферу развлечений, торговлю, происходит соединение сетей Интернет и кабельного телевидения.

Что явилось причиной стремительного роста сети Интернет? Создатели базовых протоколов (TCP/IP) заложили в них несколько простых и эффективных принципов: инкапсуляцию пакетов, фрагментацию/дефрагментацию сообщений и динамическую маршрутизацию путей доставки. Именно эти идеи позволили объединить сети, базирующиеся на самых разных операционных системах (Windows, Unix, Sunos и пр.), использующих различное оборудование (Ethernet, Token Ring, FDDI, ISDN, ATM, SDH и т.д.) и сделать сеть нечувствительной к локальным отказам аппаратуры. Огромный размер современной сети порождает ряд серьезных проблем. Любое усовершенствование протоколов должно проводиться так, чтобы это не приводило к замене оборудования или программ во всей или даже части сети. Достигается это за счет того, что при установлении связи стороны автоматически выясняют сначала, какие протоколы они поддерживают, и связь реализуется на общем для обеих сторон наиболее современном протоколе (примером может служить использование расширения протокола smtp - MIME). В кабельном сегменте современной локальной сети можно обнаружить пакеты TCP/IP, IPX/SPX (Novell), Appletalk, которые успешно сосуществуют.

Проектировщикам и создателям сетей приходится учитывать многие десятки факторов при выборе того или иного типа сети, сетевого оборудования, операционной системы (UNIX, MS-DOS, IRIS, Windows-NT, SOLARIS или что-то еще), программного обеспечения, внешних каналов связи (выделенный канал, коммутируемая телефонная сеть, цифровая сеть, радио или спутниковый канал) и в конце концов сервис-провайдера. За всем этим стоят как технологические проблемы, так и финансовые трудности, тяжелый выбор между дешевой и хорошей сетью.

Если вас интересуют оригинальные тексты протоколов Интернет, вы можете получить их, например, через анонимное FTP по адресу ds.internic.net (в каталоге RFC) или на нашем сервере store.in.ru/rfcs (зеркало). Эти документы можно найти и в других депозитариях.

Документы RFC делятся на стандарты, проекты стандартов, временные (экспериментальные) регламентации и предложения. Чем больше номер RFC, тем более поздней дате этот документ соответствует. О статусе тех или иных RFCможно узнать из RFC-1500 и -1780 (см. также файл std-inde.txt из того же депозитария, что и rfc-index.txt). Если вы хотите найти какой-то RFC-документ, начните с просмотра индексного файла (напр. rfc-index.txt). Первый документ RFC был выпущен в 1969 году более 30 лет тому назад. Далее темп публикаций варьировался в довольно широких пределах, в 1997-99 годах наблюдается заметный всплеск активности, связанный с потребностями мультимедиа (RTP, RSVP, PIM и т.д.), безопасностью и IPv6. Вариация публикаций документов RFC по годам представлена на рис 1.2.



Рис. 1.2. Распределение публикаций документов RFC по годам с 1969 по 1999

Из этого распределения видно, что к 1979 году окончательно сформировался стек базовых протоколов и начался экстенсивный рост сети Интернет. По мере выявления недостатков протоколов и новых потребностей после 1989 года началась активная разработка новых направлений и приложений в Интернет.

Но все по порядку. Начнем с того, как устроен Интернет. На рис. 1.3 показана общая схема, которая облегчит дальнейшее обсуждение данной проблематики (буквами R отмечены маршрутизаторы-порты локальных сетей). Каждая из сетей, составляющих Интернет, может быть реализована на разных принципах, это может быть Ethernet (наиболее популярное оборудование), Token Ring (вторая по популярности сеть), ISDN, X.25, FDDI или Arcnet. Все внешние связи локальной сети осуществляются через порты-маршрутизаторы (R). Если в локальной сети использованы сети с разными протоколами на физическом уровне, они объединяются через специальные шлюзы (например, Ethernet-Fast_Ethernet, Ethernet-Arcnet, Ethernet-FDDI и т.д.). Выбор топологии связей определяется многими факторами, не последнюю роль играет надежность. Использование современных динамических внешних протоколов маршрутизации, например BGP-4, позволяет автоматически переключаться на один из альтернативных маршрутов, если основной внешний канал отказал. Поэтому для обеспечения надежности желательно иметь не менее двух внешних связей. Сеть LAN-6 (см. рис. 1.3) при выходе из строя канала R2-R6 окажется изолированной, а узел LAN-7 останется в сети Интернет даже после отказа трех внешних каналов.

Широкому распространению Интернет способствует возможность интегрировать самые разные сети, при построении которых использованы разные аппаратные и программные принципы. Достигается это за счет того, что для подключения к Интернет не требуется какого-либо специального оборудования (маршрутизаторы не в счет, ведь это ЭВМ, где программа маршрутизации реализована аппаратно). Некоторые протоколы из набора TCP/IP (ARP, SNMP) стали универсальными и используются в сетях, построенных по совершенно иным принципам.



Рис. 1.3. Схема построения сети Интернет

В некотором смысле Интернет возник эволюционно - в начале был Bitnet, fidonet, usenet и т.д. Со временем стало ясно, что конкуренция сетей должна быть заменена их объединением, так как от этого выигрывают все и пользователи и сервис-провайдеры. Ведь объединенная сеть имеет большие информационные ресурсы, может предложить более широкий список услуг и становится по этой причине привлекательной для еще большего числа клиентов.

Технология WWW-серверов сделала Интернет важной средой для целевой рекламы, приближенной к конечному потребителю. Стремительный рост числа узлов www продемонстрирован на рис. 1.4. Здесь также наблюдается экспоненциальный рост. Сам факт использования Интернет для обливания грязью кандидатов во время предвыборной компании, говорит о том, что эта технология освоена и признана эффективной нашими политиками. Наше общество с удивительным упорством сначала осваивают все негативное, оставляя, очевидно, позитивное на десерт.



Рис. 1.4. Рост числа узлов WWW в период 1994-99 годы

В перспективе Интернет может стать и всемирной ярмаркой товаров и услуг. Ведь клиент может не только увидеть изображение товара и ознакомиться с условиями поставки, но и в диалоговом режиме получить ответы на интересующие его вопросы, а затем одним нажатием на клавишу мышки сделать заказ на понравившийся ему товар или услугу. В принципе для этого не нужен даже номер кредитной карточки, его заменит зашифрованный соответствующим образом идентификатор пользователя (сертификат) или его IP-адрес (если он работает на своей домашней машине). Таким образом, можно будет заказывать билеты на самолет или в театр, планировать программу своего телевизора на неделю вперед и т. д.

Современные системы мультимедиа позволяют совместить телевизор, видеомагнитофон, факс и видеотелефон, причем это не фантазия на тему далекого будущего - это услуги доступные уже сегодня (при наличии широкополосного канала связи (64-512 Кбит/с)). Если вы имеете доступ к Интернет, вам уже не нужно платить за международные телефонные переговоры, вы можете сделать это с помощью ip-phone или другого аналогичного продукта, при условии что ваш партнер также имеет доступ к Интернет (данное требование в ближайшем будущем перестанет быть обязательным). Все более широкий круг услуг предлагает Интернет и в сфере развлечений. Здесь имеются игровые серверы, аренда обычных и сетевых компьютерных игр, различные конкурсы и соревнования.

Теперь рассмотрим, как строятся каналы связи (стрелки на рис. 1.5). В простейшем случае связь можно организовать через городскую коммутируемую телефонную сеть, для этого нужны модемы - по одному на каждой из сторон канала (Рис. 1.5a). Традиционные модемы могут обеспечить при хорошем качестве коммутируемой аналоговой телефонной сети пропускную способность до 56 Кбит/с (кабельные широкополосные модемы при длине соединения порядка 2км могут обеспечить 2 Мбит/с). Привлекательность такого решения заключается в возможности подключения к любому узлу, имеющему модемный вход. Наиболее широко указанный метод связи используется для подключения к узлам Интернет домашних ЭВМ. Недостатком такого решения является низкая надежность канала (особенно в России), малая пропускная способность и необходимость большого числа входных телефонных каналов и модемов.

Использование выделенной 2- или 4-проводной линии (рис. 1.5Б) обеспечивает большую надежность и пропускную способность (до 256 кбит/с при длинах канала < 10 км). Но и здесь на каждый вход требуется отдельный модем, да и скоростные модемы, работающие на выделенную линию, относительно дороги. Выделенные линии чаще служат для межсетевого соединения (рис. 1.5В). Функциональным аналогом выделенных линий являются оптоволоконные, спутниковые и радио-релейные каналы. Этот вариант позволяет строить сети с пропускной способностью в несколько 1-100 Мбит/с и более.

Привлекательные возможности предлагают цифровые сети ISDN. Здесь можно использовать групповые телефонные номера, когда пара модемов обслуживает 10 и более пользователей (ведь они работают, как правило, не все одновременно). Кроме того, ISDN предлагает пользователям каналы с пропускной способностью не ниже 64кбит/c, а при необходимости возможно формирование и более широкополосных каналов. ISDN позволяет делить один и тот же канал между многими пользователями для передачи данных, факсов и телефонных переговоров. isdn органично стыкуется с внешними каналами X.25. К недостаткам системы следует отнести ограниченность ширины окна (число переданных пакетов без получения подтверждения приема), что делает неэффективным использование широкополосных и особенно спутниковых каналов. В области межсетевых связей свою нишу занимает Frame Relay. Этот протокол имеет контроль перегрузок, работающий на аппаратном уровне



Рис. 1.5. Схемы каналов, использующих городскую телефонную сеть

На рис. 1.5 показана схема построения сети с использованием исключительно соединений типа точка-точка. Это наиболее часто встречающийся, но не единственный вариант. Дорога 'от околицы до околицы' прокладывается там, где она нужна и теми, кому она нужна непосредственно, но, согласитесь, построить так магистраль Москва Санкт-Петербург нельзя. При построении крупных общенациональных и интернациональных сетей применяются сверхширокополосные каналы и схемы типа опорной сети (backbone). Узлы такой сети могут располагаться в каких-то крупных организациях или быть самостоятельными (принадлежать государственным PTT). Такие сети обычно базируются на протоколах SDH (Sonet). Информация в этих сетях передается в виде больших блоков (виртуальных контейнеров). Использование опорной сети обычно оправдано при организации интернациональных связей, но бывают и исключения. Примером такого исключения является Московская опорная сеть, построенная на основе FDDI (100Мбит/с) и объединяющая более десяти научных организаций (длина первой очереди около 30 км). Московская сеть выполнена по схеме с 'прозрачными' IP-мостами, обычно же более мощные опорные сети маршрутизируемы, то есть блоки данных адресуются конкретным узлам, где они разбираются и сортируются. Контейнер может содержать сообщения, адресованные разным получателям, что несколько противоречит идеологии протоколов TCP/IP. IP-пакеты могут вкладываться в эти контейнеры и транспортироваться до заданного узла опорной сети. Классическим примером опорной сети является E-bone (Европейская опорная сеть). Эта сеть объединяет 27 стран (России в этом списке нет) и более 60 сервис-провайдеров, пропускная способность для различных участков лежит в пределах 2-34Мбит/с. Опорная сеть подобна международной автомагистрали, по ней добираются до ближайшего к точке назначения узла, а далее по 'проселочным' каналам до конечного адресата.

Резкое увеличение передаваемых объемов информации в локальных и региональных сетях привело к исчерпанию имеющихся ресурсов, а реальные прогнозы потребностей указывают на продолжение роста потоков в десятки и сотни раз. Единственной технологией, которая способна удовлетворить эти потребности, являются оптоволоконные сети (Sonet, SDH, ATM, FDDI, Fiber Channel). Каналы этих сетей уже сегодня способны обеспечить пропускную способность 155-622 Мбит/с, ведутся разработки и испытания каналов с пропускной способностью в 2-20 раз больше, например, гигабитного ethernet. Осваивается техника мультиплексирования частот в оптоволокне (WDM), что позволяет поднять его широкополосность в 32 раза и в перспективе довести быстродействие каналов до 80 Гбит/с и более. По мере роста пропускной способности возрастают проблемы управления, синхронизации и надежности. Практически все сети строятся сегодня с использованием последовательных каналов. Это связано прежде всего со стоимостью кабелей, хотя и здесь существуют исключения (например, HIPPI). Разные сетевые услуги предъявляют разные требования к широкополосности канала. На рис. 1.6 представлены частотные диапазоны для основных видов телекоммуникационных услуг. В Интернет практически все перечисленные услуги доступны уже сегодня (кроме ТВ высокого разрешения).



Рис. 1.6. Требования к пропускной способности канала для различных видов сервиса.

Рассмотрев диаграмму, можно сделать определенные прогнозы на ближайшее будущее сетей. Через несколько лет можно ожидать слияния функций телевизора и ЭВМ, а это потребует пропускных способностей от магистральных каналов на уровне 0,1-10 Гбит/с. Широкополосность каналов, приходящих в каждый семейный дом составит 1-10 Мбит/с, что позволит реализовать видео-телефонию, цифровое телевидение высокого разрешения, доступ к централизованным информационным службам и многое другое. Уже существующие оптоволоконные системы обеспечивают и в 10 раз большую пропускную способность. Можно предположить и появление локальных сетей внутри жилища. Такие сети способны взять под контроль кондиционирование воздуха, безопасность дома в самом широком смысле этого слова, например, оповещение о нежелательном вторжении, пожаре или возможном землетрясении (в сейсмически опасных районах), появление вредных примесей в воздухе. Такая система разбудит хозяина в указанное время, подогреет завтрак, напомнит о предстоящих делах на день, запросит и предоставит хозяину свежий прогноз погоды и справку о состоянии дорог, своевременно сделает заказ на авиабилет и т.д. Все это технологически возможно уже сегодня, пока относительно дорого, но цены весьма быстро падают. Примером может служить сеть CAN, разработанная для сбора данных и управления автомобилем. Стремительное расширение сети Интернет не имеет аналогов в истории, так что любой самый фантастический прогноз в этой области может сбыться.

Протоколы Интернет (TCP/IP) существуют уже около 30 лет. Требования к телекоммуникационным каналам и услугам выросли, и этот набор протоколов не удовлетворяет современным требованиям. Появляются новые протоколы Delta-t (для управления соединением), NetBLT (для передачи больших объемов данных), VMTP (для транзакций; RFC-1045) и XTP для повышения эффективности передачи данных (замена TCP), блоки протоколов для работы с мультимедиа (RTP, RSVP, PIM, ST-II и пр.), но, безусловно, наиболее революционные преобразования вызовет внедрение IPv6.




2 Преобразование, кодировка и передача информации



Номер раздела

Название раздела

2

Преобразование, кодировка и передача информации

2.1

Передача сигналов по линиям связи

2.2

Представление электрических сигналов в цифровой форме

2.3

Цифровые каналы T1 и Е1

2.4

Методы преобразования и передачи звуковых сигналов

2.5

Методы преобразования и передачи изображения

2.6

Методы сжатия информации

2.7

Обнаружение ошибок

2.8

Коррекция ошибок

2.9

Видеоконференции по каналам Интернет и ISDN

2.10

Статистическая теория каналов связи

Для передачи информации на большие расстояния в настоящее время используются исключительно электромагнитные волны (акустические волны пригодны лишь для ограниченных расстояний). При этом пересылка может осуществляться по медным проводам, оптоволоконному кабелю или непосредственно, по схеме передатчик-приемник. В последнем случае используются антенны. Для того чтобы антенна была эффективна, ее размеры должны быть сравнимы с длиной передаваемой волны. Чем шире динамический диапазон передаваемых частот, тем труднее сделать антенну, пригодную для решения этой задачи. Именно по этой причине для передачи используются частоты, начиная с многих сотен килогерц и выше (длина волн сотни метров и меньше). Передача сигнала непосредственно по лучу лазера ограничена расстояниями 100-3000м и становится неустойчивой при наличии осадков даже для инфракрасных длин волн. Между тем человек воспринимает акустические колебания в диапазоне 20-12000 Гц и для целей пересылки звука (например, телефония) требуется именно этот диапазон частот. Динамический диапазон частот в этом случае равен 600, а для высококачественного воспроизведения звука он в два раза шире. При решении этой проблемы используется преобразование частот и различные методы модуляции. Так тот же частотный диапазон, лежащий в пределах (100 - 100,012) Мгц, соответствует динамическому диапазону 0,012%, что позволяет сделать компактную антенну и упростить частотное выделение сигнала.

Для преобразования частот используется перемножение сигналов. Пусть мы имеем два синусоидальных сигнала: A1*sin( t) и A2*sin( t). Из тригонометрии известно, что:

A1*sin( t)*A2*sin(  t)=1/2*A1*A2*[sin( t + sin( t]. [1.1]

Это означает, что в результате перемножения вместо двух частот f1= и f2=  мы имеем две новые частоты ( и ( с амплитудой 1/2*A1*A2. Если входной сигнал имеет полосу 0 - fм, то после перемножения с сигналом, имеющим частоту fн (несущая частота), получим сигнал с полосой в интервале от (fн - fм) до (fн+ fм). Это преобразование проиллюстрировано на рис. 2.1. (по вертикальной оси отложена спектральная плотность сигнала f(j )). На практике это преобразование выполняется с помощью смесителей или гетеродинов, частота fн называется сигналом гетеродина или несущей.



Рис. 2.1. Частотное преобразование

Получение исходного сигнала из преобразованного достигается путем обратного преобразования, которое сводится к умножению полученного сигнала на sin(нt), где н = 2 *fн. При таком обратном преобразовании мы получим сигнал с исходным частотным диапазоном. Помимо этого будет получен сигнал с полосой от (2fн - fм) до (2fн+ fм). Так как fн обычно много больше fм, серьезных проблем это не вызывает - достаточно воспользоваться соответствующим фильтром. Этому методу обратного преобразования присущи некоторые недостатки. Если сигнал fн имеет фазовый сдвиг  по отношению к тому, что имел сигнал, использованный при прямом преобразовании, то амплитуда выходного сигнала будет пропорциональна cos Понятно, что при вариации фазы амплитуда будет меняться, а при /2 станет нулевой. По этой причине должны быть предприняты специальные меры для синхронизации этих сигналов (fн. передатчика и fн приемника).

Соотношение [1.1] используется при реализации амплитудной, частотной или фазовой модуляции. Так в случае амплитудной модуляции при временной вариации A1 (=Авх) будет изменяться и амплитуда выходного сигнала (А2=Aн - амплитуда несущей частоты при этом остается постоянной;  н при этом может также варьироваться). Форма сигнала на выходе такого преобразователя имеет вид: Авых = Ан[1+Авх(t)] sin нt. Для получения формы исходного сигнала на принимающей стороне используется схема детектора (например, диодного), на выходе которого получается сигнал, пропорциональный модулю огибающей функции входного сигнала. Существуют и другие методы демодуляции амплитудно-модулированного сигнала. Главным недостатком метода амплитудной модуляции является возможность нелинейных искажений из-за перемодуляции (когда амплитуда модулирующего сигнала слишком велика).

При частотной и фазовой модуляции амплитуда передаваемого сигнала остается почти постоянной, что исключает нелинейные искажения, связанные с широким динамическим амплитудным диапазоном. Выходной сигнал для этого вида модуляции имеет вид: Авых = Ан sin[нt + (t)], где (t) зависит от формы преобразуемого входного сигнала. Часто используется комбинация амплитудной и фазовой модуляции, которая носит название квадратурной модуляции.

Системы передачи данных с амплитудной или частотной модуляцией являются аналоговыми системами и по этой причине весьма чувствительны к шумам на входе приемника. Применение цифровых методов пересылки информации увеличивает вероятность корректной доставки. Если для аналоговой передачи требуется отношение сигнал/шум на уровне 40-60 дБ, то при цифровой передаче достаточно 10-12 дБ. Выбор типа модуляции зависит от стоящей задачи и от характеристик канала (полосы пропускания, ослабления сигнала и т.д.). Частотная модуляция менее чувствительна к амплитудным флуктуациям сигнала. Ослабление сигнала может варьироваться во времени из-за изменений в транспортной среде, это довольно типично для коммутируемых телефонных сетей. В сетях, использующих выделенные каналы, это также возможно благодаря применению динамических протоколов маршрутизации, когда длина пути может изменяться в пределах одного сеанса связи. В любом случае на передающей стороне необходим модулятор, а на принимающей демодулятор. Так как обмен обычно двунаправлен, эти устройства объединяются в одном приборе, который называется модемом (см. также раздел .7. Модемы").

В модемах применимы несколько видов модуляции:

FSK

(Frequency Shift Keying) - ступенчатое переключение частоты синусоидального сигнала от f1 к f2 при неизменной амплитуде, частоте f1 ставится в соответствие логический нуль, а f2 - логическая единица.

BPSK

(Binary Phase-Shift Keying) - скачкообразное переключение фазы синусоидального сигнала на  при неизменной амплитуде, при этом фазе 0 ставится в соответствие логический нуль, а - логическая единица.

DPSK

(Differential Phase Shift Keying) - метод, при котором изменяется фаза несущей частоты при постоянной амплитуде и частоте. Разновидность PSK, при которой кодируется лишь изменение сигнала.

QAM

(Quadrature Amplitude Modulation) - комбинация амплитудной и фазовой модуляции, позволяет осуществить кодирование 8 бит на бод.

QPSK

(Quadrature Phase-Shift Keying) - квадратурная фазовая модуляция. Использует 4 фиксированных значения фазы 0, /2,  и 3/2. Требует в два раза более узкую полосу, чем PSK, и по этой причине весьма популярна.

TCM

(Trellis Coded Modulation) - метод предполагает использование избыточности, каждый бод несет дополнительный бит, который позволяет более точно восстановить информационную битовую последовательность. При кодировании сигнала используется метод QAM. Метод реализован в современных высокоскоростных модемах и позволяет снизить требования к отношению сигнал/шум на 4-5 дБ.

В QAM-модуляции используется 8/16 комбинаций амплитуда-фаза (см. рис. 2.2). Понятно, что такой тип модуляции более уязвим для шумов.



Рис. 2.2. QAM-модуляция с 3 битами на бод (слева) и 4 битами на бод (справа)







2.1 Передача сигналов по линиям связи





Теорема Шеннона ограничивает предельную пропускную способность канала I с заданной полосой пропускания F и отношением сигнал/шум S/N :
    [2.1]


Для стандартного телефонного канала F=3кГц, N/S=30db, следовательно, теоретический предел для публичной коммутируемой телефонной сети равен примерно 30кбит/с. Ослабление для телефонных скрученных пар составляет около 15 дБ/км, дополнительные ограничения возникают из-за перекрестных наводок. Стандартные проводные линии связи имеют ослабление 6 дБ/км на частоте 800 Гц, или 10 дБ/км на частоте 1600 Гц. На рис. 2.1.1 показана зависимость ослабления от частоты передаваемого сигнала для медной линии с сечением 0,5 мм.


Рис. 2.1.1. Зависимость ослабления сигнала в медной линии сечением 0,5мм от частоты

От частоты зависит фаза (из расчета на километр) и волновое сопротивление скрученной пары (см. рис. 2.1.2), по этой причине искажения формы сигнала при заметной длине линии неизбежны.

Из формулы [2.1] видно, что расширять пропускную способность канала можно за счет широкополосности и высокого отношения сигнал-шум. Существует много источников шума, один из главных тепловые шумы (Т = kTB, где T емпература в градусах Кельвина, B олоса пропускания приемника, а k остоянная Больцмана). На практике существенно большее влияние оказывают различного рода наводки. Увеличeние пропускной способности сети достигается путем сокращения длины кабеля (уменьшение расстояния между узлами сети), заменой типа кабеля, например, на провод с большим сечением, или применив оптоволоконный кабель. Определенный эффект может быть получен и с помощью усовершенствованной системы шумоподавления (новый, более эффективный модем).


Рис. 2.1.2. Зависимость волнового импеданса скрученной пары и фазы (сечение 0,5мм) от частоты

Сопротивление скрученной пары от коммутатора до терминального оборудования может лежать в пределах 800-20000 Ом. Следует учитывать, что при подаче питания на терминальное оборудование (телефон) по подводящему кабелю, большое его сопротивление, помимо прочего, приведет к падению питающего напряжения. В многожильных кабелях определенные проблемы создают перекрестные наводки и шумы. Обычно рассматриваются два случая перекрестных наводок:

  • Источник сигнала и приемник находятся по одну сторону кабеля (NEXT - near end crosstalk);

  • Приемник и источник находятся на разных концах кабеля (FRXT - far end crosstalk).

NEXT-наводки при большом числе пар проводов в кабеле подчиняются закону f1.5 , а их уровень составляет около 55 дБ при частоте 100 кГц. FEXT-наводки сильно зависят от схемы коммутации и разводки проводов и обычно менее опасны, чем NEXT. Еще одним источников наводок является импульсный шум внешних электромагнитных переходных процессов. Этот вид наводок обычно характеризуется процентом времени, в течении которого его уровень превышает порог чувствительности, и варьируется в зависимости от обстоятельств в очень широких пределах.

При передаче по линии сигналы модулируются, при этом важно обеспечить сохранение среднего уровня сигнала (постоянной составляющей). Определенные искажения сигнала вносит сам кабель. Заметное влияние на характер искажений оказывает межсимвольная интерференция (ISI - Intersymbol Interference). Эта интерференция возникает из-за расплывания импульсов в процессе их передачи по линии и наезжания их друг на друга. Проблема усложняется тем, что характеристики передающей линии могут меняться со временем (коммутаторы и маршрутизаторы). По этой причине очень важно обеспечить идентичность условий передачи различных частот при наличии таких вариаций. Для решения этой задачи используются линейные эквилайзеры (рис. 2.1.3 и 2.1.4), которые выполняют эту операцию во всем спектре частот, или после стробирования для реального спектра сигнала. Этот метод чувствителен к шумам в системе. Эквилайзеры с решающей обратной связью (DFE - Decision Feedback Equalizer) не чувствительны к шумам, они управляются принятой информацией. Но влияние ошибок при приеме информации в этом случае может быть усилено.


Рис. 2.1.3. Линейное выравнивание (эквилизация)


Рис. 2.1.4. Эквилизация с помощью решающей обратной связи

На практике линейное выравнивание и эквилизация с обратной связью совмещаются друг с другом и со специальными методами формирования передаваемых сигналов. Проблема усугубляется тем, что одна и та же линия используется для передачи данных в обоих направлениях одновременно.

Для улучшения отношения сигнал/шум следует поднимать амплитуду передаваемого по линии сигнала. Выбранное значение определяется требованиями перекрестных наводок и возможностями существующих БИС. В результате компромисса выбрана амплитуда 2.5 В на нагрузке 135 ом. Любые нелинейные искажения должны быть менее 36 дБ по отношению к основному сигналу. Учитывая динамический диапазон сигналов в линиях связи, отношение сигнал шум предполагается равным 20 дБ, что соответствует ограничению 6дБ на число ошибок 1/106 для гауссова распределения шума. При аналого-цифровом преобразовании одному биту соответствует 6 дБ.

Обычно двухпроводная линия (тем более 4-х проводная) используется для одновременного двухстороннего обмена (full duplex). Эта задача может быть решена схемотехнически мультиплексированием по времени (TDD - Time Division Duplex) или частоте (FDD - Frequency Division Duplex). TDD довольно легко реализовать, этот метод не требует сложных фильтров и эквилайзеров. Метод TDD привлекателен при малых длинах кабеля для коммутируемых телефонных сетей.



Рис. 2.1.5. Схема эхо-компенсации

Более широко для реализации двухстороннего обмена по одной паре проводов используется метод эхо-компенсации. Этот метод предполагает вычитание передаваемого сигнала из принимаемого, определяя тем самым истинную форму входного сигнала. Если на приведенном рисунке 2.1.5 Zвх равно волновому сопротивлению линии, то выходной сигнал передатчика не будет влиять на работу приемника. Здесь предполагается, что выходное сопротивление передатчика много меньше z= zлинии. Учитывая вариации ослабления сигнала, схема эхо-компенсации должна уметь работать в очень широком динамическом диапазоне амплитуд, сохраняя удовлетворительную линейность. Это обстоятельство, а также зависимость zлинии от частоты, приводит к заметному усложнению схем эхо-компенсации (Рис. 2.1.6). Системы эхо-компенсации весьма чувствительны к временному разбросу срабатывания пороговых схем, так как это приводит к фазовому сдвигу вычитаемых друг из друга сигналов.



Рис. 2.1.6. Схема эхо-компенсации с адаптивным фильтром

На рис. 2.1.7 показана зависимость скорости пропускания от сопротивления петли передающей линии для разных схем кодирования сигнала (пунктирной линией отображен вариант четырехуровневого кодирования). Те, кто работал с выделенными линиями, усвоили эту зависимость на практике. Если сопротивление линии более 1,5 кОм вы скоро будете знать дежурных вашей телефонной станции по имени, узнаете, что такое грозовые вставки и что они имеют привычку окисляться.


Рис. 2.1.7. Зависимость максимальной скорости передачи данных от сопротивления петли передающей линии

Различные методы модуляции приводят к разным уровням перекрестных наводок, и, как следствие, могут обеспечить разные скорости пропускания сигналов. Так применение линейной эквилизации при амплитудной модуляции дает улучшение пропускной способности примерно в 5 раз. Из рисунка 2.1.8 видно, что переход от линейного выравнивания к эквилизации с обратной связью позволяет добиться улучшения почти в 1,5 раза. Многоуровневый метод кодирования увеличивает скорость пропускания еще на 30%. Следует, правда, иметь в виду, что многоуровневый метод кодирования характеризуется большим уровнем импульсных помех и, следовательно, ошибок.



Рис. 2.1.8. Минимальное отношение сигнал-шум при скорости передачи ~150кбит/с

На рис. 2.1.8 показана зависимость отношения сигнал-шум от сопротивления петли для разных схем передающего канала. Пунктиром проведены зависимости для случая четырехуровневого кодирования. Кривые 1 соответствует случаю амплитудной модуляции с линейным выравниванием, а кривые 2 - варианту эквилизации с обратной связью.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18


Телекоммуникационные технологии
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации