Введение
Научно-технический прогресс конца XX века открыл пути создания глобального информационного общества, в котором информационные и телекоммуникационные технологии приобретают особое значение, складываясь в инфокоммуникационный сектор.
Развитие инфокоммуникационного сектора в мире происходит одновременно по нескольким направлениям. При этом в области телекоммуникации и информации оно характеризуется созданием глобальных инфокоммуникационных систем, основу которых составляют цифровые системы передачи (ЦСП) различного назначения с широким использованием современных оптоволоконных технологий и цифровых систем коммутации различного вида и уровня
Во всем мире сейчас активно развивается цифровая связь – это основная тенденция развития телекоммуникаций. Качество цифровой связи имеет ряд преимуществ перед обычной связью. На основе цифровых систем передачи строят протяженные транспортные сети почти любого назначения. Благодаря научному прогрессу современные цифровые системы передачи данных позволяют одновременно передавать аудио, видео и цифровой сигнал.
Целью работы является изучение возможностей, а также изучение достоинств и недостатков цифровых систем связи.
В соответствии с этой целью поставлены следующие задачи:
- исследовать основные принципы цифровой системы передачи данных;
- раскрыть понятие и структуру цифровой системы связи;
- изучить особенности построения цифровых систем передачи.
Первые шаги цифровой передачи
Средства общения между людьми непрерывно совершенствуются в соответствии с изменениями условий жизни, развитием культуры и техники. Сегодня средства связи стали неотъемлемой частью производственного процесса и нашего быта.
Основной функцией отрасли связи является передача различного рода информации. Особенность связи заключается в том, что процесс передачи информации всегда является двусторонним, т.е. происходит между отправителем и получателем.
Линией связи называется среда распространения электромагнитных волн, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Передатчик, линия связи и приемник образуют канал связи. Источник сообщений, передатчик, линия связи, приемник и получатель сообщений образуют систему связи. Системы, позволяющие одновременно передавать по одной линии связи большое число независимых сообщений, т.е. использовать линию многократно, называются многоканальными. Их основной задачей является увеличение дальности связи и числа каналов.
Современные системы связи должны не только гарантировать быструю обработку и надежность передачи информации, но и обеспечивать выполнение этих условий наиболее экономичным способом. Однако, наука и техника не всегда были настолько развиты, как сейчас, поэтому учёные делали всё новые и новые открытия, усовершенствуя различные системы передачи.
Первые шаги цифровой передачи связаны с развитием электрического телеграфа. Неэлектрические системы передачи сигналов появились более 2000 лет назад. Греческий военачальник Полибий, как известно, применял в 300 г. до нашей эры схему сигнализации из 10 факелов, а римские войска широко пользовались одной из разновидностей семафорной связи. Самое раннее из известных предложений по системе электрического телеграфа появилось в письме, опубликованном в шотландской газете «Скотс Мэгэзин» 17 февраля 1753 г. и подписанном инициалами С.М. Он предложил тракт передачи из 26 проводов, подвешенных на изоляторах с интервалом около 20 м. Передатчиком должен был служить электростатический генератор, а на стороне приема к каждому проводу на нити подвешивался шарик из бузины. Под каждым шариком подвешивалась полоска бумаги с написанной буквой. При подключении передатчика к одной из проволок соответствующая бумажная полоска поднималась и касалась шарика. В качестве второго варианта С.М. предлагал акустический приемник с системой колокольчиков, возбуждавшихся искрой с концов проводов. Однако в то время не было нужды в новых системах связи и не было стимула для того, чтобы попытаться преодолеть трудности на пути реализации предложений С.М.
К концу XVIII века сложилась другая ситуация. Бурные события Французской революции породили потребность в более быстрой передаче сообщений, в чем отдавал себе отчёт Клод Шапп, который вначале занялся экспериментами опять-таки с электростатическим телеграфом. Они оказались неудачными по той главной, известной теперь, причине, что технология того времени не позволяла создать линии передачи с изоляцией, пригодной для высоковольтной работы малыми точками. Шапп оставил электрический телеграф и обратил свое внимание на семафорную систему визуальной сигнализации. Она оказалась удачной и нашла широкое применение в новой Французской империи. Приблизительно в это же время были сделаны необходимые дополнительные открытия, которые привели к созданию низковольтной телеграфной системы. Вольтов столб был изобретен в 1800 г., и в том же году было открыто, что электрический ток разлагает воду, в результате чего появилось средство для определения наличия тока. Одна из первых попыток применить эти открытия в телеграфной системе была предпринята С.Т. Зёммерингом в 1809 г. Его система в значительной мере отражала идеи С.М. применительно к низковольтной передаче. Использована та же система проводов, по одному для каждой буквы, хотя Зёммеринг увеличил число проводов до 35, чтобы включить и цифры. Источником сигнала служил вольтов столб, подключенный к проводам с помощью гибких выводов и гнезд. Приемник состоял из резервуара с водой, в которой находились золотые электроды. Поступление сигнала сопровождалось выделением пузырьков газа у соответствующего электрода. В резервуар с водой помещался стеклянный сосуд в форме ложки, в котором скапливался выделявшийся в виде пузырьков газ. Рычаг, прикрепленный к сосуду, удерживал свинцовый шарик. При поступлении сообщения ложка поднималась, освобождала шарик, который падал через воронку на пускатель звонкового механизма, и звенел звонок.
У аппарата Зёммеринга было два недостатка: дороговизна и сложность тракта передачи, а также медленное реагирование электрохимического приемника. Проблема приемника была, в принципе, решена в 1819 г., когда Г.Х. Эрстед открыл магнитное действие электрического тока, а на следующий год Ампер предложил, в частности, использовать магнитный детектор в телеграфе. Телеграфом занялись и другие ученые, и в результате их усилий появились более уточненные предложения и были найдены решения проблемы передачи. Особо следует отметить П.Л. Шиллинга, который, работая в штате русского посольства в Мюнхене, познакомился с трудами Зёммеринга и изобрёл систему, в которой применялось только шесть проводов для управления пятью магнитными стрелками. На приемном аппарате стрелки были подвешены на шелковых нитях над катушками из проволок. На этих же нитях были укреплены картонные кружки белого цвета с одной стороны и черного с другой. При пропускании по обмотке катушки тока соответствующая стрелка поворачивалась в ту или иную сторону, открывая белый или черный кружок. Передача осуществлялась с помощью 16 черных и белых клавиш, соединенных с катушками семью проводами. Восьмой провод использовался для вызывного звонка. Телеграф П.Л. Шиллинга 1832 г. является первым, пригодным для эксплуатации телеграфом подобного типа. В 1833г. Гаусс и Вебер создали телеграф, использующий лишь два провода. Буквы представлялись последовательным кодом, состоящим из положительных и отрицательных сигналов. Эти системы являются первыми системами, в которых применялись схемы кодирования при цифровой передаче, в них использовались коды двух основных классов: параллельные и последовательные.
Вскоре потребовалась система связи, обеспечивающая передачу информации со скоростью, соизмеримой со скоростью движения поездов, стимулом явилось развитие железных дорог, начиная с 1830 г. В 1837 г. Уитстон и Кук демонстрировали связь между станциями Юстон и Кэмден-Таун на магистрали Лондон – Бирмингем. В принципе, система представляла собой копию телеграфа П.Л. Шиллинга. В приемнике использовалась та же комбинация из шести проводов и пяти магнитных стрелок. Система была установлена в Германии на магистрали Нюренберг – Фурт. Здесь был создан усовершенствованный вариант схемы Гаусса – Вебера, разработанный фон Штейнхайлем из Мюнхена и явившийся первой серьёзной попыткой использовать схему последовательного во времени кодирования. В Англии в 1840 г. начала действовать 60-километровая линия связи между Педдингтоном и Слау. После 1840 г. телеграфные системы начали быстро внедряться, и уже через 30 лет они существовали во всем мире.
Таким образом, моментом зарождения электрического телеграфа можно считать 1837 г. С этого времени способы цифровой передачи начали развиваться независимо. [ 1, стр. 9-12]
Основные понятия и определения
Цифровой системой передач (ЦСП) называется комплекс технических средств, предназначенный для образования типовых цифровых каналов и трактов и линейного тракта, обеспечивающего передачу цифровых сигналов электросвязи.
Цифровым сигналом электросвязи, или просто цифровым сигналом, называется сигнал электросвязи, параметры которого характеризуются конечным множеством возможных дискретных значений и описываются функцией дискретного времени. Переход от одного возможного значения к другому происходит скачобразно в строго определенные моменты времени, интервалы между которыми равны или кратны выбранному единичному интервалу времени – периоду дискретизации Тд.
Дискретным значением сигнала, или его отсчетом, называется величина сигнала, оцениваемая на коротком интервале (длительности отсчета), в пределах которого сигнал изменяется лишь на незначительную пренебрежимо малую величину.
Цифровой сигнал может быть многоуровневым, т.е. в интервале изменений параметра может иметь конечное множество дискретных состояний. Сигнал может быть, например, двухуровневым, т.е. представлять собой случайную последовательность токовых (1) и бестоковых (0) посылок. Трехуровневый сигнал представляет случайную последовательность символов (+1),(-1),(0) или импульсов положительной, отрицательной полярности и бестоковых посылок.
Единицей технической оснащённости ЦСП является типовой или основной цифровой канал (ОЦК) со скоростью передачи 64 кбит/с. Кроме того, различают: первичный цифровой канал (ПЦК), вторичный цифровой канал (ВЦК), третичный цифровой канал (ТЦК) и четверичный цифровой канал (ЧЦК).
Цифровой типовой тракт – комплекс технических средств, обеспечивающий организацию основных цифровых каналов со скоростью передачи, соответствующей данному тракту, структура и параметры которого соответствуют принятым нормам. Цифровой линейный тракт – комплекс технических средств, обеспечивающий передачу цифровых сигналов со скоростью, соответствующей данной ЦСП.
Классификация цифровых систем передачи
Цифровые системы передачи классифицируются по следующим признакам:
1. По принципам разделения каналов различают ЦСП:
- с временным разделением каналов (ЦСП с ВРК);
- с частотным разделением каналов (ЦСП с ЧРК), имеющие специальное оборудование, преобразующее многоканальный (групповой) сигнал систем передачи с частотным разделением каналов (СП с ЧРК) в цифровой сигнал и обратно.
2. По способам формирования канальных сигналов различают ЦСП:
- с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ);
- с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);
- с импульсно-кодовой модуляцией и временным разделением каналов (ЦСП ИКМ-ВРК);
- с импульсно-кодовой модуляцией и частотным разделением (или делением) каналов (ЦСП ИКМ-ЧД);
- с дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией и временным разделением каналов (ДИКМ-ВРК);
- на основе дельта-модуляции с ВРК или ЧД.
3. По способам объединения цифровых потоков с целью формирования цифровых каналов и цифровых трактов более высокого порядка различают:
- ЦСП ИКМ-ВРК с асинхронным объединением цифровых потоков или систем плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ);
- ЦСП ИКМ-ВРК с синхронным объединением цифровых потоков или систем синхронной цифровой иерархии (СЦИ);
Процесс объединения нескольких входных цифровых потоков нижнего уровня (компонентных потоков) в один поток более высокого уровня для его передачи по одному выходному или агрегатному каналу (потоку) называется мультиплексированием.
4. В зависимости от среды распространения сигналов электросвязи различают ЦСП:
- по электрическим (металлическим) симметричным и коаксиальным кабелям;
- по волоконно-оптическим кабелям;
- по радиорелейным и спутниковым линиям передачи.
5. По месту ЦСП в структуре первичных сетей Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации различают ЦСП:
-для местных первичных сетей;
- для внутризоновых первичных сетей;
- для магистральных первичных сетей;
- для сетей абонентского доступа;
- для технологических сетей связи, например, железнодорожного, воздушного или водного транспорта, управления нефте- и газопроводами, энергосистемами и др.;
- для корпоративных и ведомственных сетей различного назначения.
В настоящее время в нашей стране создаётся цифровая первичная сеть (ЦПС), представляющая базовую сеть типовых универсальных цифровых каналов передачи и сетевых трактов, или транспортную сеть, образованную на базе сетевых узлов (СУ), сетевых станций (СС) и соединяющих их линий передачи.
На основе ЦПС создаются разнообразные цифровые вторичные сети (ЦВС). Сетевые узлы и станции представляют собой комплекс оборудования ЦСП различных сетевых технологий, предназначенный для формирования и перераспределения цифровых каналов и трактов и подключения ЦВС.
6. По числу ОЦК различают:
- малоканальные ЦСП с числом каналов N ≤ 30;
- среднеканальные ЦСП с числом каналов N ≤ 480;
- многоканальные ЦСП с числом каналов N≥1920;
[ 3, стр. 4-7]
Цифровые иерархии
Международный союз электросвязи (МСЭ) рекомендует строить цифровые системы передачи по иерархическому принципу. Чем выше ступень иерархии, тем больше организуется каналов и тем мощнее цифровой поток или, другими словами, тем выше его скорость. Современная цифровая первичная сеть строится на основе трех основных технологий: плезиохронной иерархии (PDH), синхронной иерархии (SDH) и асинхронного режима переноса (передачи) (ATM).
Первичная цифровая сеть на основе PDH/SDH состоит из узлов мультиплексирования (мультиплексоров), выполняющих роль преобразователей между каналами различных уровней иерархии стандартной пропускной способности, регенераторов, восстанавливающих цифровой поток на протяженных трактах, и цифровых кроссов, которые осуществляют коммутацию на уровне каналов и трактов первичной сети. Первичная сеть строится на основе типовых каналов, образованных системами передачи. Современные системы передачи используют в качестве среды передачи сигналов электрический и оптический кабель, а также радиочастотные средства (радиорелейные и спутниковые системы передачи). Цифровой сигнал типового канала имеет определенную логическую структуру, включающую цикловую структуру сигнала и тип линейного кода. Цикловая структура сигнала используется для синхронизации, процессов мультиплексирования и демультиплексирования между различными уровнями иерархии каналов первичной сети, а также для контроля блоковых ошибок. Линейный код обеспечивает помехоустойчивость передачи цифрового сигнала. Аппаратура передачи осуществляет преобразование цифрового сигнала с цикловой структурой в модулированный электрический сигнал, передаваемый затем по среде передачи. Тип модуляции зависит от используемой аппаратуры и среды передачи.
Таким образом, внутри цифровых систем передачи осуществляется передача электрических сигналов различной структуры, на выходе цифровых систем передачи образуются каналы цифровой первичной сети, соответствующие стандартам по скорости передачи, цикловой структуре и типу линейного кода.
Обычно каналы первичной сети приходят на узлы связи и оканчиваются в линейно-аппаратном цехе (ЛАЦе), откуда кроссируются для использования во вторичных сетях. Можно сказать, что первичная сеть представляет собой банк каналов, которые затем используются вторичными сетями (сетью телефонной связи, сетями передачи данных, сетями специального назначения и т.д.). Существенно, что для всех вторичных сетей этот банк каналов един, откуда и вытекает обязательное требование, чтобы каналы первичной сети соответствовали стандартам.
Современная цифровая первичная сеть может строиться на основе трех технологий: PDH, SDH и ATM. Из перечисленных технологий только первые две в настоящее время могут рассматриваться как основа построения цифровой первичной сети.
Рассмотрим более подробно историю построения и отличия плезиохронной и синхронной цифровых иерархий. Схемы ПЦС были разработаны в начале 80х. Всего их было три:
1) принята в США и Канаде, в качестве скорости сигнала первичного цифрового канала ПЦК (DS1) была выбрана скорость 1544 кбит/с и давала последовательность DS1 - DS2 - DS3 - DS4 или последовательность вида: 1544 - 6312 - 44736 - 274176 кбит/с. Это позволяло передавать соответственно 24, 96, 672 и 4032 канала DS0 (ОЦК 64 кбит/с);
2) принята в Японии, использовалась та же скорость для DS1; давала последовательность DS1 - DS2 - DSJ3 - DSJ4 или последовательность 1544 - 6312 - 32064 - 97728 кбит/с, что позволяло передавать 24, 96, 480 или 1440 каналов DS0;
3) принята в Европе и Южной Америке, в качестве первичной была выбрана скорость 2048 кбит/с и давала последовательность E1 - E2 - E3 - E4 - E5 или 2048 - 8448 - 34368 - 139264 - 564992 кбит/с. Указанная иерархия позволяла передавать 30, 120, 480, 1920 или 7680 каналов DS0.
Комитетом по стандартизации ITU - T был разработан стандарт, согласно которому:
- во-первых, были стандартизированы три первых уровня первой иерархии, четыре уровня второй и четыре уровня третьей иерархии в качестве основных, а также схемы кросс-мультиплексирования иерархий;
- во-вторых, последние уровни первой и третьей иерархий не были рекомендованы в качестве стандартных.
Указанные иерархии, известные под общим названием плезиохронная цифровая иерархия PDH, или ПЦИ
Но PDH обладала рядом недостатков, а именно:
- затруднённый ввод/вывод цифровых потоков в промежуточных пунктах;
- отсутствие средств сетевого автоматического контроля и управления;
- многоступенчатое восстановление синхронизма требует достаточно большого времени;
Также можно считать недостатком наличие трёх различных иерархий.
Указанные недостатки PDH, а также ряд других факторов привели к разработке в США ещё одной иерархии - иерархии синхронной оптической сети SONET, а в Европе аналогичной синхронной цифровой иерархии SDH, предложенными для использования на волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Но из-за неудачно выбранной скорости передачи для STS-1, было принято решение - отказаться от создания SONET, а создать на её основе SONET/SDH со скоростью передачи 51.84 Мбит/с первого уровня ОС1 этой СЦИ. В результате OC3 SONET/SDH соответствовал STM-1 иерархии SDH.
Иерархии PDH и SDH взаимодействуют через процедуры мультиплексирования и демультиплексирования потоков PDH в системы SDH.
Основным отличием системы SDH от системы PDH является переход на новый принцип мультиплексирования. Система PDH использует принцип плезиохронного (или почти синхронного) мультиплексирования, согласно которому для мультиплексирования, например, четырех потоков Е1 (2048 кбит/с) в один поток Е2 (8448 кбит/с) производится процедура выравнивания тактовых частот приходящих сигналов методом стаффинга. В результате при демультиплексировании необходимо производить пошаговый процесс восстановления исходных каналов. Например, во вторичных сетях цифровой телефонии наиболее распространено использование потока Е1. При передаче этого потока по сети PDH в тракте ЕЗ необходимо сначала провести пошаговое мультиплексирование Е1-Е2-ЕЗ, а затем - пошаговое демультиплексирование ЕЗ-Е2-Е1 в каждом пункте выделения канала Е1. Особенности технологии SDH:
• предусматривает синхронную передачу и мультиплексирование. Элементы первичной сети SDH используют для синхронизации один задающий генератор, как следствие, вопросы построения систем синхронизации становятся особенно важными;
• предусматривает прямое мультиплексирование и демультиплексирование потоков PDH, так что на любом уровне иерархии SDH можно выделять загруженный поток PDH без процедуры пошагового демультиплексирования. Процедура прямого мультиплексирования называется также процедурой ввода-вывода;
• позволяет объединить системы PDH европейской и американской иерархии, обеспечивает полную совместимость с существующими системами PDH и, в то же время, дает возможность будущего развития систем передачи, поскольку обеспечивает каналы высокой пропускной способности для передачи ATM, MAN, HDTV и т.д.;
• обеспечивает лучшее управление и самодиагностику первичной сети. Большое количество сигналов о неисправностях, передаваемых по сети SDH, дает возможность построения систем управления на основе платформы TMN. Технология SDH обеспечивает возможность управления сколь угодно разветвленной первичной сетью из одного центра.
В системе SDH производится синхронное мультиплексирование/ демультиплексирование, которое позволяет организовывать непосредственный доступ к каналам PDH, которые передаются в сети SDH. Это довольно важное и простое нововведение в технологии привело к тому, что в целом технология мультиплексирования в сети SDH намного сложнее, чем технология в сети PDH, усилились требования по синхронизации и параметрам качества среды передачи и системы передачи, а также увеличилось количество параметров, существенных для работы сети. Как следствие, методы эксплуатации и технология измерений SDH намного сложнее аналогичных для PDH.
Технология ATM отличается от технологий PDH и SDH тем, что охватывает не только уровень первичной сети, но и технологию вторичных сетей, в частности, сетей передачи данных и широкополосной ISDN (B-ISDN). В результате при рассмотрении технологии ATM трудно отделить ее часть, относящуюся к технологии первичной сети, от части, тесно связанной со вторичными сетями. В отличие от синхронной передачи на выходе мультиплексора ячейки от разных источников не занимают строго фиксированные позиции на временной оси. А появляются по мере их поступления от источников сообщений. Обработка ячеек в коммутаторах АТМ осуществляется аппаратным способом, что обеспечивает в сочетании с используемым АТМ асинхронным методом мультиплексирования как малые задержки сигналов, так и малый их разброс. В свою очередь, это позволяет передавать в сетях с АТМ такие чувствительные к задержке сообщения как голосовые и видео.