Тема 3

Технології фізичного рівня. Мультиплексування та комутація

3.1 Характеристика ліній зв’язку. Класифікація ліній зв’язку

 

Фізичною основою будь-якої телекомунікаційної технології є лінії зв’язку та комунікаційне (мережеве) обладнання. Лінія зв’язку – це узагальнене поняття, яке, залежно від застосування певної телекомунікаційної технології, можна конкретизувати таким чином:

·       ланка (Link) – це фізичний сегмент, який забезпечує передавання сигналів між суміжними вузлами мережі без використання проміжного комунікаційного обладнання мультиплексування й комутації;

·       канал (Channel) – це частина пропускної здатності ланки, яка незалежно використовується під час комутації. Канали в ланці можуть бути утворені за допомогою мультиплексора або апаратури ущільнення (наприклад, ланка з 30 каналів, кожен з яких має пропускну здатність 64 Кбіт/с);

·       комутований канал (Circuit) – це складений канал, який утворюється в сегменті з комутованою топологією з окремих проміжних ланок або каналів та комутаційного обладнання вузлів;

·       тракт передавання (Highway) – це всі пристрої та споруди, які беруть участь в утворенні шляху проходження інформації з кінця в кінець. Тракт, як правило, утворюють засоби кросової комутації декількох каналів у транзитних вузлах мережі.

 

3.2 Фізичні середовища телекомунікаційних систем. Спектральний аналіз сигналів на лініях зв’язку

 

Лінії зв’язку відрізняються фізичним середовищем, яке використовується для передавання інформації. В сучасних телекомунікаційних системах інформація передається за допомогою електричного струму або напруги, радіосигналів або світлових сигналів – всі ці фізичні процеси є коливаннями електромагнітного поля різної частоти.

Провідні (повітряні) лінії зв’язку являють собою проводи без будь-яких ізолюючих або екрануючих покриттів, що прокладені між стовпами і висять в повітрі. Ще в недалекому минулому такі лінії зв’язку були основними для передачі телефонних і телеграфних сигналів.

Кабельні лінії мають досить складну конструкцію. Кабель складається з провідників, вкладених в кілька шарів ізоляції: електричної, електромагнітної, механічної і, можливо, кліматичної. Крім того, кабель може бути оснащений роз’ємами, які дозволяють швидко виконувати з’єднання з різним обладнанням. У телекомунікаційних мережах застосовуються три основні типи кабелю: кабелі на основі скручених пар мідних проводів – неекранована вита пара (Unshielded Twisted Pair, UTP) і екранована вита пара (Shielded Twisted Pair, STP), коаксіальні кабелі з мідною жилою, волоконно-оптичні кабелі. Перші два типи кабелів називають також мідними кабелями.

Радіоканали наземного і супутникового зв’язку утворюються за допомогою передавача і приймача радіохвиль. Існує велика різноманіття типів радіоканалів, які відрізняються як частотним діапазоном, так і дальністю каналу. Діапазони широкотрансляційного радіо (довгих, середніх і коротких хвиль), відомі як діапазони амплітудної модуляції (Amplitude Modulation, AM), забезпечують далекий зв’язок, але при невисокій швидкості передачі даних. Більш швидкісними є канали, які використовують діапазони дуже високих частот (Very High Frequency, VHF), в яких застосовується частотна модуляція (Frequency Modulation, FM). Для передачі даних також використовуються діапазони ультрависоких частот (Ultra High Frequency, UHF), звані ще діапазонами мікрохвиль (понад 300 МГц). При такій частоті сигнали вже не відображаються іоносферою Землі і для стійкого зв’язку потрібна наявність прямої видимості між передавачем і приймачем. Тому зазначені частоти використовуються в супутникових або радіорелейних каналах або в таких локальних чи мобільних мережах, в яких ця умова виконується.

Лінії зв’язку складаються не лише з середовища передавання, але й апаратури. Апаратура, разом з середовищем передавання даних утворює фізичне мережеве середовище. Воно відображається моделлю, яка називається фізичною структурою мережі.

Під фізичною структурою мережі розуміють склад її активного і пасивного обладнання та топологію його розміщення в просторі. Активне мережеве обладнання охоплює весь парк кінцевого й комунікаційного устаткування мережі, функціонування якого забезпечується за рахунок споживання електроенергії від зовнішніх джерел живлення.

Пасивне обладнання мережі, на відміну від активного, не має потреби в джерелах електроживлення й містить у собі кабельну систему, телекомунікаційні роз’єми, комутаційні панелі, комутаційні шнури, монтажне обладнання тощо.

У загальному, апаратура (Equipment) – це активне обладнання, в якому функції можуть бути реалізовані як у вигляді апаратного забезпечення, так і у вигляді програмного забезпечення (рис. 14). Апаратура може мати модульну конструкцію, тобто складатися з певної кількості знімних плат.

 

 

Рисунок 14 – Схема моделі апаратурної реалізації: Н − апаратне забезпечення (Hard ware), S − програмне забезпечення (Soft ware)

 

Елементами моделі апаратурної реалізації є такі:

·       апаратне забезпечення (Hard ware)– обладнання, в якому одна або декілька функцій реалізовано фізично;

·       програмне забезпечення (Soft ware) – один або декілька програмних модулів, які представляють собою реалізацію одного або декількох об’єктів;

·       фізичний інтерфейс (Phisical interface) – фізичне середовище (проводи) для передачі сигналів між різної апаратурою.

Активне обладнання мереж зв’язку складається з пристроїв, які використовуються для організації кінцевих і вузлових пунктів, а також інтерфейсних пристроїв, які забезпечують спряження апаратури з лініями зв’язку.

Усі пристрої в мережі, які функціонують як відправники та приймачі даних на фізичному рівні моделі OSI, визначаються як кінцева апаратура даних, або DTE-пристрої (Data Terminal Equipment). Разом із функцією формування даних, у реалізації якої в основному бере участь програмне забезпечення, в DTE- пристроях здійснюється також функція керування потоком даних для узгодження роботи відправника та приймача. Ця функція, як правило, виконується апаратно. Відмінною особливістю обладнання класу DTE є те, що воно не належить до складу устаткування ліній зв’язку.

Для забезпечення обміну даними між пристроями DTE через канали зовнішніх телекомунікацій необхідно використовувати фізичні інтерфейсні пристрої, які здійснюють обробку даних з урахуванням вимог передачі каналом певного стандарту. Ці пристрої забезпечують не лише протокол фізичного рівня, а й фізичні засоби приєднання до середовища передачі, а тому вважаються устаткуванням лінії зв’язку.

Обладнання, що забезпечує сполучення пристроїв DTE з каналами зв’язку, визначається як апаратура передачі даних, або DСE-пристрої (Data Communication Equipment). Пристрої DCE працюють на фізичному рівні, відповідаючи за передачу й прийом сигналів потрібної форми та потужності в середовищі передачі, й не можуть розглядатися в якості джерел і приймачів даних.

Поділ обладнання на DCE і DTE є досить умовним. Наприклад, мережевий адаптер можна вважати як складовою комп’ютера (DTE), так і частиною каналу зв’язку (DCE).

Для під’єднання DTE-пристроїв до DCE-пристроїв існує кілька стандартних інтерфейсів. Працюють ці пристрої на коротких відстанях один від одного, як правило, кілька метрів.

Проміжна апаратура зазвичай використовується на лініях зв’язку великої протяжності. Вона вирішує два основні завдання:

·       поліпшення якості сигналу;

·       створення постійного комутованого каналу зв’язку між двома абонентами мережі.

У локальних мережах проміжна апаратура може зовсім не використовуватися, якщо протяжність фізичної середовища – кабелів або радіоефіру – дозволяє одному мережному адаптеру приймати сигнали безпосередньо від іншого мережевого адаптера без додаткового посилення. В іншому випадку застосовується проміжна апаратура, роль якої виконують пристрої типу повторювачів і концентраторів.

У глобальних мережах необхідно забезпечити якісну передачу сигналів на відстані в сотні і тисячі кілометрів. Тому, для побудови територіальної мережі використовують підсилювачі (підвищують потужність сигналів) і регенератори (поряд з підвищенням потужності відновлюють форму імпульсних сигналів, спотворених при передачі на велику відстань), які встановлюють через певні відстані на лінії зв’язку.

У первинних (транспортних) мережах, крім згаданого обладнання, що забезпечує якісну передачу сигналів, необхідна також проміжна комутаційна апаратура – мультиплексори, демультиплексори, комутатори і маршрутизатори. Ця апаратура створює між двома абонентами мережі постійний комутований (складовий) канал.

Залежно від типу проміжної апаратури всі лінії зв’язку поділяються на аналогові і цифрові. В аналогових лініях проміжна апаратура призначена для посилення аналогових сигналів, тобто сигналів, які мають безперервний спектр значень. Такі лінії зв’язку традиційно застосовувалися в телефонних мережах з метою зв’язку телефонних комутаторів між собою.

У цифрових лініях зв’язку сигнали мають кінцеве число станів. Як правило, елементарний сигнал, тобто сигнал, який передається за один такт роботи передаючої апаратури, має 2, 3 або 4 стани, які в лініях зв’язку відтворюються імпульсами або потенціалами прямокутної форми. За допомогою таких сигналів передаються як комп’ютерні дані, так і оцифровані голос і зображення (саме завдяки однаковому способу подання інформації сучасними комп’ютерними, телефонними і телевізійними мережами стало можливим поява загальних для всіх первинних мереж). У цифрових лініях зв’язку використовується спеціальна проміжна апаратура – регенератори, які покращують форму імпульсів і відновлюють період їх проходження.

Пасивне обладнання використовується для побудови телекомунікаційних кабельних систем мережі. Кабельна система – це складний технічний об’єкт, який будується відповідно до жорстких вимог загальноприйнятих стандартів. До нього належать лінійно-кабельні споруди, кабелі ліній зв’язку, регенераційне обладнання, тощо.

Обладнання кабельних систем для мереж підприємств є набором компонентів і аксесуарів структурованих кабельних систем (СКС) і складається з кабелів, роз’ємів телекомунікаційних та інформаційних розеток, монтажного обладнання, настінних коробів для прокладки кабелів горизонтальної розводку, закладних для прокладання кабелів вертикальної розводки.

Важливим параметром ліній зв’язку є спектральний аналіз сигналів, що передаються по цій лінії. З теорії гармонійного аналізу відомо, що будь-який періодичний процес можна представити у вигляді суми синусоїдальних коливань різних частот і різних амплітуд (рис. 15).

 

 

Рисунок 15 – Формування періодичного сигналу сумою синусоїд

 

Кожна складова синусоїда називається також гармонікою, а набір всіх гармонік називають спектральним розкладанням, або спектром, вихідного сигналу. Під шириною спектра сигналу розуміється різниця між максимальною і мінімальною частотами того набору синусоїд, які в сумі дають вихідний сигнал. Неперіодичні сигнали можна представити у вигляді інтеграла синусоїдальних сигналів з безперервним спектром частот. Зокрема, спектральне розкладання ідеального імпульсу (одиничної потужності і нульової тривалості) має складові всього спектра частот, від -∞ до +∞ (рис. 16).

 

 

Рисунок 16 – Спектр ідеального імпульсу

 

Техніка знаходження спектра будь-якого вихідного сигналу добре відома. Для деяких сигналів, які описуються аналітично (наприклад, для послідовності прямокутних імпульсів однакової тривалості і амплітуди), спектр легко обчислюється на підставі формул Фур’є. Для сигналів довільної форми, що зустрічаються на практиці, спектр можна знайти за допомогою спеціальних приладів – спектральних аналізаторів, які вимірюють спектр реального сигналу і відображають амплітуди складових гармонік.

Існує дуже важливе поняття – практична ширина спектру сигналу. Зрозуміло, що якщо смуга пропускання якого-небудь пристрою недостатньо широка, щоб пропустити усі гармоніки, які суттєво впливають на форму сигналу, то сигнал на виході цього пристрою спотвориться. Таким чином, можна сказати, що ширина смуги пропускання пристрою не повинна бути вужче ширини спектра сигналу.

Існує декілька критеріїв для визначення практичної ширини спектру сигналу. Наприклад, можна відкидати всі гармоніки з амплітудами меншими 1% максимальної амплітуди в спектрі, тоді частоти гармонік, що залишилися і визначать ширину спектру сигналу. Можна відкидати ті гармоніки, сумарна енергія яких менше 10% загальної енергії сигналу. В цьому випадку ширину спектра також визначатимуть гармоніки, що залишаться в сигналі.

Однак, незалежно від критерію, за яким визначають ширину спектру сигналу, можна виділити такі загальні для всіх сигналів закономірності: чим крутіше фронт сигналу, чим коротші імпульси і чим більші паузи між імпульсами, тим ширший у всіх цих випадках спектр сигналу.

Сигнали, що передаються в телекомунікаційних мережах, спотворюються через недосконалість ліній зв’язку (рис. 17). Спотворення лінією зв’язку синусоїди будь-якої частоти призводить до спотворення амплітуди і форми сигналу. Спотворення форми проявляються в тому випадку, коли синусоїди різних частот спотворюються неоднаково. Якщо це аналоговий сигнал, що передає мову, то змінюється тембр голосу за рахунок спотворення обертонів – бічних частот. При передачі імпульсних сигналів, характерних для комп’ютерних мереж, спотворюються низькочастотні і високочастотні гармоніки, в результаті фронти імпульсів втрачають свою прямокутну форму і сигнали можуть погано розпізнаватися на приймальному кінці лінії.

 

 

Рисунок 17 – Вплив шуму на цифровий сигнал

 

Крім спотворень сигналів, що виникають через недосконалість фізичних параметрів лінії зв’язку, існують і зовнішні завади, які вносять свій внесок в спотворення форми сигналів на виході лінії. Ці завади створюються різними електричними двигунами, електронними пристроями, атмосферними явищами і т. д. Не дивлячись на захисні заходи, що вживаються розробниками кабелів, і наявність підсилювальної та комутуючої апаратури, повністю компенсувати вплив зовнішніх перешкод не вдається.

Ступінь спотворення синусоїдальних сигналів лініями зв’язку оцінюється такими характеристиками, як затухання і смуга пропускання. Затухання показує, наскільки зменшується потужність еталонного синусоїдального сигналу на виході лінії зв’язку по відношенню до потужності сигналу на вході цієї лінії. Затухання (А) зазвичай вимірюється в децибелах (дБ) і обчислюється за формулою:

A = 10 log P_вих/P_вх

де P_вих – потужність сигналу на виході лінії,

     P_вх – потужність сигналу на вході лінії.

Так як затухання залежить від довжини лінії зв’язку, то в якості характеристики лінії зв’язку використовується погонне затухання, тобто затухання на лінії зв’язку певної довжини. Для кабелів локальних мереж в якості такої довжини, зазвичай використовується 100 м, для територіальних ліній зв’язку погонне затухання вимірюють для відстані в 1 км.

Ступінь затухання потужності синусоїдального сигналу залежить від частоти синусоїди, і ця залежність також характеризує лінію зв’язку (рис. 18).

 

 

Рисунок 18 – Залежність затухання від частоти

 

Вита пара дротів категорії 5 характеризується затуханням сигналу не вище 23,6 дБ для частоти 100 МГц при довжині кабелю 100 м. Оптичний кабель має істотно менші величини затухання, зазвичай в діапазоні від 0,2 до 3 дБ при довжині кабелю в 1000 м. Практично для всіх оптичних волокон типовою є складна залежність затухання від довжини хвилі, яка має три так званих вікна прозорості (рис. 19). З рисунку видно, що область ефективного використання сучасних волокон обмежена хвилями довжиною 850 нм, 1300 нм і 1550 нм (відповідно частотами 35 ТГц, 23 ТГц і 19,4 ТГц). Вікно 1550 нм забезпечує найменші втрати, а значить, максимальну дальність при фіксованій потужності передавача і фіксованій чутливості приймача.

 

 

Рисунок 19 – Вікна прозорості оптичного волокна

 

3.3 Модуляція сигналів

 

Історично модуляція почала застосовуватися для аналогової інформації і тільки пізніше для дискретної. Необхідність в аналоговій модуляції (аналогова модуляція аналогових сигналів) виникає, коли потрібно передати низькочастотний аналоговий сигнал через аналоговий канал, що знаходиться в високочастотній області спектра.

Перш за все, така потреба виникає при використанні радіоканалів. Якщо передавати звукову інформацію в голосовому діапазоні (300 Гц – 20 кГц), то потрібна буде антена в декілька кілометрів. Очевидно, що безпосередньо голос через таке середовище передати не можна.

Для вирішення даної проблеми здійснюють накладання низькочастотного інформаційного сигналу на високочастотний несучий сигнал (рис. 20). Цей процес називається модуляцією – зміна одного із параметрів (амплітуди чи частоти) високочастотного несучого сигналу по закону зміни низькочастотного сигналу.

На рис. 3.7 приведена амплітудна модуляція (Amplitude Modulation, AM) голосового сигналу. В якості інформаційного параметру використовують також частоту синусоїдального сигналу – частотна модуляція (Frequency Modulation, FM) (рис. 21).

 

 

Рисунок 20 – Амплітудна модуляція звукового сигналу

 

В результаті модуляції сигнали переносяться в область більш високих частот.

Використання модуляції дозволяє:

·   узгоджувати параметри сигналу з параметрами лінії;

·   підвищити стійкість сигналів;

·   збільшити дальність передачі сигналів;

·   організовувати багатоканальні системи передачі.

Основні переваги амплітудної модуляції (рис. 21):

·       вузька ширина спектра АМ сигналу;

·       простота отримання модульованих сигналів.

 

Рисунок 21 – Амплітудна та частотна модуляція аналогового сигналу

 

Недоліки амплітудної модуляції:

·       низька стійкість (при впливі перешкоди на сигнал спотворюється його форма – огинаюча, яка і містить передані дані);

·       неефективне використання потужності передавача (найбільша частина енергії модульованого сигналу міститься в складовій несучого сигналу до 64%, а на інформаційні бічні смуги доводиться по 18%).

Амплітудна модуляція знайшла широке застосування:

·          в системах телевізійного мовлення (для передачі телевізійних сигналів);

·          в системах звукового радіомовлення і радіозв’язку на довгих і середніх хвилях (АМ-діапазон);

Переваги частотної модуляції є:

·   висока завадостійкість;

·   більш ефективне використання потужності передавача;

·   відносно просте отримання модульованих сигналів.

Основним недоліком даної модуляції є велика ширина спектру модульованого сигналу.

Частотна модуляція використовується:

·   в системах супутникового теле- і радіомовлення;

·   в системах високоякісного стереофонічного мовлення (FM діапазон);

·   в радіорелейних лініях (РРЛ);

При модуляції спектр результуючого сигналу потрапляє в потрібний високочастотний діапазон, що дозволяє використовувати методи мультиплексування або ущільнення.