Основные понятия и определения. Классификация систем электросвязи

Развитие человеческой цивилизации это непрерывное и динамич­ное развитие средств общения от личного до общественного, от при­митивных с помощью жестов, мимики, наскальных рисунков, звуков и света (дыма), «ямской гоньбы» и оптических семафоров до создания глобальных телекоммуникационных систем и сетей, обеспечиваю­щих передачу, прием, обработку, распределение и хранение различ­ной информации. Под информацией понимается совокупность сведений о событиях, явлениях, процессах, понятиях и фактах, предметах и лицах независимо от формы представления.

Телекоммуникационные системы - это комплекс техниче­ских средств, обеспечивающих электрическую связь (электро­связь) определенного типа.

В приведенном определении есть ключевые слова «связь» и «электросвязь». Что же это такое?

Связь (communication) - обмен информацией или пересылка информации с помощью средств, функционирующих в соответ­ствии с согласованными правилами (называемыми в конкретных условиях протоколами).

Международная конвенция по электросвязи определила «элек­тросвязь» (Найроби, 1982 год) как «...передачу, получение и прием знаков, сигналов, письменного текста, изображения и звуков или сообщений любого рода по проводной, радио и оптиче­ской или другим электромагнитным системам...». В «Основных положениях развития ВСС РФ» электросвязи дается такое опре­деление: электросвязь (telecommunication) - передача или прием знаков, сигналов, текстов, изображений, звуков по проводной, оптической или другим электромагнитным системам. Это определение может быть выражено в такой форме: электросвязь -это передача и прием сообщений с помощью сигналов электро­связи по проводной, радио, оптической или другим средам распро­странения.

Вышеприведенные определения содержат знаковые слова: со­общение, сигнал, сигнал электросвязи. А это что такое?

Сообщение - форма представления информации для передачи ее от источника информации к потребителю. Применительно к сфере телекоммуникаций сообщение - это информация, переда­ваемая с помощью электромагнитных сигналов средствами электросвязи. Примеры сообщений: текст телеграммы, речь, музы­ка, фототелеграмма-факс, телевизионное изображение, данные с выхода вычислительных машин, команды в системах телеуправле­ния и телеконтроля и др.

Сигнал - материальный носитель или физический процесс, отражающий (несущий) передаваемое сообщение.

Классификация сигналов может быть самой разнообразной, но особый интерес представляют электрические сигналы, называемые сигналами электросвязи и представляющие электрические напряжения или токи, изменение параметров которых во времени отражает передаваемое сообщение. К электрическим сигналам относятся: телефонные, телеграфные, факсимильные сигналы, сигналы передачи данных, сигналы телевизионного и звукового вещания, сигналы телеконтроля и телеуправления.

С понятием телекоммуникационные системы тесно связано по­нятие телекоммуникационные сети, представляющие совокуп­ность пунктов, узлов и линий (каналов, трактов) их соединяющих.

Телекоммуникационные системы и телекоммуникационные сети, взаимодействуя друг с другом, образуют систему электросвязи - комплекс технических средств, обеспечивающих электросвязь определенного вида.

Классификация систем электросвязи весьма разнообразна, но в основном определяется видами передаваемых сообщений, сре­дой распространения электрических сигналов (рис. 1) и способами распределения информации: коммутируемые или некоммутируемые сети передачи сообщений.

Телекоммуникационные системы и сети представляют совокуп­ность технических средств, осуществляющих следующие операции при передаче сообщения от источника к получателю:

преобразование сообщения, поступающего от источника сооб­щения (ИС) в сигнал электросвязи;

преобразование сигналов электросвязи в форму, удобную для передачи и получателя сообщения (ПС);

сопряжение сигналов электросвязи с каналами передачи и стан­циями коммутации (СК), установленных в оконечных пунктах (ОП) или узлах связи (УС).

Рис. 1. Классификация систем электросвязи по видам передаваемых сообщений и среды распространения

Обобщенная структурная схема взаимодействия телекоммуни­кационных систем и сетей представлена на рис. 2, где приняты следующие обозначения:

ИС - источник сообщения (информации); ПР₁ - преобразователь сообщения в электрический сигнал, называемый первичным элек­трическим сигналом (в дальнейшем просто «первичный сигнал»); СК - станция коммутации, представляющая совокупность коммута­ционной и управляющей аппаратуры, обеспечивающей установление различного вида соединений (местные, междугород­ные, международные, входящие, исходящие и транзитные) и реали­зующей определенный метод коммутации (коммутация каналов,

коммутация сообщений или коммутация пакетов); ОС₁ - оборудова­ние сопряжения, осуществляющее преобразование первичных сигналов в линейные электрические сигналы, физические характе­ристики которых согласуются с параметрами передачи среды рас­пространения - СР; ОС^-1 - оборудование сопряжения, осуществляющее преобразование линейных электрических сигна­лов в исходные первичные сигналы; ПР^-1 - преобразователь пер­вичного сигнала в сообщение; ПС - получатель сообщения.

Рис. 2. Взаимодействие телекоммуникационных систем и сетей

Комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу первичного сигнала в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между сетевыми станциями или сетевыми узлами, называется каналом передачи.

Линейные сигналы при прохождении по среде распространения испытывают ослабление (затухание), подвергаются различного рода искажениям и помехам. Для устранения влияния этих факто­ров на качество передачи сигналов, через определенные расстоя­ния в зависимости от вида системы передачи устанавливаются усилители, регенераторы или ретрансляторы, которые вме­сте со средой распространения образуют линейный тракт систе­мы передачи.

Логарифмические единицы измерений

Сигналы, используемые для передачи сообщений, представляют собой электрические мощность, напряжение или ток, изменяющиеся во времени. Характер изменений мгновенных значений напряжения или тока сигналов однозначно соответствует передаваемым сооб­щениям.

Значения напряжений (токов) сигналов и помех в различных точ­ках каналов и трактов передачи имеют величины от пиковольт (пикоампер) до десятков вольт (ампер). Мощности токов, с которы­ми приходится встречаться при расчетах и измерениях, имеют величины от долей пиковатта до целых ватт. Чтобы облегчить измерения и расчеты величин, значения которых размещаются в широком диапазоне (он шире диапазона длин от миллиметра до миллионов километров), и чтобы при сравнении результатов изме­рений или расчетов операции умножения и деления заменить соот­ветственно сложением или вычитанием, вместо величин мощности, напряжения и тока, выраженных в ваттах, вольтах и амперах (или их долях), используют логарифмы отношения этих величин к услов­ным величинам, принятым за отсчетные. Относительные единицы, выраженные в логарифмической форме, называются уровнями передачи. Уровни передачи, представляющие десятичные лога­рифмы отношения одноименных величин, называются децибелами (дБ), а представляющие натуральные логарифмы отношения одно­именных величин, называются неперами (Нп). В настоящее время принято пользоваться децибелами.

Различают следующие уровни передачи:

по мощности:

или(1)

по напряжению:

или (2)

по току:

или (3)

Между уровнями передачи в дБ и Нп существуют следующие со­отношения;

и

В этих формулах W_x, U_x и I_х - соответственно величины кажу­щейся или активной мощности, напряжения, тока в рассматривав-

мой точке, a W_o, U_o и /_о - величины, принятые за исходные при определении уровней передачи.

Уровни передачи по мощности (р_ом), напряжению (р_он) и току (р_от), определенные по формулам (1...3), называются относительными и обозначаются соответственно дБ_ом, дБ_0Н, дБ_0Т.

Уровни передачи будут положительными, если величины мощно­сти W₄, напряжения U_x или тока I_Х будут больше исходных величин мощности W_o, напряжения U_o или тока /₀. 6 противном случае уровни передачи будут отрицательными. Нулевое значение указанные уров­ни передачи будут иметь в том случае, если W_x= W_o, U_x= U_o и l_x= l₀.

От логарифмических единиц (уровней в децибелах) легко перей­ти к абсолютным величинам мощности, напряжения или тока по следующим очевидным формулам:

(4)

В общем случае численные значения уровней передачи по мощ­ности, напряжению и току несовпадают. Однако между ними легко установить взаимосвязь, если известны сопротивления Z_x и Z_o, на которых выделяются мощности W_x и W_o.

Действительно,

(5)

ИЛИ

(6)

Уровни передачи подразделяются на абсолютные и измеритель­ные. Уровни называются абсолютными, если за исходные приняты следующие величины:

1) кажущаяся мощность W_o = 1 мВА или активная мощность W_o=1 мВт;

2) эффективное напряжение U_o = 0,775 В;

3) эффективное значение тока I₀= 1,29 мА.

Если абсолютные уровни передачи определяются при сопротивлении Z = R = 600 Ом, то , что объясняется выбором исходных величин: 0,775 В х 1,29 мА = 1 мВА (мВт) или

0,775В/1,29мА = 600 Ом. Абсолютные уровни передачи по мощно­сти, напряжению и току измеряются соответственно в дБм, дБн, дБт. Уровни передачи по току в практических расчетах и измерениях используются весьма редко.

Выражение (1) для относительного уровня по мощности можно представить в следующем виде:

(7)

где р_мх - абсолютный уровень по мощности в рассматриваемой точке и р_мо - уровень в точке отсчета. Как следует из формулы (7), относительный уровень по мощности равен разности абсолютных уровней мощности в точке измерения и точке, принятой за отсчетную. Аналогичным образом получается выражение для относитель­ных уровней по напряжению

р_ОН =р_НХ - р_НО. (8)

Измерительным уровнем называется абсолютный уровень в рассматриваемой точке при условии, что в начале тракта включен нормальный генератор, т.е. генератор синусоидальных колебаний определенной частоты с внутренним активным сопротивлением, равным 600 Ом и ЭДС, равной 1,55 В. Если входное сопротивление канала активно и равно 600 Ом, то при подключении нормального генератора на входе канала оказывается абсолютный нулевой уровень.

Если в точке канала с относительным уровнем по мощности р_ом1 известен абсолютный уровень по мощности сигнала р_м1, то в точке канала, с относительным уровнем р_ом2 абсолютный уровень мощно­сти р_м2 будет равен

(9)

Если в точке канала с относительным уровнем по мощности р_ом1 известна мощность сигнала W₁ то в точке канала с относительным уровнем р_ом2 мощность сигнала равна

(10)

Канал передачи представляет из себя каскадное соединение пассивных и активных четырехполюсников. При прохождении сиг­налов по каналам передачи имеют место потери энергии в пассив­ных четырехполюсниках или ее увеличение в активных. Для оценки

изменений энергии сигнала в различных точках канала вводится понятие рабочего затухания и рабочего усиления.

Под рабочим затуханием четырехполюсника понимается отно­шение вида:

(11)

где W_г - кажущаяся мощность, которую отдал бы источник (генера­тор) сигнала согласованной с ним нагрузке, W_н - кажущаяся мощ­ность, выделяющаяся в нагрузке четырехполюсника в реальных условиях включения. При таком определении учитывается возмож­ная несогласованность на входе и выходе четырехполюсника.

Рабочее усиление четырехполюсника определяется выраже­нием вида:

(12)

здесь величины W_H и W_г имеют тот же смысл, что и в формуле (11).

При проектировании и эксплуатации оборудования телекоммуни­кационных систем и сетей необходимо знать величины уровней сигнала в различных точках каналов и трактов передачи. Чтобы охарактеризовать изменения энергии сигнала при его передаче, пользуются диаграммой уровней - графиком, показывающим рас­пределение уровней передачи вдоль тракта передачи.

Б качестве примера на рис. 3 показана диаграмма уровней кана­ла передачи, состоящего из усилителя передачи УС_пер с усилением равным S_nep, трех участков линии связи (среды распространения) длиной I,, /₂и /_З с затуханием, равным А₁ ,А₂ и А₃, двух промежуточ­ных усилителей УС₁ и УС₂ с усилением соответственно S₁ , S₂ и усилителя приема УС_пр с усилением S_np.

На диаграмме уровней отмечены характерные точки канала (тракта) передачи: вход канала с уровнем р_вх; уровень передачи равный р_пер = р_вх + S_nep ; уровни приема на входе i-го усилителя p_npi = р_{пер (i-1)} – А_i ; выход канала (тракта) с уровнем р_вых и величина защищенности от помех на входе i-го усилителя, равная

(13)

где W_npi и W_помi - мощности сигнала и помехи на входе i-го усилите­ля, a p_прi и р_помi - соответственно уровни сигнала и помехи.

Соотношение между уровнями сигнала на входе и выходе кана­ла определяет его остаточное затухание, которое представляет собой рабочее затухание, определяемое при условии замыкания входа и выхода канала на активные сопротивления нагрузки, соот­ветствующие номинальным значениям входного и выходного сопро­тивлений канала. Остаточное затухание равно разности между суммой всех рабочих затуханий, имеющихся в канале, и суммой всех рабочих усилений:

(14)

Рис. 3. Диаграмма уровней и ее характерные точки

Для того чтобы обеспечить нормальную работу каналов и систем передачи, величины мощностей, напряжений и токов сигналов и соответствующие им уровни нормируют; нормируют также допусти­мые уровни помех. При этом приходится считаться с тем, что уров­ни сигналов и помех в различных точках канала будут различными. Чтобы избавиться от неопределенности, все нормируемые величи­ны относят к точке тракта передачи с нулевым измерительным уровнем. Уровни по мощности, отнесенные к точке с нулевым изме­рительным уровнем, обозначают через дБм0.

И в заключение отметим, что приборы для измерения уровней пе­редачи называются указателями уровней и представляют из себя обычные вольтметры, измерительная шкала и входные регуляторы которых отградуированы в уровнях по мощности или напряжению. Во избежание ошибок на указателях уровней указывают напряжение, которому соответствует нулевая отметка шкалы, или величину актив­ного сопротивления R, на котором выделяется мощность соответствующая 1 мВт. Наибольшее распространение получили широкопо­лосные и избирательные указатели уровней, отградуированные для R = 600 Ом и U_o = 0,775 В, R = 150 Ом и U_o = 0,387 В, R = 75 Ом и U_o = 0,274 В. При такой градуировке значения уровней напряжения совпадают со значениями абсолютных уровней мощности.