Телекоммуникационные сети и системы

Телекоммуникационные сети и системы

 

Учебное пособие

 

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ»

––––––––––––––––––––––––––––––––––––

 

А. В. ВОРОНОВ

 

Телекоммуникационные сети и системы

 

Учебное пособие

 

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

УДК 621.372.83.(075)

ББК З 889.1я7

В 75

 

 

Воронов А. В.

В 75 Телекоммуникационные сети и системы. Лабораторный практикум.

СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. 88 с.

 

ISBN 978-5-7629-1035-4

 

Содержит теоретические сведения о работе телекоммуникационных систем и практические рекомендация для выполнения лабораторных работ.

Предназначен для студентов и магистров факультета радиотехники и телекоммуникаций и открытого факультета направлений 210300, 210400 и специальностей 210302, 210402.

 

УДК 621.372.83.(075)

ББК З 889.1я7

 

Рецензенты: кафедра радиотехники и телекоммуникаций СПбГПУ; канд. техн. наук В. В. Курлов (СПб АУИЭ).

 

 

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

 

 

ISBN 978-5-7629-1035-4 ãСПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010

Лабораторная работа 1

ИССЛЕДОВАНИЕ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Цель работы –изучение распространения сигналов в волоконно-оптических, коаксиальных и симметричных линиях связи.

Общие положения

В кабельных линиях связи распространение сигналов осуществляется только по специально созданным цепям и трактам, образующим направляющие системы. Они обеспечивают передачу сигналов в заданном направлении. Характеристики физической среды передачи во многом определяют качество предоставляемых пользователю услуг.

В настоящее время применяются три основных типа кабеля: на основе скрученных пар медных проводов (витая пара), коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели.

Электрические линии связи

Одним первых и до сих пор часто применяемых кабелей является витая пара. Состоит из двух скрученных изолированных медных проводов. Скрутка позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар.

Кабели на основе неэкранированной витой пары. Медный неэкранированный кабель UTP (Unshielded Twisted Pair) в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 7 категорий:

Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи данных минимальны. Обычно это кабель для цифровой или аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. До 1983 г. это был основной тип кабеля для телефонной разводки.

Кабели категории 2 были впервые применены фирмой IBM при построении собственной кабельной системы. Главное требование к кабелям этой категории – способность передавать сигналы со спектром до 1 МГц.

Кабели категории 3 были стандартизованы в 1991 г., когда был разработан стандарт EIA-568, определивший характеристики кабелей в диапазоне до 16 МГц. Он предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Шаг скрутки проводов составляет примерно 3 витка на фут.

Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала.

Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов, поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. (Волновое сопротивление кабеля равно 100 Ом.)

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырех пар кабеля имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две – для передачи голоса. Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие собой 8-контактные разъемы.

С недавнего времени выпускают кабели категорий 6 и 7. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 – до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причем как каждая пара, так и весь кабель в целом. Кабель категории 6 может быть как экранированным, так и неэкранированным.

Коаксиальный кабель имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки. Он лучше экранирован, чем витая пара, и может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Современные кабели имеют полосу пропускания около 1 ГГц.

Коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом описаны в стандарте EIA/TIA-568:

«Толстый» коаксиальный кабель RG-8 и RG-11 имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 0.5 дюйма; внутренний проводник диаметром 2.17 мм обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики.

«Тонкий» коаксиальный кабель (RG-58/U, RG-58 A/U и RG-58 C/U) имеет внутренний проводник диаметром 0.89 мм, что увеличивает его гибкость и упрощает монтаж. Затухание в кабелях этого типа выше, чем в «толстом», поэтому приходится уменьшать длину кабеля для получения одинакового затухания в сегменте.

Телевизионный кабель RG-59 с волновым сопротивлением 75 Ом широко применяется в кабельном телевидении.

Лабораторная работа 2

ИЗУЧЕНИЕ ЦИФРОВЫХ МЕТОДОВ МОДУЛЯЦИИ

Цели работы:

– изучение многопозиционных видов модуляции;

– исследование характеристик сигналов, используемых в модуляции GMSK;

– исследование влияния помех на качество передачи информации.

Общие положения

Для транспортировки информации на расстояние с помощью радиоволн отведенного диапазона необходима модуляция несущего гармонического колебания высокой частоты низкочастотным сигналом, взаимнооднозначно отображающим передаваемое сообщение. Если не касаться достаточно сложных вариантов, осуществимых только на волновом уровне (поляризационная, пространственная модуляция), в арсенале разработчика системы связи присутствуют три традиционные разновидности модуляции: амплитудная, частотная, фазовая (последние две можно трактовать как одну – угловую) со всеми их комбинациями и частными версиями. Широкое проникновение компьютерной техники во многие сферы жизни приводит к тому, что большую часть информации необходимо передавать в цифровом виде. Передача информации в цифровой форме обеспечивает помимо совместимости с устройствами цифровой обработки информации большую информационную емкость, высокий уровень безопасности, необходимое быстродействие [2].

Спектр цифровых сигналов лежит в диапазоне от 0 до F _max (максимальной частоты, определяемой длительностью единичного элемента). В то же время полоса пропускания канала находится в диапазоне от F _min до F _max, где F _min – больше нуля. Отсюда вытекает задача преобразования исходного спектра сигнала таким образом, чтобы сигнал «прошел» через канал.

Но кроме того, необходимо сформировать посылаемый в канал связи сигнал так, чтобы обеспечить выполнение целого ряда дополнительных требований, многие из которых противоречат друг другу, и выполнить их все в достаточной мере не представляется возможным. Поэтому существуют различных виды и подвиды цифровой модуляции, призванные максимально удовлетворить основные требования тех или иных телекоммуникационных систем.

Основными характеристиками эффективности того или иного вида модуляции являются:

– удельная скорость передачи (приходящаяся на единицу полосы – бит в секунду на герц);

– уровень мощности, необходимый для достижения заданной вероятности ошибки;

– динамический диапазон огибающей сигнала, позволяющий учесть нелинейные эффекты в усилителе мощности.

При передаче цифровой информации по каналам связи модулятор является устройством отображения цифровой информации в форму аналоговых сигналов, которые согласованы с характеристиками каналов. Отображение обычно осуществляется посредством выбора блоков из k = log2 M двоичных символов из символов информационной последовательности { an } и выбора одного из M = 2 ^k детерминированных сигналов с ограниченной энергией { S_m (t), m = 1, …, M }, для передачи его по каналу. Если битовый интервал исходной последовательности равен T b, т. е. скорость ее передачи R = 1/ T b, то скорость передачи канальных символов равна R/k, а интервал канального символа T = R/k = kT b.

Поэтому возможно уменьшить ширину спектра передаваемого сигнала при той же скорости передачи битов (передавая символ S_m (t)за время передачи k информационных битов) или увеличить скорость в k раз, сохранив ширину спектра, соответствующую битовому интервалу T b.

Таким образом, при M -арной передаче возникает возможность различных компромиссов. Это можно видеть на примере фазовой манипуляции (рис. 2.1).

Рис. 2.1

При этом повышение использования полосы происходит за счет вероятности ошибки (рис. 2.2), поскольку расстояние между сигнальными векторами уменьшается. Чтобы увеличить это расстояние, необходимо сделать векторы сигналов длиннее (увеличить интенсивность сигналов). Таким образом, увеличивать производительность полосы можно либо за счет повышения вероятности ошибки, либо за счет увеличения энергии, приходящейся на бит сообщения.

В случае ортогональной передачи, когда сигнальное множество расширяется за счет введения дополнительных осей в сигнальном множестве (например, новых частот при частотной манипуляции), увеличение размерности M не приводит к повышению вероятности ошибки. Хотя вероятность символьной ошибки при фиксированном отношении сигнал/шум с ростом M возрастает, но при использовании в качестве критерия нормированного на бит отношения сигнал/шум E b /N 0 можно наблюдать повышение достоверности передачи с увеличением размерности.

Справочные сведения

В работе изучается модем CMX909B, который может быть использован в различных системах подвижной радиосвязи. Он осуществляет преобразование потока цифровых данных, необходимое для передачи их в заданной полосе радиоканала, а также формирует блоки данных, обеспечивая синхронизацию передачи и помехоустойчивое кодирование. Структурная схема модема и его возможные связи с другими элементами системы представлены на рис. 2.20.

Рис. 2.20

Необходимость решения первой задачи вызвана следующими причинами. Двоичный поток данных состоит из резких переходов от «0» к «1» и от «1» к «0», и поэтому его спектр содержит большое количество гармоник. Это обстоятельство делает цифровой поток данных малопригодным для передачи по радиоканалу, поскольку уровень излучения на соседних частотах будет в таком случае недопустимо высоким. Требования к радиосистемам по электромагнитной совместимости и рациональному использованию спектра с каждым годом возрастают, и вследствие этого разработаны различные виды цифровой модуляции, призванные повысить спектральную эффективность передачи данных.

Одним из таких видов является модуляция GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying), используемая во многих современных телекоммуникационных системах (например, в системах сотовой связи стандарта GSM), и именно она применена в изучаемом в работе модеме.

Принцип модуляции GMSK состоит в том, что перед тем, как поток битов поступает в модулятор и модулирует несущую частоту, он пропускается через ФНЧ – фильтр нижних частот. ФНЧ должен иметь достаточно узкую полосу пропускания с крутым срезом верхних частот и иметь импульсную характеристику с минимальными коэффициентом перерегулирования и степенью колебательности. Этим условиям удовлетворяет ФНЧ с гауссовской формой импульсной характеристики.

Для характеристики полосы пропускания низкочастотного фильтра вводится величина BT = f _{–3 дБ}/ R, где f _{–3 дБ} – частота среза по уровню –3 дБ, R – скорость передачи битов. Однако, как можно видеть из рис. 3.21, при увеличении значения BT длина символа растягивается, что может стать причиной повышенной межсимвольной интерференции, т. е. выигрыш в компактности спектра достигается за счет снижения достоверности передачи информации. В стандарте Mobitex, который поддерживает модем CMX909B в качестве оптимального значения принято BT = 0.3.

Модуляция GMSK позволяет получить очень высокую спектральную эффективность. На рис. 3.22 можно видеть выигрыш, который дает гауссовская модуляция по сравнению с некоторыми другими видами цифровой модуляции. Сигнал с модуляцией GMSK занимает существенно более узкую полосу частот.

Рис. 2.22

Кроме достижения компактности спектра, модем должен обеспечивать приемлемые характеристики достоверности передачи информации в условиях действия помех. Эта достоверность характеризуется коэффициентом битовой ошибки (в англоязычной литературе BER – Bit Error Rate), который вычисляется как отношение числа битов, принятых с ошибкой, к общему числу переданных битов.

Для улучшения характеристик достоверности передачи, при формировании пакетов данных используется помехоустойчивое кодирование. В изучаемом модеме реализован алгоритм кодирования FEC (Forward Error Correction), применение которого позволяет исправлять однократные ошибки и может повысить коэффициент битовой ошибки.

Передача сообщений.

а) Передача сообщений при отсутствии помех. Запустить тест 7. Набрать в поле данных (Data Block) любой осмысленный текст из 18 символов или оставить введенный по умолчанию. Нажать OK для передачи сообщения. В появившемся информационном окне принятого сообщения изучить полученные данные и убедиться в соответствии полученных данных передаваемым.

б) Передача сообщений в условиях действия помех. Подсоединить генератор к входу лабораторного стенда. В поле Noise выбрать NSA2. Запустить тест 7. Сравнить полученное сообщение с переданным. Повторить передачу несколько раз и наблюдать возможные варианты искажения сообщения.

Содержание отчета

В отчете по лабораторной работе должны быть отражены:

– форма и спектр сигнала по п. 2;

– результаты измерений по п. 4;

– графики помехоустойчивости по п. 5;

– краткие выводы по результатам исследования и сопоставление полученных результатов с теоретическими положениями.

Контрольные вопросы

1. Особенности цифровой модуляции.

2. Простые виды цифровой модуляции: ASK, FSK, PSK.

3. Эффективные методы цифровой модуляции: QPSK, BPSK, QAM, MSK, GMSK.

Лабораторная работа 3

Общие положения

Потребность в передаче данных с высокой скоростью предъявляет повышенные требования к организации линий связи. Линия связи может быть организована на основе проводных линий, коаксиальных и волоконно-оптических кабелей, радиоканалов наземной и спутниковой связи и беспроводных оптических каналов.

Хорошо отработанные решения для организации связи с использованием медных или волоконно-оптических линий не всегда удобны, поскольку влекут за собой следующие трудности:

– невозможность получить разрешение на прокладку кабеля, особенно в городских условиях;

– невозможность получить в аренду телефонные линии от оператора, либо плохое качество связи по арендованным линиям;

– большие затраты средств и времени на прокладку новых коммуникаций, а также из-за высокой арендной платы за использование уже существующих коммуникаций;

– использование старых коммуникаций, которые из-за своей высокой загруженности уже не могут справиться с новым дополнительным трафиком.

Из всего вышесказанного следует, что в ряде случаев использование беспроводных соединений может быть экономически выгодным.

Преимущества беспроводных сетей передачи данных:

– возможная альтернатива использованию арендованных линий;

– экономичность (например, для организации временных сетей при частых структурных перестройках в организации, связанных с изменением конфигурации кабельной сети);

– объединение в сеть оборудования там, где прокладка кабеля часто невозможна технически.

Порядок выполнения работы

1. Убедиться, что все приборы, входящие в состав лабораторной установки включены.

2. На экране компьютера найти пиктограмму виртуального осциллографа и активизировать программу.

3. Ознакомиться с изображением на экране и изучить, как осуществляется изменение параметров развертки осциллографа.

4. Измерить амплитудно-частотную характеристику линии. Для измерения используется звуковой генератор и осциллограф, подключенный к выходу блока ИКМ-30. Подключить канал А осциллографа к выходу звукового генератора, а канал B – к выходу блока ИКМ30. Вначале установить выходную частоту звукового генератора 100 Гц и измерить амплитуду сигнала в канале B. Затем с шагом 300 Гц произвести измерения для 15 точек.

Сохранить три осциллограммы на частотах 300, 1000, 3000 Гц в файлах.

5. При помощи набора диафрагм добиться, чтобы были заметны искажения выходного сигнала. Зафиксировать внутренний диаметр диафрагмы.

6. При помощи двух каналов осциллографа измерить форму потенциального кода (канал А) и кода HDB3 (канал B). Сохранить изображения трех вариантов осциллограмм в файлах.

Содержание отчета

1. График амплитудно-частотной характеристики линии.

2. Осциллограммы на выходе звукового генератора и выходе блока ИКМ30.

3. Осциллограммы потенциального и импульсного кода HDB3.

Контрольные вопросы

1. В каких случаях целесообразно использование беспроводных оптических линий связи?

2. Какие полупроводниковые приборы используются для оптической передачи?

3. Особенности линейного (физического) кодирования.

4. Правила кодообразования AMI и HDB3.

Лабораторная работа 4

Общие положения

В связи с бурным развитием цифровых технологий в области телекоммуникаций происходит слияние каналов передачи речи и данных, а также полный переход их на цифровую основу. Основой современной системы связи становится цифровая сеть. При этом одним из видов цифровой аппаратуры первичной сети передачи, использующей в качестве среды радиоканал, являются радиорелейные линии связи (РРЛ) [4].

Радиорелейная связь (от радио и франц. relais – промежуточная станция), радиосвязь, осуществляемая при помощи цепочки приемо-передающих радиостанций, как правило, отстоящих друг от друга на расстоянии прямой видимости их антенн. Осуществляется обычно на дециметровых и сантиметровых волнах.

Радиорелейные линии используются для передачи сигналов многоканальной телефонии, телевизионных сигналов, сигналов вещания, телеграфных сигналов, для передачи газетных текстов, компьютерных данных и обеспечивают эту передачу с высоким качеством и большой надежностью связи. Особые свойства, которые отличают радиорелейную связь от традиционной проводной и кабельной, делают ее все более привлекательной для использования в глобальных, региональных и местных сетях передачи данных. В тех случаях, когда требуется осуществить быстрое развертывание сети передачи данных в районах с неразвитой связной инфраструктурой, или при создании сетей передачи данных, обслуживающих подвижных абонентов, радиорелейной связи нет альтернативы.

Дальность прямой видимости зависит от высоты приемо-передающих антенн двух РРЛ и может быть вычислена по формуле: D = 3.557(H ₁ + H ₂), где D – дальность прямой связи, выраженная в километрах; H ₁ и H ₂ – высоты подвеса приемо-передающих антенн радиостанций. Радиоволны дециметрового (ДЦВ) и сантиметрового диапазонов (СВ) распространяются в основном за счет поверхностной волны прямолинейно, потому что дифракция радиоволн этого диапазона выражена слабо. Поэтому связь с ее помощью может быть организована только на дальности прямой видимости. Для того чтобы максимально увеличить расстояние прямой видимости между РРЛ, их антенны устанавливают на мачтах или башнях высотой 30…100 м и по возможности – на возвышенных местах. Максимальная дальность радиорелейной связи определяется не только физической прямой видимостью, но и радиовидимостью (для высоких частот критично, чтобы 1-я зона Френеля не касалась поверхности), которая зависит от частотного диапазона используемых РРЛ, емкости ствола (скорости передачи данных), диаметра антенн и может незначительно отличаться от вычисленной по приведенной формуле. Чем выше частота, тем меньше радиус зоны Френеля. Исходя из этого можно было бы предположить, что следует использовать частоту выше, а мачты ниже. Однако с увеличением частоты уменьшается максимальная дальность пролета.

На равнинной местности расстояние между РРЛ обычно составляет 40…70 км, в горах и на пересеченной местности оно может быть увеличено за счет установки РРЛ на возвышенностях или вершинах гор. Если расстояние между РРЛ превышает пределы прямой видимости, то устанавливают промежуточные (ретрансляционные) РРЛ.

Полосы радиочастот РРЛ расположены в диапазоне от 2 до 50 ГГц и жестко регламентируются внутри каждой полосы как рекомендациями ITU (Международного союза электросвязи), так и Радиорегламентом Российской Федерации.

Области применения РРЛ:

– линии связи между населенными пунктами;

– телекоммуникационные сети связи;

– технологические линии связи для железнодорожного транспорта, энергосистем, газо- и нефтепроводов;

– связь между компьютерными и офисными центрами;

– соединительные линии между базовыми станциями сотовой и подвижной связи;

– системы распределения информации;

– временные линии и сети связи для проведения массовых мероприятий или аварийно-спасательных работ;

– линии и сети связи для производственных объединений;

– сети связи для крупных сельскохозяйственных предприятий.

В настоящий момент РРЛ строятся на основе двух основных технологий: PDH (Plesiohronic digital hierarchy – плезиохронная цифровая иерархия) и SDH (Synchronous digital hierarchy – синхронная цифровая иерархия). Технология PDH является самой ранней, и большинство РРЛ, используемых на территории нашей страны, принадлежат к средствам, реализующим эту технологию [5].

При использовании цифровых методов мультиплексор (типа n:1) формирует из n входных цифровых последовательностей одну выходную, состоящую из повторяющихся групп по n одноименных блоков (бит, байт, несколько байтов), сформированных за «тайм-слот». Мультиплексор теоретически должен при этом обеспечить скорость передачи данных порядка n × v, где v – скорость передачи данных одного входного канала, предполагаемая одинаковой для всех каналов. Если в качестве входного используется сигнал основного цифрового канала DS0 (ОЦК) со скоростью передачи 64 Кбит/с, то с помощью одного мультиплексора типа n:1 можно теоретически формировать потоки со скоростью n × 64 Кбит/с. Если считать этот мультиплексор первым в схеме каскадного соединения из нескольких мультиплексоров второго, третьего и т. д., то можно сформировать различные иерархические наборы цифровых скоростей передачи, или цифровые иерархии, позволяющие довести этот процесс мультиплексирования, или уплотнения каналов, до необходимого уровня, дающего требуемое число каналов DS0 на выходе, выбирая различные коэффициенты кратности.

Схемы плезиохронной цифровой иерархии – PDH. Три такие иерархии были разработаны в начале 80-х гг. В первой из них, принятой в США и Канаде, в качестве скорости сигнала первичного цифрового канала ПЦК (DS1), была выбрана скорость 1544 Кбит/с (фактически n = 24), т. е. двадцать четыре цифровых телефонных канала по 64 Кбит/с.

Во второй, принятой в Японии, использовалась та же скорость для DS1.
В третьей, принятой в Европе и Южной Америке, в качестве первичной была выбрана скорость 2048 Кбит/с (формально n = 32, фактически n = 30, т. е. в качестве информационных используется тридцать телефонных или информационных каналов 64 Кбит/с плюс два канала сигнализации и управления по 64 Кбит/с).

Первая иерархия, порожденная скоростью 1544 Кбит/с, давала последовательность: DS1 – DS2 – DS3 – DS4 или последовательность вида: 1544 – 6312 – 44 736 – 27 4176 Кбит/с (часто цитируется ряд приближенных величин 1.5 – 6 – 45 – 274 Мбит/с), что, с учетом скорости DS0, соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n = 24, m = 4, l = 7, k = 6. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 24, 96, 672 и 4032 канала DS0.

DS0…DS4 – называют цифровыми каналами 0–4-го уровней иерархии. В терминологии, используемой в связи, это, соответственно: основной цифровой канал (ОЦК), первичный цифровой канал (ПЦК), вторичный цифровой канал (ВЦК), третичный цифровой канал (ТЦК) и четвертичный цифровой канал (ЧЦК).

Вторая иерархия, порожденная скоростью 1544 Кбит/с, давала последовательность DS1 – DS2 – DSJ3 – DSJ4 или последовательность 1544 – 6312 – 32 064 – 97 728 Кбит/с (ряд приближенных величин составляет 1.5 – 6 – 32 – 98 Мбит/с), что с учетом скорости DS0 соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n = 24, m = 4, l = 5, k = 3. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 24, 96, 480 и 1440 каналов DS0.

DSJ3 и DSJ4 называют цифровыми каналами 3-го и 4-го уровней японской PDH-иерархии.

Третья иерархия, порожденная скоростью 2048 Кбит/с, давала последовательность Е1 – E2 – ЕЗ – Е4 – Е5 или 2048 – 8448 – 34 368 – 139 264 – 564 992 Кбит/с (ряд приближенных величин составляет 2 – 8 – 34 – 140 – 565 Мбит/с), что соответствует ряду коэффициентов n = 30 (32), m = 4, l = 4, k = 4, i = 4 (т. е. коэффициент мультиплексирования в этой иерархии выбирался постоянным и кратным 2). Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 30, 120, 480, 1920 и 7680 каналов DS0, что отражается и в названии ИКМ-систем: ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480 и т. д.

Указанные иерархии известны под общим названием плезиохронная цифровая иерархия PDH, или ПЦИ.

Параллельное развитие трех различных иерархий не могло способствовать развитию глобальных телекоммуникаций в мире в целом, поэтому комитетом по стандартизации ITU-T или МСЭ-Т были сделаны шаги по их унификации и возможному объединению. В результате был разработан стандарт [5], согласно которому:

– были стандартизованы три первых уровня первой иерархии (DS1 – DS2 – DS3), четыре уровня второй иерархии (DS1 – DS2 – DSJ3 – DSJ4) и четыре уровня третьей иерархии (Е1 – Е2 – ЕЗ – Е4) в качестве основных и указаны схемы кросс-мультиплексирования иерархий, например, из третьей иерархии в первую (с первого на второй уровень) и обратно (с третьего на четвертый уровень), что и показано на рис. 4.1 (коэффициенты мультиплексирования показаны на линиях связи блоков, представляющих скорости передачи);

– последние уровни первой (274 Мбит/с) и третьей (565 Мбит/с) иерархий не были рекомендованы в качестве стандартных;

– была сохранена ветвь 32 064…97 728 Кбит/с во второй иерархии, т. е. уровни DSJ3 и DSJ4, параллельные уровням DS3 в первой иерархии и Е4 в третьей иерархии. Уровень DSJ3 фактически соответствует уровню ЕЗ, что облегчает кросс-мультиплексирование со второго уровня на третий. Уровень DSJ4 – 98 Мбит/с – был, возможно, сохранен для совместимости с технологией распределенного оптоволоконного интерфейса данных FDDI.

Рис. 4.1

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

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

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

Иерархический ряд скоростей, который поддерживает PDH (2.048, 8.448, 34.368, 139.262 Мбит/с), в настоящее время является явно недостаточным для современных потребностей.

Второй, более развитой технологией, реализуемой в РРЛ, является технология SDH.

Синхронная цифровая иерархия – технология широкополосных транспортных сетей, которые являются инфраструктурой для подключения пользователя к широкому спектру услуг. Сети SDH предоставляют широкий диапазон скоростей доступа, в том числе совместимых с плезиохронной цифровой иерархией, прозрачны для трафика любой природы (голос, данные, видео). Заложенная в структуру SDH-сигнала служебная информация обеспечивает возможность централизованного управления сетевыми устройствами и сетью в целом, позволяя гибко и оперативно обслуживать сеть и предоставлять пользователям необходимые потоки, а также реализует механизмы защиты информационных потоков в сети от возможных аварий.

Входными сигналами синхронной иерархии могут быть перечисленные ранее цифровые потоки плезиохронной иерархии и более высокие скорости передачи, представленные ниже:

– STM-1 – 155.520 Мбит/с;

– STM-4 – 622.08 Мбит/с;

– STM-16 – 2487.32 Мбит/с;

– STM-64 – 9949.28 Мбит/с;

– STM-256 – 39797.12 Мбит/с.

В качестве первичного уровня иерархии здесь выступает сигналSTM-1 (Synchronous Transport Module – синхронный транспортный модуль), от которого с множителем «4» продолжается иерархический ряд скоростей.

Современная цифровая РРЛ – сложный технический комплекс, в который входит приемопередатчик, модем, мультиплексор, приемопередающие антенны, система автоматического резервирования, система телеуправления и телесигнализации, контрольно-измерительная аппаратура, устройства служебной связи, система электропитания.

Рассмотрим функции основных устройств: приемопередатчика, модема и мультиплексора.

Приемопередатчик РРЛ – устройство, которое выполняет функции приема и передачи модулированных электрических колебаний заданных частот. Приемник выделяет электрический сигнал заданной частоты из сигналов, принятых приемной антенной. С выхода приемника сигнал поступает на демодулятор. Передатчик вырабатывает модулированный электрический сигнал заданной частоты для последующего его излучения передающей антенной. На вход передатчика сигнал поступает из модулятора. Один комплект приемопередающей аппаратуры, установленный на РРЛ, образует ствол. Для увеличения пропускной способности на РРЛ устанавливают несколько комплектов такой аппаратуры – создают несколько стволов.

Модем РРЛ – оконечное устройство, служащее для модуляции-демодуляции сигнала. Поступающий из мультиплексора дискретный сигнал, модем преобразует в аналоговый (непрерывный) сигнал некоторой промежуточной частоты и передает его в приемопередатчик, а при приеме поступающий из приемопередатчика аналоговый сигнал преобразуется в дискретный. Таким образом, в составе цифрового радиорелейного тракта модем выполняет функции цифрового стыка, который должен соответствовать международным рекомендациям. Как правило, в модеме РРЛ дополнительно создаются речевой канал, позволяющий организовывать служебную телефонную связь и сервисный канал связи для дистанционного контроля параметров. В многопролетных системах связи программное обеспечение позволяет проводить дистанционное управление и диагностику модемов.

Для преобразования сигнала в модемах РPЛ до недавнего времени применялись относительно несложные методы модуляции: [4].

– FSK (Frequency Shift Keying) – частотная модуляция (ЧМ), сущность которой заключается в том, что дискретные сигналы «0» и «1» передаются гармоническими сигналами (синусоидами), имеющими различные частоты;

– PSK (Phase Shift Keying) – фазовая модуляция, при которой дискретные сигналы «0» и «1» передаются переключением двух несущих, сдвинутых на полпериода относительно друг друга.

Однако возрастающие требования к скорости передачи информации и при ограниченном частотном ресурсе приводят к необходимости применения многопозиционных видов модуляции с большим числом различимых состояний информационного параметра. К ним относятся: квадратурная фазовая манипуляция (quadrature phase shift keying – QPSK),квадратурная амплитудная модуляция (QAM – Quadrature Amplitude Modulation).

Мультиплексор РРЛ для технологии PDH предназначен для асинхронного объединения нескольких цифровых потоков в один, например Е1 (2048 Мбит/с) в сигнал Е2 (8448 Мбит/с) или сигнал E3 (34 368 Мбит/с).

Мультиплексор технологии SDH синхронно объединяет 63 цифровых потока Е1 (2048 Мбит/с) в STM-1 – 155.52 Мбит/с; 126 Е1 (2048 Мбит/с) в STM-4 – 622.08 Мбит/с, и т. д.

РРЛ классифицируют по следующим взаимосвязанным признакам:

– скорость передачи данных (цифрового потока) – пропускная способность;

– емкость радиорелейной линии (количество стволов и каналов в них);

– количество пролетов в радиорелейной линии.

Высокоскоростные радиорелейные линии большой емкости применяются в глобальных сетях передачи данных и называются магистральными. Среднескоростные радиорелейные линии средней емкости – для создания региональных, зоновых сетей передачи данных и называются зоновыми. Наконец, малоканальные широко используются для организации связи на железнодорожном транспорте, газопроводах, нефтепроводах, линиях электропередачи и т. п. Малоканальные радиорелейные линии с подвижными РРС применяются в военных целях.

Современные цифровые радиолинии позволяют:

– оперативно наращивать возможности системы связи путем установки оборудования РРС в помещениях узлов связи, используя антенно-мачтовые устройства;

– организовать многоканальную связь в регионах со слабо развитой (или с отсутствующей) инфраструктурой связи, а также на участках местности со сложным рельефом;

– развертывать разветвленные цифровые сети в регионах, больших городах и индустриальных зонах, где прокладка новых кабелей слишком дорога или невозможна;

– восстанавливать связь в районах стихийных бедствий или при спасательных операциях и др.

Сеть может строиться как однопролетная линия, многопролетная линия и радиорелейная сеть.

Содержание отчета

1. График амплитудно-частотной характеристики линии связи.

2. Осциллограммы согласно п. 3.

3. Результаты по пп. 4–7.

Контрольные вопросы

1. Пояснить, что означает термин радиорелейная связь.

2. Области применения радиорелейных сетей.

3. Почему необходима прямая видимость при прокладке РРЛ?

4. Из каких основных блоков состоит РРЛ и каково их назначение?

5. Плезиохронная и синхронная цифровые иерархии.

Лабораторная работа 5

Теоретические сведения

Первые системы телефонной связи использовали отдельные линии передачи для организации каждого канала. Для передачи нескольких телефонных каналов по одной линии была предложена идея мультиплексирования. Под мультиплексированием (связисты используют термин «уплотнение») понимается объединение нескольких меньших по емкости входных каналов связи в один канал большей емкости для передачи по одному выходному каналу связи. При реализации такого объединения телефонных каналов одной из основных задач является устранение взаимного влияния соседних каналов. До последнего времени широко использовались два метода мультиплексирования [6]:

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

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

При частотном мультиплексировании полоса частот выходного канала делится на некоторое число полос (подканалов), соответствующих по ширине основной полосе стандартного телефонного канала.

Однако частотное мультиплексирование достаточно сложно в реализации и настройке (как и все аналоговые методы).