Лекция 1 Введение в новейшие телекоммуникационные технологии Вопросы

Лекция 1. Введение в новейшие телекоммуникационные технологии Вопросы: 1. Предыстория 2. Введение в новейшие технологии 3. Модуляция и кодирование при передаче данных

Предысториявоспринимать В оптической области люди могут волны с длиной волны от 400 до 700 нм, - потоки данных масштаба ~60 Тбит/c. Проблема в том, что человек способен воспринимать <<10 Мбит/с, обрабатывая данные лишь частично (речь идет о восприятии движущегося изображения). В акустическом диапазоне наши уши чувствительны для частот от 20 Гц до 20 КГц. Наш акустический канал принципиально асимметричен. Передачу данных мы осуществляем голосом (полоса 600 Гц – 6 КГц), а восприятие - слухом, который имеет более чем в два раза большую полосу пропускания.

- Акустическое общение (да и вообще любая передача сигналов) предполагает соглашение между источником и приемником относительно значения сигналов и их комбинаций. Письменность дала возможность передавать информацию от умерших к живым, позволила накапливать технологические знания, открыла путь развитию науки.

Нашу нервную систему вполне можно рассматривать как локальную сеть, внешние же коммуникации человека могут служить аналогом Интернета. По внутренним нервным магистралям распространяются сигналы от различных рецепторов, сообщая данные о состоянии окружающей среды и самого организма; аналогично, но в противоположном направлении передаются управляющие сигналы.

голосовой канал возможности передачи данных, сопряженные с движениями пальцев рук или языка, весьма ограничены и не превышают (100 -150) бит/с визуальный канал инерциальность датчиков в глазу, характеризуется постоянной времени ~0, 04 с читать до 1000 слов в минуту скорость обработки текстовых данных - <150 байт/с. предельную скорость передачи данных в каналах цифрового ТВ не больше 200 Кбайт/с

Оптическая пара приемопередатчиков могла бы дать нам несравненно более мощный канал общения. Неясно только, смог бы наш мозг сформировать и обработать такой поток данных. Мы хорошо и быстро решаем задачи распознавания видео- и аудиообразов, но испытываем затруднения при перемножении двух 10 -значных чисел Техника телекоммуникаций с временем RTT (Round Trip Time), равным 2 -6 месяцам, просуществовала без существенных изменений более 1500 лет.

Телекоммуникационный канал содержал два провода

К 1950 годам большинство стран использовало три типа общедоступных сетей: • Телеграфная сеть, которая просуществовала до конца XX века. • Телефонная сеть (аналоговая), имеющая полосу 4 КГц и почти не менявшаяся по принципам работы с 1880 -х годов. Импульсная сигнальная система практически сохранилась без изменений с 1910 года. • Телексная сеть, которая применялась в основном для делового обмена.

2. Введение в новейшие технологии Зависимость пропускной способности канала, обладающего определенной полосой пропускания, от отношения сигнала к шуму исследовал американский инженер и математик Клод Шеннон (1916 г. р. ). предельная пропускная способность канала заданная полоса пропускания отношение "сигнал/ шум " в канале

Для стандартного телефонного канала теоретический предел для публичной коммутируемой телефонной сети равен примерно 30 Кбит/с. Ослабление для телефонных скрученных пар составляет около 15 д. Б/км, дополнительные ограничения - перекрестных наводок в многожильном кабеле. Стандартные проводные линии связи имеют ослабление 6 д. Б/км на частоте 800 Гц, или 10 д. Б/км на частоте 1600 Гц. оборудование проектировалось исходя из возможностей человеческого уха и голосового аппарата. традиционные системы телефонии - полоса пропускания 3 -3, 5 КГц

согласно теореме Найквиста [1924] где - полоса пропускания канала в Гц, - число дискретных уровней сигнала на выходе цифрового преобразователя. Суть теоремы Найквиста-Котельникова заключается в том, что при полосе сигнала частота стробирования должна быть больше , чтобы принимающая сторона могла корректно восстановить форму исходного сигнала.

РЕЗУЛЬТАТЫ В 1876 году Э. Грей и А. Г. Белл одновременно сделали заявку на изобретение телефонного аппарата. Белл откупил у Грея права на это изобретение, усовершенствовал предложенное решение и совместно с Блейком и Эдисоном организовал первые телефонные сети. Вскоре после Второй мировой войны стала широко внедряться импульснокодовая модуляция, пакетная схема передачи данных, а позднее и цифровая телефония (ISDN). В 1902 году Артур Корн (Германия) запатентовал систему фотоэлектрического сканирования изображения, а в 1910 году заработала первая международная факсимильная связь Берлин-Париж-Лондон. В 1968 году международная комиссия CCITT разработала рекомендации по факсимильному оборудованию, которое было способно передавать страницу за 6 минут при разрешении 3, 85 линий на мм. . В 1984 году разработаны требования к факс-аппаратам группы 4. Система базируется на двухмерной системе кодирования изображения (MMR - Modified Reed). Широкое внедрение электронной почты, похоже, окончательно приговорило факс-технологию.

• В 1864 году Дж. Максвелл теоретически доказал, что вокруг проводника с переменным током должно возникать переменное электромагнитное поле, распространяющееся со скоростью света. В 1886 -1889 годах Г. Герц экспериментально показал существование электромагнитных волн. А. С. Попов развил идеи Герца и в 1895 году продемонстрировал свой грозоотметчик. Первые радиопередатчики были построены и запатентованы Маркони и Слаби. • Это изобретение стало основой радиолокации, мобильной связи, телевидения, радиорелейных и спутниковых (первый геостационарный коммуникационный спутник заработал в 1965 году) коммуникаций. Впечатляющие успехи здесь достигнуты в связи с применением цифровых методов, например, методики мультиплексирования CDMA (math Division Multiple Access).

Телевидение Электронное телевидение возникло в 30 -х годах прошлого века (усилиями В. К. Зворыкина и Ф. Франсуорта). Число элементов N в одном кадре, на которое разлагается изображение в действующем в РФ стандарте (625 строк и 25 кадр. /с), это определяет необходимую полосу для каждого из телевизионных каналов, число которых может достигать уже сегодня 20 -60, что требует полосу при традиционной схеме более 130 -390 МГц.

телетекст В 1970 году в British Telecom были разработаны основные принципы еще одного вида передачи графической информации - телетекста. Первые опыты по его внедрению относятся к 1979 году. Стандарт на мозаичное представление символов был принят CEPT в 1983 году. Каждому символу ставится в соответствие код длиной в 7 -8 бит. На экране такой символ отображается с помощью специального знакового генератора, использующего таблицу Полному экрану видеотекста, содержащему 24 строки по 40 символов, соответствует 960 байт, для передачи которых по коммутируемой телефонной сети требуется 6, 4 секунды. D-канал ISDN может пропустить эту информацию за 1 секунду, а B-канал быстрее - за 0, 1 с.

3. Модуляция и кодирование при передаче данных первыми появились аналоговые способы модуляции: амплитудная, частотная, фазовая и различные их комбинации. Это было связано с технологической простотой их реализации. Цифровые методы стали использоваться лишь около 50 лет назад

преобразование частот - перемножение сигналов Это означает, что в результате перемножения вместо двух частот и мы имеем две новые частоты и с амплитудой. Если входной сигнал имеет полосу , то после перемножения с сигналом, имеющим частоту (несущая частота), получим сигнал с полосой в интервале от до. Получение исходного сигнала из преобразованного достигается путем обратного преобразования.

амплитудной модуляции, при временной вариации будет изменяться и амплитуда выходного сигнала ( амплитуда несущей частоты при этом остается постоянной; при этом частота может также варьироваться). Форма сигнала на выходе такого преобразователя имеет вид. Для получения формы исходного сигнала на принимающей стороне используется схема детектора, 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 , где 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 д. Б, то при цифровой передаче достаточно 10 -12 д. Б. 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 изза изменений в транспортной среде, что довольно типично для коммутируемых телефонных сетей. 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.

Таблица 1. несколько видов модуляции FSK (Frequency Shift Keying) - ступенчатое переключение частоты синусоидального сигнала от к при неизменной амплитуде; частоте ставится в соответствие логический нуль, а - логическая единица (Binary Phase-Shift Keying) - скачкообразное переключение фазы синусоидального сигнала на при неизменной амплитуде; при этом фазе 0 ставится в соответствие логический нуль, а - логическая BPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) - квадратурная фазовая модуляция. Использует 4 фиксированных значения фазы 0, при неизменной амплитуде; при этом фазе 0 ставится в соответствие логический нуль, а (Binary Phase-Shift Keying) - скачкообразное переключение фазы синусоидального сигнала на ставится в соответствие логический нуль, а при неизменной амплитуде; частоте к (Frequency Shift Keying) - ступенчатое переключение частоты синусоидального сигнала от и , единица DPSK QAM QPSK TCM (Differential Phase Shift Keying) - метод, при котором изменяется фаза несущей частоты при постоянной амплитуде и частоте. Разновидность PSK, при которой кодируется лишь изменение сигнала (Quadrature Amplitude Modulation) - комбинация амплитудной и фазовой модуляции, позволяет осуществить кодирование 8 бит на бод (Quadrature Phase-Shift Keying) - квадратурная фазовая модуляция. Использует 4 фиксированных значения фазы 0, , и , требует в два раза более узкую полосу, чем PSK, и по этой причине весьма популярна (Trellis mathd 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 д. Б

QAM-модуляция с 3 битами на бод (слева) и 4 битами на бод (справа) В QAM -модуляции используется 8/16 комбинаций "амплитуда-фаза". Понятно, что такой тип модуляции более уязвим для шумов

Если имеется субъектов, которые хотят осуществлять обмен информацией в одном и том же частотном диапазоне, они должны осуществлять обмен по очереди (метод мультиплексирования по времени - TDM) или передаваемые ими сигналы должны отличаться каким-то еще параметром помимо частоты (например, амплитудой или направлением излучения). Если это условие не выполнено, весьма вероятно искажение данных при доставке. Передаваемый сигнал характеризуется большим числом параметров - частотой, фазой, амплитудой, параметрами, определяющими его пространственное распространение, уровнем шума и т. д. В случае использования широкополосного сигнала, который представляет собой суперпозицию определенного числа синусоидальных составляющих, число параметров пропорционально возрастает. Чем больше таких параметров анализируется принимающей стороной одновременно, тем большее отношение "сигнал- шум " может быть достигнуто. Будущее за системами, анализирующими всю совокупность параметров входного сигнала.

Цифровая связь берет свое начало в 1970 -х годах. В процессе разработки ISDN-системы решались следующие проблемы. • Требовалось создать систему, способную предоставить клиенту канал с пропускной способностью 64 Кбит/с (8 бит*8 КГц). При этом предполагалось использовать существующую проводную сеть с полосой пропускания 4 КГц. • Интерфейс клиента должен был предоставлять определенный спектр услуг. – В частности, такой интерфейс должен позволять подключение нескольких независимых телефонных аппаратов, факсов или ЭВМ, использующих общую телефонную линию. – Решение не должно было ограничивать клиенту возможность использования нескольких каналов, например двух 64 Кбит/с (В-каналы) и одного сигнального с полосой 16 Кбит/с (D-канал ISDN).

В 1984 году CCITT опубликовало рекомендации для стандартов интерфейсов и услуг ISDN (Integrated System Digital Network). Впервые услуги ISDN стали доступны благодаря усилиям British Telecom в июне 1985 года. В 1986 году принят стандарт Х. 21. К 1988 году такие услуги стали доступны в 60 городах Великобритании. С 1985 года Международный телекоммуникационный союз (ITU) начал обсуждать возможность создания широкополосной версии ISDN. Сначала речь шла о полосе 45 -53 Мбит/c (вместо 1, 544 Мбит/с). Такой стандарт был создан в июне 1989 года. Базовыми частотами передачи, были признаны 155 Мбит/с (STM-1), 622 Мбит/с (STM-4) 2, 4 Гбит/c (STS-48 C).

Схема импульсно-кодовой модуляции Впервые импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) была применена для голосового сигнала в 1937 году Алеком Ривсом. Это было сделано для преодоления проблемы накопления искажений и шумов в процессе ретрансляции аналоговых сигналов. Тогда впервые было использовано стробирование с частотой 8 к. Гц при 8 -битовом аналого-цифровом преобразовании (АЦП).

Цифровой метод передачи имеет целый ряд преимуществ перед аналоговым. • Высокая надежность. Если шум ниже входного порога, его влияние не ощущается, кроме того, всегда возможна повторная посылка кода. Здесь можно избежать ухудшения отношения "сигнал-шум" в ретрансляторах. • Отсутствие зависимости от источника информации (звук, изображение или цифровые данные). • Возможность шифрования, что повышает безопасность передачи. • Независимость от времени. Можно передавать не тогда, когда информация возникла, а когда готов канал.

Передача цифровых кодов по передающей линии При наличии синхронизации приемника и передатчика можно допустить более длинные последовательности нулей или единиц, что способствует повышению пропускной способности

Типичный кадр данных в асинхронном канале

биполярного кодирования (схема RZ – Return-to-Zero)

использование манчестерского кода (схема NRZ - Non-Return-to-Zero)

схема цифрового фазирования DPLL (Digital Phase Locked Loop) предполагает применение кодирования NRZI (Non-Return. Zero-Inverted). Здесь сигнал сначала кодируется с использованием кода NRZ и только затем последовательность преобразуется в NRZI. В процессе такого преобразования логический нуль из NRZ вызывает определенную модификацию исходного кода, в то время как логическая единица не приводит ни к каким вариациям. Здесь создаются условия, при которых количество переходов 0/1 и 1/0 в единицу времени достаточно велико, чтобы обеспечить надежную синхронизацию.

Схема NRZI -кодирования с использованием DPLL

Симметричная скрученная пара проводов с волновым сопротивлением 120 Ом обеспечивает пропускную способность 2048 Мбит/с Номинальное значение перепада обычно составляет 750 м. В. Наиболее простая схема передача данных путем представления <0> и <1> с помощью двух уровней напряжения не применяется из-за того, что линия обычно используется для подачи питания на оконечное (терминальное) оборудование. Проблема может быть решена, если <0> характеризуется 0 вольт (приращение над постоянным уровнем), а <1> попеременно сигналами положительной и отрицательной полярности (AMI - Alternate Mark Inversion). Такая схема создает проблему синхронизации, когда подряд следует большое число нулей. Необходимо, чтобы было достаточное число переходов 0 ->1 и 1 ->0 в единицу времени. Существует также схема ADI (Alternate Digit Inversion), где инверсия полярности производится для каждого из передаваемых разрядов. Но эта схема менее эффективна.

По этой причине система кодирования AMI была модифицирована в h. DB 3 (high Density Bipolar 3). Цифра 3 указывает на максимально возможное число последовательных нулей в кодовой последовательности. AMI требует, чтобы <1> передавались попеременно сигналами противоположной полярности, так, последовательность 11011 должна быть передана как +-0+-. h. DB 3 заменяет любую группу из 4 нулей последовательностью из 3 нулей, за которой следует нарушение последовательности отображения единиц. Таким образом, последовательность 11000001 будет отображена как +-000 -0+ (возможен инверсный вариант, когда символы "+" заменяются на "-" и наоборот). Дальнейшего улучшения балансировки сигнала можно достичь, если заменить код, содержащий 4 нуля подряд, последовательностью B 00 V (B - обычный биполярный сигнал, V - нарушение последовательности). В США используют схему кодировки B 8 ZS (Bipolar with 8 Zeros Substitution), где 8 нулей кодируются как 00 B 0 V. В 1986 году ANSI принял решение о введение схемы кодирования 2 B 1 Q (2 Binary into 1 Quaternary). При этой схеме каждая пара бит преобразуется в четверичные элементы +3+1 -1 -3. Код синхронизации (SW - Synchronization Word) при этом содержит 9 четверичных элементов, повторяющихся каждые 1, 5 мс: +3 +3 -3 -3 -3 +3 +3 (+3 соответствует +2, 5 В)

В Германии используется схема кодировки 4 B 3 T (4 двоичных разряда кодируются в 3 циклических кода). Двоичная информация передается блоками, обычно называемыми кадрами (или пакетами). В рамках системы 2 B 1 Q для передачи 144 Кбит/с требуется частота модуляции не менее 72 Кбод. На практике для передачи кадров и выполнения функций управления необходимо создать дополнительные виртуальные каналы. Это доводит требуемую частоту модуляции до 80 Кбод. Кадр содержит 120 пар бит (quats), что соответствует 240 бит, 8 кадров образуют мультикадр. Первый пакет мультикадра выделяется путем посылки Inverted Synchronization Word (ISW). В конце каждого кадра всегда присутствуют специальные биты, которые служат для целей управления (бит активации, бит холодного старта, биты состояния питания, биты управления синхронизацией и т. д. ).

Таблица 1. 2. Название Расшифровка Описание метода 1 B 2 B Один бит исходной последовательности комбинацией из 2 бит половинной длительности кодируется B 3 ZS/B 6 Z Bipolar with Биполярный код с заменой 000/00000000 на S/B 8 ZS 3/6/8 Zero последовательности 00 V/0 VB 0 VB/000 VB (или B 0 V для Substitution B 3 ZS) HDB 2 (/3) High Density Биполярный код высокой плотности второго (третьего) порядка. Bipolar code of Эквивалентен коду с возвратом к нулю (RZ) и с инверсией для order 2 (/3) логических 1. Последовательность 000 (соответственно 0000) заменяется на 00 V или B 0 V (соответственно 000 V или B 00 V). Число B сигналов между V-сигналами всегда нечетно. В результате возникает трехуровневый код CMI Coded Mark Двухуровневый двоичный код (класса 1 B 2 B) без возвращения к Inversion нулю. Используется инверсия полярности для каждой логической 1 (единице ставится в соответствие 11 или 00), а для каждого логического нуля вводится смена полярности в