Интернет сети и услуги

Размещено на http://www.allbest.ru/

Темы практических работ дисциплины «Интернет сети и услуги»

1. Система передачи информации.

2. Физическая среда передачи информации

3. Цифровое кодирование

4. Образование и структура потока Е1

5. Технологии передачи данных на физическом уровне

6. Архитектура сети INTERNET и знакомство с оборудованием.

7. Способы подключения к сети INTERNET.

8. Настройка модема АDSL при подключении к сети INTERNET.

9. Построение сети на основе топологии FTTH

10. Организация связи между сетью NGN и IP сетью филиалов ТАТУ

11. Общая структура сети INTERNET. Стек протоколов ТСР/IР.

12. Адресация в IР-сетях.

13. Изучение структуры IР-дейтаграммы.

14. Технологии IР-телефонии.

15. Принципы пакетной передачи речи.

16. Протокол SIP.

17. Процесс проведения регистрации SIP терминала.

18. Учет новых пользователей SIP сервера.



Практическая работа № 1

Система передачи информации

Цель работы

Целью занятия является изучение основ построения системы передачи информации, ее составных частей, типов линий и каналов связи, используемых в этой системе. Также рассматриваются способы передачи информации по системе передачи, основы построения соединительных трактов при различных видах связи.

Задание

Изучив теоретические сведения рекомендуемой литературы и данного пособия, построить схемы соединительных трактов согласно своему варианту. На схемах соединительных трактов отметить составные части системы передачи информации. Указать типы линий и используемые типы каналов связи для заданного варианта. Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1

№	Вид соединения
1.	Стационарный абонент - мобильный абонент оператора UCELL
2.	Мобильный абонент оператора BEELINE - мобильный абонент оператора BEELINE
3.	Мобильный абонент оператора UZMOBILE - мобильный абонент оператора PERFECTUM MOBILE
4.	Стационарный абонент использует технологию доступа в Интернет ADSL
5.	Стационарный абонент использует технологию доступа в Интернет DIAL - UP
6.	Стационарный абонент одного телефонного района - стационарный абонент этого же телефонного района
7.	Стационарный абонент одного телефонного района - стационарный абонент другого телефонного района
8.	Мобильный абонент оператора UCELL - стационарный абонент
9.	Мобильный абонент оператора BEELINE - мобильный абонент оператора UCELL
10.	Мобильный абонент оператора UCELL - стационарный абонент
11.	Стационарный абонент использует технологию доступа в Интернет DIAL - UP
12.	Стационарный абонент использует технологию доступа в Интернет ADSL

Список рекомендуемой литературы

1.Крук Б.И. и др. Телекоммуникационные системы и сети. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004

2.Галкин В.А. и др. Телекоммуникации и сети. Учебник для бакалавров направлении «Информационных технологий»: М,МВГТУ им.Баумана Н.Э. 2003.

3. B.B Ломовицкий, А.И.Михайлов, К.В.Шестак, В.М.Щекотихин; Основы построения систем и сетей передачи информации. под ред В.М.Щекотихина - М.: Горячая линия - Телеком, Москва, 2005.

4. Крухмалев В. В., Гордиенко В. Н., Моченов А.Д. и др.; Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: Учебник для вузов. Под ред. Гордиенко В. Н., и Крухмалева В. В. - 2-е изд., испр. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008.

Контрольные вопросы

1. Перечислите виды информации, передаваемые по телекоммуникационной сети при помощи системы передачи информации

2. Поясните, каким способом осуществляется передача информации от источника сообщения к получателю.

3. Перечислите способы передачи информации по системе передачи информации.

4. Какую функцию выполняют составные части системы передачи информации

5. Какие виды сигналов используются в системе передачи информации?

6. Какие типы линий и анналов связи используются в системе передачи информации?

7. Объясните стационарный принцип передачи речи.

8. Какие виды оборудования составляют сеть сотовой связи?

9. Какие виды оборудования составляют стационарную телефонную сеть?

10. Приведите разновидности соединительных трактов при стационарной передачи речи.

11. Перечислите технологии доступа в Интернет.

12. Поясните отличие технологий доступа в Интернет.

Теоретические сведения

Понятие о системе передачи информации

Для передачи информации используют некоторый материальный носитель - сигнал. Любой сигнал неразрывно связан с определенной материальной системой, называемой системой связи или системой передачи информации (рис. 1).

Будем считать, что с источником информации связано определенное множество сообщений. Генерация некоторого сообщения заключается в случайном выборе одного сообщения из множества возможных.

Рис. 1. Система передачи информации



Какое это конкретно будет сообщение, заранее неизвестно, по крайней мере тому, для кого оно предназначается. Известно лишь, что сообщение принадлежит определенному множеству.

Множества возможных сообщений бывают различных типов:

- конечные множества символов;

- конечные наборы детерминированных функций времени;

- бесконечные множества значений некоторой непрерьгоной физической величины.

Сообщение, принадлежащее конечному множеству возможных значений, называется дискретным, а сообщение, выбираемое из бесконечного множества - непрерывным.

Передатчик преобразует сообщение в передаваемый сигнал. В передатчике каждое из возможных сообщений на входе преобразуется в одно из возможных значений сигнала на выходе по строго определенному правилу. Правила, по которым осуществляется преобразование сообщения в сигнал, разные в зависимости от типов сообщений и сигналов (модуляция, кодирование, манипуляция).

Линия связи - собственно физическая среда, по которой передаются сигналы. Одна и та же линия связи может служить одновременно для реализации одного или нескольких каналов связи (многоканальная связь).

Канал (канал связи) - средства односторонней передачи данных. Примером канала может служить полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. Существуют два метода разделения линии передачи данных:

Принимаемый сигнал на выходе канала связи отличается от входного передаваемого сигнала из-за наложения помехи на полезный сигнал. Приемник осуществляет восстановление переданного источником информации сообщения по принятому сигналу. Данная операция возможна, если известно правило преобразования сообщения в сигнал. На основании этого правила вырабатывается правило обратного преобразования сигнала в сообщение (демодуляция, декодирование). Это правило позволяет в конечном счете выбрать приемной стороне сообщение из известного множества возможных сообщений, в идеальном случае полностью совпадающее с переданным сообщением. Однако это бывает не всегда, вследствие искажения принятого сигнала возможна ошибка при восстановлении сообщения.

Получатель в системах передачи информации - это либо непосредственно человек, либо технические средства, связанные с человеком.

Типы линий связи

Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, т.е. набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны. В зависимости от среды передачи данных различают следующие линии связи:

* проводные (воздушные);

* кабельные (медные и волоконно-оптические);

* радиоканалы наземной и спутниковой связи;

* инфракрасные лучи.

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передают телефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии используют и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными.

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро вьшолнять присоединение к нему различного оборудования. В системах телекоммуникации и компьютерных сетях применяют три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой (twisted pair). Витая пара изготовляется в двух вариантах: в экранированном (STP - Shiel-ded Twisted Pair) - когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном (UTP - Unshielded Twisted Pair) - когда изоляционная обертка каждой пары отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельного телевидения и т.п. Волоконно-оптический кабель (optical fiber) состоит из тонких (5...60 микрон) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля, он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует много типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью связи.

В компьютерных сетях в настоящее время применяют практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические. На них сегодня строят как магистрали крупных территориальных сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей. Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным соотношением качества к стоимости и простотой монтажа. С помощью витой пары обычно подключают конечных абонентов сетей на расстояниях до 100м от концентратора. Спутниковые каналы и радиосвязь используют чаще всего в случаях, когда кабельные связи применить нельзя - например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользователем сети.

Типы каналов связи

В зависимости от того, какие сигналы передаются по каналу связи, различают аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные) каналы.

В аналоговых каналах передатчик выполняет роль устройства согласования источника сообщений с непрерывным каналом, т.е. осуществляет преобразование непрерывного или дискретного сообщения в непрерывный по структурному параметру сигнал с такими характеристиками, которые обеспечивают его прохождение по данному каналу связи.

В цифровых каналах на выходе передатчика и входе приемника действует дискретный по структурному параметру сигнал. Обычно дискретным каналом называют комплекс технических средств, обеспечивающих передачу дискретного сигнала. Во многих системах передачи данных дискретный канал включает непрерывный канал связи. Однако при анализе дискретного канала свойства непрерывного канала учитывают косвенно через свойства источника ошибок.

Основными характеристиками непрерывных каналов связи являются: амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания, затухание, помехоустойчивость, шумы, пропускная способность, достоверность передачи данных, удельная стоимость.

Разработчика сети в первую очередь интересуют пропускная способность и достоверность передачи данных, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети.

Пропускная способность и достоверность передачи данных - это характеристики как канала связи, так и способа передачи данных. Поэтому если способ передачи (протокол) уже определен, то известны и эти характеристики. Например, пропускная способность цифрового канала всегда известна, так как на нем определен протокол физического уровня, который задает битовую скорость передачи данных - 64 кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо частоты приводит в конечном счете к искажению передаваемого сигнала любой формы, особенно если синусоиды различных частот искажаются неодинаково. Если это аналоговый сигнал, передающий речь, то изменяется тембр голоса за счет искажения обертонов - боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму. Сигнал, передаваемый по любой среде передачи, подвергается воздействию затухания, ограниченности полосы пропускания, задержки передачи и шумов.

Примеры использования системы передачи

В телекоммуникации для передачи речи используют телефонию, для передачи изображения - сеть телевизионного вещания, для передачи звука- сеть радиовещания, для передачи текста - телеграфные сети, для передачи данных- компьютерные сети. Также примером передачи информации является сеть передачи данных - Интернет, по которой передаются практически все виды информации.

Рассмотрим пример передачи речи. Речь может передаваться по кабельным линиям связи с использованием АТС (стационарный способ) и по радиоканалам с использованием антенного оборудования (мобильный способ). Во всех этих примерах мы имеем дело с системой передачи информации, в данном случае речевой информацией.

Пример 1.

Стационарные телефонные сети

Процесс преобразования речевых сигналов в электрические, передача их на расстояние и преобразование электрических сигналов в речевые называется телефонной передачей речи.

Речь человека представляет собой совокупность звуковых колебаний. При разговоре звуковые колебания, возбуждаемые источником звука - ИЗ (ртом абонента), через акустическую среду АС1 воздействует на акустико-электрический преобразователь АЭП (микрофон) телефонного аппарата ТА, который преобразует их в электрические колебания. Энергия этих колебаний через ТА и соединительный тракт передается в электроакустический преобразователь ЭАП (телефон). В ЭАП электрическая энергия преобразуется в звуковую и через АС2 воспринимается приемником звука ПЗ - ухом абонента.

Рис.2. Система передачи речевой информации

Для обеспечения телефонной передачи создаются соединительные тракты, состоящие из линейных и станционных сооружений и телефонные тракты, состоящие из микрофона и телефона. К линейным сооружениям относятся линии или каналы связи (кабель).

ТА подключаются к коммутационным узлам (КУ) при помощи абонентских линий (АЛ). Коммутационными узлами называются автоматические телефонные станции АТС, задачей которых является передача и коммутация электрического сигнала от одного абонента к другому.

Для передачи речи используются стационарные телефонные сети. Структура сети зависит от размеров территории и числа абонентов.

Простейшей городской телефонной сетью (ГТС) является нерайонированная городская телефонная сеть. При этом способе на территории города устанавливается одна АТС, к которой подключаются все абоненты (рис.3).

Рис.3. Нерайонированный способ построения ГТС

Основная часть расходов при сооружении ГТС приходится на линейные сооружения, поэтому ГТС с одной телефонной станцией целесообразно строить в городах с небольшой территорией.

При увеличении числа абонентов и размеров территории с целью уменьшения затрат на линейные сооружения ГТС строится по принципу районирования. При районированном способе территория города делится на ряд районов, в каждом из которых устанавливается одна АТС. АТС соединяются между собой по принципу «каждая с каждой » (рис.4).

Рис.4. Соединение АТС между собой по принципу «каждая с каждой» и образование соединительного тракта

Пример 2. Сотовые сети связи

Сотовая связь - это общедоступная телефонная связь, рассчитанная на обслуживание подвижных абонентов, предоставляющая все виды услуг обычной телефонной связи. Сеть сотовой связи состоит из мобильного центра коммутации MSC (mobile switching center ), базовых станций (БС), при необходимости репитеров и мобильных телефонов. Мобильные телефоны рассматриваются в сети как подвижные станции, то есть находятся в руках абонентов. Количество MSC зависит от размера территории страны, может быть от одного до нескольких. Количество БС зависит от числа ячеек и мест установки БС.

Система сотовой связи - это сложная и гибкая техническая система, допускающая большое разнообразие, как по вариантам, так и по наборам, покрывающих обслуживаемую территорию. Территория обслуживания сотовой связи делится на ячейки. Ячейки в зависимости от плотности абонентов могут быть пико, микро и макро. Ячейки имеют свою структуру построения. Ячейка строится с помощью шестиугольника. Существует 4-х, 7-и, 12-ти и 21-секторная структура построения (рис. 5).

Рис.5. Ячейка и структура из 7-ми ячеек

Ячейки (сотки) могут иметь радиус от 500 метров до 35 км. Сеть представляет собой центр коммутации - MSC (один или несколько), множество ячеек (сот), в каждой из которых размещена базовая станция - БС (рис. 6).

Рис.6. Сеть сотовой связи

Базовые станции могут соединяться друг с другом только через MSC. Связь между MSC может организовываться по кабельным линиям или через радиоканалы. Функцией MSC является соединение БС между собой и организация связи с другими видами сети (например, стационарными телефонными сетями) и сотовыми сетями других операторов. При соединении мобильных абонентов разных операторов MSC одного оператора подключается к MSC другого оператора ( см. рис. 6)

При перемещении абонента его оконечный терминал обслуживается разными ячейками. Для производительного использования радиочастот, частоты могут использоваться повторно (рис. 7).

Рис. 7. Повторное использование частот

Рассмотрим соединение мобильный абонент - стационарный абонент. Абонент из своего мобильного телефона нажатием соответствующей кнопки создает вызов (1). Базовая станция принимает этот радиосигнал и передает своему контроллеру (управляющему устройству). Контроллер базовой станции назначает канал (2). БС через назначенный канал проводит идентификацию (подтверждение подлинности абонента) и выдает запрос на вызов (с номером вызываемого абонента) (3). MSC выдает команду на назначение канала для разговора (4). MSC выдает номер вызываемого абонента на стационарную телефонную сеть, после ответа абонента завершается соединение.

Рис. 8. Принцип обслуживания вызова в сотовой сети связи.

Пример 3. Доступ в Интернет

Еще одним примером системы передачи информации является сеть Интернет. Существует несколько технологий доступа в сеть Интернет. Рассмотрим технологию коммутируемого доступа DIAL-UP.

Рис. 9. Технология коммутируемого доступа DIAL-UP

При использовании этой технологии к одной абоненткой линии через телефонную розетку подключается два терминала - телефонный аппарат и модем. Провайдеры Интернет устанавливают модемные пулы ( групповые модемы) на определенных АТС. Эти АТС дают доступ к оборудованию провайдера, поэтому при активизации модема используется именно номер этой АТС ( номер дозвона).

К недостаткам этой технологии относятся низкая скорость передачи информации и невозможность одновременного использования и телефонного аппарата, и модема.

Семейство технологий xDSL

Недостатки технологии DIAL-UP побудили к разработке технологии некоммутируемого доступа в Интернет - технологии « выделенной линии». К этой технологи относится семейство xDSL (ADSL, RDSL, SDSL, HDSL) которое представляет собой технологии, позволяющие организовывать для абонентов высокоскоростные каналы доступа.

В аббревиатуре xDSL символ "х" используется для обозначения первого символа в названии конкретной технологии, а DSL обозначает цифровую абонентскую линию DSL (Digital Subscriber Line). Технологии хDSL позволяет передавать данные на скоростях от 64Кбит/с до 8Мбит/с. Многие технологии хDSL дают возможность совмещать высокоскоростную передачу данных и передачу голоса по одной и той же медной паре.

Существующие типы технологий хDSL различаются в основном по используемой форме модуляции и скорости передачи данных.

Технологии хDSL являются наиболее практичным решением, направленным на максимальное увеличение объема данных, передаваемых по существующим телефонным линиям. Использование технологий хDSL для высокоскоростного доступа особенно примечательно тем, что эти технологии используют в качестве среды передачи существующую кабельную инфрастуктуру местных телефонных сетей. Это позволяет провайдерам услуг экономить значительные средства и более быстро (и по разумной цене) создавать для своих абонентов большое количество новых услуг.

В семейство технологий xDSL входят следующие технологии: HDSL, SDSL, ADSL, RDSL и т.д., также к технологиям хDSL можно отнести организации цифрового канала по технологии LRE (Long Reach Ethernet ).

Наиболее перспективной в настоящее время является технология ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line). Это новая модемная технология, превращающая стандартные абонентские телефонные аналоговые линии в линии высокоскоростного доступа. Технология ADSL позволяет передавать информацию к абоненту со скоростью до 6 Мбит/с. В обратном направлении используется скорость до 640 Кбит/с. Это связано с тем, что весь современный спектр сетевых услуг предполагает весьма незначительную скорость передачи от абонента. Например, для получения видеофоильмов в формате MPEG-1 необходима полоса пропускания 1,5 Мбит/с. Для служебной информации передаваемой от абонента, вполне достаточно 64-128 кбит/с .

Рис. 10. Технология некоммутируемого доступа ADSL

При использовании этой технологии сплиттер, установленный в помещении абонента, разделяет два вида трафика - телефонный ( 0,3- 3,4 кГц) и трафик передачи данных ( высокочастотные сигналы). Благодаря использованию сплиттера абонент имеет возможность одновременного пользования как модемом, так и телефонным аппаратом. Помимо этого, провайдеры устанавливают станционные ( групповые сплиттеры на АТС, к которым подключаются стойки модемов ADSL, называемые DSL Access Module (DSLAM) . DSLAM обеспечивают выход в сеть Интернет, а в случае передачи телефонного трафика сплиттер выделяет этот трафик и направляет к АТС, которая входит в состав стационарной телефонной сети.



Практическая работа №2

Физическая среда передачи информации

Цель работы

Изучить все виды линий связи, используемых при подключении к Интернет и в телекоммуникационных сетях, их характеристики, параметры, принципы работы и структурные схемы.

Задание

Сделать отчет и подготовиться к защите.

Теоретические сведения

Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, т.е. набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны. В зависимости от среды передачи данных различают следующие линии связи:

* проводные (воздушные);

* кабельные (медные и волоконно-оптические);

* радиоканалы наземной и спутниковой связи;

* инфракрасные лучи.

Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передают телефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии используют и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными.

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро вьшолнять присоединение к нему различного оборудования. В системах телекоммуникации и компьютерных сетях применяют три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, волоконно-оптические кабели.

Скрученная пара проводов называется витой парой (twisted pair). Витая пара изготовляется в двух вариантах: в экранированном (STP - Shiel-ded Twisted Pair) - когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран, и неэкранированном (UTP - Unshielded Twisted Pair) - когда изоляционная обертка каждой пары отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Коаксиальный кабель (coaxial) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельного телевидения и т.п. Волоконно-оптический кабель (optical fiber) состоит из тонких (5...60 микрон) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля, он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует много типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью связи.

В компьютерных сетях в настоящее время применяют практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические. На них сегодня строят как магистрали крупных территориальных сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей. Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным соотношением качества к стоимости и простотой монтажа. С помощью витой пары обычно подключают конечных абонентов сетей на расстояниях до 100м от концентратора. Спутниковые каналы и радиосвязь используют чаще всего в случаях, когда кабельные связи применить нельзя - например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользователем сети.

Направляющая система (НС) - это устройство, предназначенное для передачи электромагнитной энергии в заданном направлении. Таким свойством обладают проводник, диэлектрик и любая граница раздела сред с различными электрическими свойствами (металл - диэлектрик, диэлектрик - воздух и др.). Поэтому роль направляющей системы могут выполнять металлическая линия (кабель, волновод), диэлектрическая линия из материала с е>1 (диэлектрический волновод, волоконные световод), а также металло-диэлектрическая линия (линия поверхностной волны). Современные направляющие системы передачи высокочастотной энергии разделяются на: воздушные линии связи (ВЛС); симметричные кабели (СК), коаксиальные кабели (КК); сверхпроводящие кабели (СПК); волноводы (В); световоды (С), оптические кабели (ОК); линии поверхностной волны (ЛПВ); диэлектрические волноводы (ДВ); ленточные кабели (ЛК), полосковые линии (ПЛ); радиочастотные кабели (РК). Конструкции различных направляющих систем схематично показаны на рис. 5.1 Воздушные линии и симметричные кабели относятся к группе симметричных цепей. Отличительной особенностью таких цепей является наличие двух проводников с одинаковыми конструктивными и электрическими свойствами. Известные конструкции симметричных кабелей содержат от 1Х2 до 2400Х2 жил под общей защитной оболочкой. В коаксиальном кабеле проводник а концентрически расположен внутри проводника б, имеющего форму полого цилиндра. Внутренний проводник изолируется от внешнего с помощью различных изоляционных прокладок (шайбы, баллоны, кордели и др).

Волновод представляет собой полую металлическую трубу круглого или прямоугольного сечения, изготовленную из хорошо проводящего материала. Оптический кабель представляет собой скрутку из оптических волокон - световодов, объединенных в единую конструкцию. Сверхпроводящий кабель имеет коаксиальную конструкцию весьма малых габаритов, помещенную в условия низких отрицательных температур (-269єС). Линия поверхностной волны представляет собой одиночный металлический провод, покрытый высокочастотной изоляцией (полиэтиленом). Диэлектрический волновод - это стержень круглого или прямоугольного сечения, выполненный из высокочастотного материала (полиэтилена, стирофлекса).

Полосковая линия состоит из плоских ленточных проводников с расположенной между ними изоляцией. Разновидностью этой линии является ленточный кабель, содержащий большое число проводников, расположенных в одной плоскости. Радиочастотные кабели имеют коаксиальную, симметричную или спиральную конструкцию. Последние три типа направляющих систем имеют локальное назначение и используются в качестве фидеров передачи энергии на короткие расстояния от антенн к аппаратуре. Линия поверхностной волны предназначена главным образом для устройства телевизионных ответвлений от магистральных кабельных и радиорелейных линий небольшой протяженности (до 100 км). Остальные направляющие системы применяются для организации связи на большие расстояния для передачи различных видов современной информации. Направляющие системы могут быть классифицированы в первую очередь по длине волны и частотному диапазону их использования. На рис. 5.2 указаны частотные диапазоны различных направляющих систем.

Линией связи называется среда распространения электромагнитных волн, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику.

Такой средой могут быть воздушная, кабельная, радиорелейная, волоконно-оптическая линия связи, волноводы и т.д. Передатчик, линия связи и приемник образуют канал связи. Источник сообщений, передатчик, линия связи, приемник и получатель сообщений образуют систему связи. Из всех элементов системы наибольший процент стоимости 70-80% приходится на линии связи. Поэтому в технике связи основной является проблема разработки систем и методов, позволяющих одновременно передавать по одной линии связи большое число независимых сообщений. Такие системы передачи называются многоканальными. Кабельная линия междугородной связи представляет собой сложное техническое сооружение, состоящее из огромного числа элементов. Так как линия предназначена для длительной работы и на ней должна быть обеспеченна бесперебойная работа тысяч каналов связи, то ко всем элементам линейно-кабельного оборудования и в первую очередь к кабелям и кабельной арматуре, входящим в линейный тракт передачи сигналов, предъявляются высокие требования. В общем виде требования, предъявляемые к линиям связи, могут быть сформулированы следующим образом: осуществление связи с заданным качеством на практически необходимые расстояния (до 25000 км для международной связи; 12500 км на междугородной сети связи; 600 км - региональной и 100 км - местной, сетях связи); широкополосность и пригодность для передачи различных видов информации (телефонии, телевидения, вещания, передачи данных и т.д.); защищенность цепей от взаимных внешних помех, а также от грозы и коррозии; стабильность электрических параметров линии, устойчивость и надежность связи; низкие капитальные и эксплуатационные расходы. В соответствии с этим кабельная техника развивается в следующих направлениях:

1. Создание и внедрение перспективных оптических кабелей связи, обеспечивающих получение большого числа каналов и не требующих для своего производства дефицитных металлов (медь, свинец).

2. Преимущественное развитие коаксиальных систем, позволяющих организовать мощные пучки связи и передачу программ телевидения на большие расстояния по однокабельной системе.

3. Создание экранированных кабелей, надежно защищающих передаваемую по ним информацию от внешних электромагнитных влияний и грозы, в частности кабелей в двухслойных оболочках типа алюминий - сталь и алюминий - свинец.

4. Повышение электрической прочности изоляции кабелей связи.

Различают два основных типа линий связи: линии в атмосфере (радиолинии) и направляющие линии передачи (линии связи). Отличительной особенностью радиолиний является распространение электромагнитных сигналов в свободном (естественном) пространстве (космос, воздух, земля, вода и т.д.). Дальность радиолиний может простираться от нескольких сотен метров до сотен миллионов километров - расстояний между автоматическими космическими аппаратами и земными станциями. В зависимости от длины волны (частоты) сигналы по радиолиниям распространяются следующим путем (рис.5.3): длинные волны (ДВ - 10 … 1км; 30 … 300 кГц) и средние волны (СВ - 1,0 … 0,1 км; 0,3 … 3 МГц) - поверхностным лучом (1) короткие волны (КВ - 100 … 10м; 3 … 30 МГц) - пространственным лучом (2) ультракороткие волны (УКВ - 10 … 1м; 30 … 300 МГц) - в пределах прямой видимости (3)

Кроме указанных выше достоинств радиолиний, определяемых возможностью установления связи на огромные расстояния с подвижными объектами, отметим еще высокую скорость установления связи, а также возможность обеспечения передачи массовых средств информации (радиовещание и телевидение) с неограниченным числом слушателей и зрителей. Основные недостатки радиолиний (радиосвязи) состоят в следующем: зависимость качества связи от состояния среды передачи и сторонних электромагнитных полей; низкая скорость; недостаточно высокая электромагнитная совместимость в диапазоне метровых волн и выше; сложность аппаратуры передатчика и приемника; узкополосность систем передачи, особенно на длинных волнах и выше.

Отличительной особенностью направляющих линий связи является то, что распространение сигналов в них от одного абонента (станции, устройства, элемента схемы и т.д.) к другому абоненту осуществляется только по специально созданным цепям и трактам линий связи, образующим направляющие системы, предназначенные для передачи электромагнитных сигналов в заданном направлении с должными качеством и надежностью. Достоинства направляющих линий связи состоят в обеспечении требуемого качества передачи сигналов, высокой скорости передачи, большой защищенности от влияния сторонних полей, заданной степени электромагнитной совместимости, относительной простоты оконечных устройств. Недостатки линий связи определяются высокой стоимостью капитальных и эксплуатационных расходов, а также относительно длительными сроками установления связи. Сопоставляя линии связи и радиолинии, следует отметить, что они не противопоставляют, а дополняют друг друга, при создании, развитии и совершенствовании единой сети связи. Различают три основные типа линий связи - кабельные (КЛ), воздушные (ВЛ), волоконно-оптические (оптические кабели). Кабельные и воздушные линии относятся к проводным линиям, у которых направляющие системы образуются системами проводник - диэлектрик, а волоконно-оптические линии представляют собой диэлектрические волноводы, направляющая система которых состоит из диэлектриков с различными показателями преломления. Проводные линии связи работают в килогерцовом и мегагерцовом диапазонах частот. К их достоинствам можно отнести: обеспечение требуемого качества передачи сигналов, высокая скорость передачи, защищенность от влияния сторонних полей, обеспечение заданной степени электромагнитной совместимости, относительная простота оконечных устройств. Недостатками являются: высокие капитальные и эксплуатационные расходы, а с развитием новых широкополосных видов связи не всегда удовлетворяют требованиям по пропускной способности.

Кабельные линии делятся на: симметричные кабели (СК); коаксиальные кабели (КК); сверхпроводящие кабели (СПК); волноводы, ленточные кабели, полосковые линии (ПЛ), радиочастотные кабели (РК). Для передачи информации на большие расстояния используются только СК, КК, ВЛС, ВОЛС, остальные направляющие среды имеют локальное назначение и предназначены для передачи энергии на короткие расстояния от антенн к аппаратуре. Основным преимуществом ВЛС являются низкие капитальные затраты, но в тоже время опоры ВЛС требуют консервации. Однако низкая пропускная способность (не более 15КТЧ в диапазоне до 150 кГц), обусловленная недостаточной помехозащищенностью от взаимных помех, и подверженность атмосферно климатическим воздействиям (изморозь, гроза, северное сияние) ограничивают их использование на сельской сетях связи. Волоконное-оптические линии связи (ВОЛС) представляют собой системы для передачи световых сигналов микроволнового диапазона волн (л=0,8 … 1,6мкм) по оптическим кабелям. Этот вид линий связи является наиболее перспективный. Достоинствами ВОЛС являются - низкие потери, большая пропускная способность, малые масса и габаритные размеры, экономия цветных металлов, высокая степень защищенности от внешних и взаимных помех. Оценка экономической эффективности и сравнительная стоимость линий электросвязи различных типов может быть проиллюстрирована следующими примерными данными стоимости одного канало-километра связи (где стоимость воздушной линии с проводами из цветных металлов диаметром 4мм принята за 100%) Воздушная линия (d=4 мм) 100% Симметричный кабель (d=1,2 мм) 35-50% Стандартизованный коаксиальный кабель (2,6/9,4 мм) 15% Малогабаритный коаксиальный кабель (1,2/4,4) 9% Радиорелейная линия (Р-600) 15% При числе каналов больше 30000 … 50000 эффективно применение ВОЛС. В настоящее время различные виды линий связи на телекоммуникационной сети Республики Узбекистан распределены приблизительно следующим образом: 60% - оптический кабель, 28% - медный кабель, 11,5% - ЦРРЛ, 0,5% - воздушные линии связи.

Кабельные линии состоят из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической

Скрученная пара проводов называется витой парой. Витая пара может быть выполнена в экранированном варианте, когда пару медных проводов обертывает изоляционный экран, и неэкранированном, когда изоляционная обертка отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю.

Кабели на основе неэкранированной витой пары (Unshielded Twisted Раir -- UTP). Стандартом определены пять категорий UTP:

• 1-я -- телефонный кабель для передачи аналоговых сигналов;

• 2-я -- кабель из четырех витых пар, способный передавать данные со скоростью 4 Мбит/с;

• 3-я -- то же, со скоростью 10 Мбит/с;

• 4-я -- то же, 16 Мбит/с;

• 5-я -- то же, 100 Мбит/с.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в четырех парном исполнении . Каждая из этих пар имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а другие две -- для передачи голоса.

Рис.1. Структура симметричного кабеля

Кабели на основе экранированной витой пары (Shielded Twisted Pair -- STP). Экранированная витая пара STP хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний , что в свою очередь защищает пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку, так как требует выполнения качественного заземления. Экранированный кабель применяется только для передачи данных, голос по нему не передают.

• Коаксиальный кабель имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует большое количество типов коаксиальных кабелей, используемых в различных сетях (телефонных, телевизионных, компьютерных).

• Тонкий коаксиальный кабель -- гибкий кабель диаметром примерно 0,5 см. Он способен передавать сигнал на расстояние до 185 м без его заметного искажения, вызванного затуханием. Волновое сопротивление кабеля составляет 50 Ом.

• Толстый коаксиальный кабель -- относительно, жесткий кабель диаметром около 1 см. Медная жила у этого кабеля толще, чем у тонкого, и, следовательно, сопротивление меньше. Поэтому толстый коаксиальный кабель передает сигналы дальше, чем тонкий, на расстояние до 500 м.

Рис.2. Структура коаксиального кабеля

• Волоконно-оптический кабель состоит из тонких (5...60 мкм) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля. Он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех.

• Волоконно-оптические линии предназначены для передачи больших объемов данных на высоких скоростях. Волоконно-оптический кабель состоит из центрального стеклянного или пластикового проводника, окруженного другим слоем стеклянного или пластикового покрытия, и внешней защитной оболочки. Данные передаются по кабелю с помощью лазерного (laser transmitter) или светодиодного передатчика (LED -- Light Emitting Diode transmitter), который посылает одно направленные световые импульсы через центральное стеклянное волокно. Стеклянное покрытие помогает поддерживать фокусировку света во внутреннем проводнике. Сигнал принимается на другом конце фотодиодным приемником (photodiode receiver), преобразующим световые импульсы в электрический сигнал.

Рис.3. Структура оптического кабеля

Конструкций оптических волокон очень много, но основных типов два: многомодовый и одномодовый.

Диаметр сердцевины у многомодовых волокон в десятки раз превышает длину волны передаваемого излучения, из-за чего по волокну распространяется несколько типов волн (мод). Стандартные диаметры сердцевины многомодовых волокон -- 50 и 62 мкм.

У одномодового волокна диаметр сердцевины обычно равен 5 ... 10 мкм.

Скорость передачи данных для волоконно-оптических сетей находится в диапазоне от 100 Мбит/с до 2 Гбит/с, а данные могут быть надежно переданы на расстояние до 2 км без повторителя. Волоконно-оптический кабель может поддерживать передачу видео и голосовой информации так же, как и передачу данных.

Поскольку световые импульсы полностью закрыты в пределах внешней оболочки, волоконно-оптический носитель фактически невосприимчив к внешней интерференции и подслушиванию. Эти качества делают волоконно-оптический кабель наиболее подходящим для защищенных сетей или сетей, которые требуют очень быстрой передачи на большие расстояния. Поскольку световые импульсы могут двигаться только в одном направлении, системы на базе волоконно-оптических кабелей должны иметь входящий и исходящий кабели для каждого сегмента, который будет посылать и получать данные.

Волоконно-оптический кабель обладает большой жесткостью и сложен в установке, что делает его самым дорогим типом сетевого носителя. Он требует специальных соединителей -- конвекторов и высококвалифицированной установки. Эти факторы приводят к высокой стоимости внедрения. Одним из способов снижения расходов является использование волоконно-оптического кабеля только в сетевых магистралях или в тех линиях, для которых имеют значение влияние электромагнитного наложения, возгораемость и т.п.

• Беспроводная передача данных может являться альтернативой кабельным соединениям, а иногда и единственным вариантом. Беспроводные технологии различаются по типам сигнала, частоте (большая частота означает большую скорость передачи) и pacстоянию передачи. Тремя главными типами беспроводной передачи данных являются:

• радиосвязь,

• связь в микроволновом диапазоне,

• инфракрасная связь.

• Радиосвязь. При радиосвязи (radio waves) пересылка данных осуществляется на радиочастотах и практически не имеет ограничений по дальности. Такая связь используется для соединения локальных сетей на больших расстояниях. Радиопередача в целом, имеет высокую стоимость, подлежит государственному регулированию и крайне чувствительна к электронному и атмосферному наложениям. Она также подвержена перехвату, поэтому требует шифрования или другой модификации при передаче, чтобы обеспечить разумный уровень безопасности.

• Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое количество различных типов радиоканалов, отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (КВ, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции (АМ -- Amplitude Modulation) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие в диапазоне ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция (FM -- Frequency Modulation), а также в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ, или microwaves).

• В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, обеспечивающие выполнение этого условия. Все системы радиосвязи передают информацию посредством , электромагнитных волн радиодиапазона. Однако радиодиапазон занимает только часть спектра электромагнитных волн. Более высокие частоты (непосредственно перед видимым светом) располагаются в инфракрасной части спектра.

Контрольные вопросы

1. Классификация направляющих систем.

2. Область применения направляющих систем.

3. Основные требования к линиям связи.

4. Виды линий связи.

5. Свойства радиолиний.

6. Свойства проводных линий связи.

7. Волоконно-оптические линии связи.

8. Применение симметричных кабелей.

9. Применение коаксиальных кабелей.

10. Структура экранированных и неэкранированных кабелей.



Практическая работа № 3

Цифровое кодирование

Цель работы

1. Изучить способы представления речевого сигнала

2. Знать преимущества передачи сигнала в цифровой форме

3. Знать функции преобразования сигнала АЦП (аналогово-цифровое преобразование) и ЦАП (цифро-аналоговое преобразование)

Задание к работе

При подготовке к работе необходимо изучить следующие вопросы:

- принципы представления цифрового сигнала,

- по исходным данным (табл. 1.1) выполнить кодирование и декодирование исходного сигнала ,

- проанализировать полученный результат, сделать выводы.

Порядок выполнения работы

По вариантам заданий, приведенным в таблице 1 выполнить кодирование и декодирование исходного сигнала , определить ошибку квантования и кодирования.

Таблица 1

Варианты заданий

№№ вар		№№ вар		№№ вар
1	+0,4923	11	-0,6907	21	-0,3091
2	-0,8116	12	+0,3196	22	-0,8214
3	+0,0939	13	+0,1825	23	+0,0318
4	-0,6214	14	+0,7529	24	-0,4208
5	-0,1326	15	-0,1580	25	-0,6916
6	+0,4290	16	-0,8351	26	-0,0814
7	-0,5214	17	+0,5329	27	+0,5549
8	+0,3390	18	-0,3513	28	-0,0069
9	-0,7003	19	-0,4292	29	-0,9334
10	-0,0215	20	+0,2703	30	+0,1168

Содержание отчета

1.Коротко описать функции АЦП и ЦАП - дискретизация, квантование, кодирование

2.Привести решение задачи по исходным данным с приведением выводов по результатам расчетов

Список литературы

1. Болгов И.Ф. Электронно-цифровые системы коммутации, М: Радио и связь, 1988г

2. Гольдштейн Б.С. Системы коммутации.- СПб.: БВХ-Санкт-Петербург, 2003г.

3. Белами Дж. Цифровая телефония. Пер. с англ. - М: Радио и связь, 2003 г.

4. Безир Х. и др. Цифровая коммутация, Пер. с нем. - М: Радио и связь, 1984г.

5. Маевский В.И. и др. Цифровые системы передачи -М: Связь, 1979 г.

Контрольные вопросы

1. Что такое цифровой сигнал?

2. Приведите преимущества цифровой передачи

3. Для чего предназначена дискретизация во времени

4. Квантование по уровню. Линейные и нелинейные способы квантования

5. Законы квантования

6. Что такое шум квантования?

7. Как выполняется кодирование квантованных сигналов?

8. Какие требования существуют при АЦП- ЦАП для хорошего качества приема- передачи сигнала

9. Правила кодирования- декодирования сигнала по закону СЕРТ (ИКМ 30/32)

10. В каких модулях ЭАТС выполняются функции АЦП и ЦАП для аналоговых линий?

Теоретические сведения

Представление цифрового сигнала

В цифровых системах передачи (ЦСП) и цифровых системах коммутации (ЦСК) аналоговый первичный сигнал, подаваемый на вход канала подвергается преобразованию в цифровую форму с помощью трёх операций: дискретизация во времени, квантование по амплитуде (или по уровню) и кодирование (рис. 1).Эти операции осуществляются в устройстве, называемом АЦП (аналого-цифровой преобразователь) на передающем конце и на приёмном ЦАП (цифро-аналоговы1 преобразователь).

В ЦСК функции АЦП, ЦАП выполняются в абонентском интерфейсе, в который подключается аналоговая абонентская линия, или в модуле соединительных линий при подключении аналоговой соединительной линии.

Устройство АЦП должно содержать дискретизатор Д, квантователь и кодирующее устройство . Обычно и совмещены и при выполнении функций АЦП-ЦАП осуществляется в кодеке (кодер - декодер).

Рис. 1. Аналого-цифровой преобразователь

Дискретизация во времени

Дискретизацией называют процесс представления непрерывной формы исходного сигнала в виде дискретных отсчетов этого сигнала.

Дискретизация может быть показана с помощью электронного ключа, который управляется последовательностью тактовых импульсов с периодом (период дискретизации) (рис.2).

Рис. 2. Процесс дискретизации на примере электронного ключа

Таким образом, ключ замыкается и размыкается под управлением импульсов с частотой дискретизации

На выходе соответствующей системы создаётся амплитудо-импульсно модулированный сигнал (АИМ), который представляет собой совокупность отсчётов непрерывного сигнала (рис. 3).

Рис. 3. Дискретизация во времени

В соответствии с теоремой Котельникова должна быть: , где - максимальная частота спектра непрерывного сигнала. Для телефонии спектр равен 0.3 - 3.4 кГц, поэтому =8 кГц (по рекомендации международного союза электросвязи - МСЭ).

Квантование по уровню и кодирование

Квантование - это процесс установления уровней, разрешенных для передачи. Между двумя ближайшими разрешёнными уровнями имеется промежуток, называемый шагом квантования . Число уровней квантования определяется в зависимости от способа квантования и кодирования (линейные и нелинейные). При линейных способах шаг , при нелинейных - изменяется от одного уровня к другому по закону квантования. Если на вход квантующего устройства попадает отсчёт сигнала А (АИМ сигнала), то значение его будет определяться уровнями, разрешёнными для передачи или (рис. 4).

Рис. 4. Определение значения уровня квантующего устройства

Т.е. сигнал А передаётся квантованным импульсом, или . Какой именно будет этот уровень зависит от значения амплитуды сигнала А в момент дискретизации, или от соотношения и . Если <, то передаётся квантованный импульс . В противном случае, если >, то передаётся

Шаг квантования . Если шаги квантования одинаковы и не зависят от уровня квантования, то квантование называется равномерным или линейным.При нелинейном квантовании - шаги квантования изменяются.

...