Особенности построения цифровых систем передачи

                                            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;