1.2. Принцип телефонной связи. Системы многоканальной передачи по линиям связи

Простейший однонаправленный телефон представлен на рис. 1.6. Для телефонной связи используется частотный диапазон 300 – 3400 Гц.

Рис.1.6. Однонаправленный телефон

1. Источник звука	6. Трансформатор
2. Электрод	7. Линия
3. Д/э корпус микрофона	8. Динамик
4. Мембрана	9. Мембрана
5. Батарея	10. Угольный порошок

На рис. 1.7 представлена упрощенная схема современного телефона.

Рис.1.7. Упрощенная схема современного телефона

Тональная частота – 4 кГц (0,3 – 3,4 кГц). От аппарата до АТС - передача на тональной частоте. Между АТС и МАТС используется принцип уплотнения каналов (см. рис. 1.8), и связь проводится на высоких частотах. МАТС – междугородная телефонная станция.

Рис. 1.8. Схема расположения АТС

Для уплотнения каналов используются аналоговые и цифровые системы передачи информации (АСП и ЦСП).

Аналоговые системы передачи

В аналоговых системах передачи происходит частотное уплотнение каналов. В аналоговых системах передачи колебания токов звуковой (тональной, низкой) частоты на передающей станции преобразуются в колебания токов высокой частоты, амплитуда которых изменяется по закону звукового спектра. Этот процесс преобразования называется модуляцией. Модулированные колебания высокой частоты, поступив с линии в приемную станцию, подвергаются обратному преобразованию (демодуляции), состоящему в выделении звуковой частоты. Под действием этой звуковой частоты в телефоне приемника воспроизводится сигнал передающей станции. Высокая частота, подвергающаяся модуляции и «переносящая» звуковые колебания, называется несущей частотой. Процесс модуляции продемонстрирован на рис. 1.9.

Применение модулированных колебаний позволяет осуществить многократное уплотнение цепей связи. Число несущих частот, передаваемых на линию, соответствует количеству высокочастотных каналов связи. Имея в виду, что для канала ВЧ телефонирования отводится спектр шириной 4 кГц, несущие частоты также выбирают с интервалом в 4 кГц.

Таким образом, аналоговые системы передачи основаны на частотном разделении сигналов. С помощью электрических фильтров весь передаваемый спектр делится на частотные полосы. В качестве базового принят телефонный канал шириной 4кГц (канал тональной частоты). Чем шире полоса частот, которую можно передавать по кабелю, тем больше можно получить каналов и дешевле их стоимость.

Рис.1.9.Амплитудная модуляция

Схема многоканальной высокочастотной связи представлена на рис. 1.10. На рис. 1.10: А – абонент; М – модулятор амплитудный; ПФ – полосовой фильтр; Г –генератор; ДМ – демодулятор; ФНЧ – фильтр низкой частоты; НБ – нижняя боковая частота. ВБ- верхняя боковая частота (ВБ при передаче срезается ПФ, а при демодуляции сигнала ФНЧ).

В результате амплитудной модуляции образуются верхняя боковая (ВБ) и нижняя боковая (НБ) частоты. На этапе модулирования частотный диапазон ВБ определяется путем сложения несущей частоты генератора и диапазона тональных частот 108+(04)=108112 кГц, а частотный диапазон НБ – 108–(04)=108104 кГц. На этапе демодуляции частотный диапазон ВБ определяется путем сложения несущей частоты генератора и диапазона передаваемых частот 108+(104108)=212216 кГц, а частотный диапазон НБ – 108–(104108)=04 кГц, который и поступает на телефон абонента.

Рис.1.10. Схема аналоговой системы передачи

Маркировка аналоговой системы передачи

Симметричный кабель	Коаксиальный кабель
К-12 12 – 60 кГц К-24 12 – 108 кГц К-60 12 – 256 кГц К-120 12 – 552 кГц	К-300 100 – 1300 кГц К-420 312 – 4584 кГц К-1920 820 – 8500 кГц К-3600 820 – 17600 кГц К-5400 4 – 31 мГц К-10800 4 – 60 мГц

К-12 – система уплотнения на 12 каналов с частотным уплотнением каналов 12 – 60 кГц

Цифровые системы передачи

Цифровые системы передачи основаны на временном разделении каналов. Здесь передача по линии сигналов различных сообщений осуществляется поочередно, т.е. со сдвигом во времени. В этом случае по линии распространяются импульсы (цифровые сигналы). Для этого все виды связи (телефонная, радиовещание, телевидение и др.) предварительно преобразуют в импульсы и кодируют.

В современных цифровых системах получила применение импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) с импульсами микросекундой и наносекундной длительности.

Процесс преобразования во времени аналогового сигнала в последовательность импульсов называются дискретизацией сигнала во времени.

Непрерывный аналоговый сигнал подается на ключ К который при , , включается и в моменты , , выключается. На выходе ключа К сигнал имеет вид последовательности импульсов разной амплитуды. Период следования дискретных отчетов или их число на заданном интервале времени определяется с помощью теоремы Котельникова, суть которой состоит в том, что любой непрерывный сигнал с ограниченным спектром частот можно восстановить по его дискретным отсчетам, если период их следования удовлетворяет условие:

,

где – верхняя частота спектра аналогового сигнала (4 кГц).

Величина обратная , называется частотой дискретизации (8 кГц), т.к. при дискретизации амплитуда импульса соответствует значению сигнала на данный момент времени, то дискретизация аналогового сигнала представляет собой процесс амплитудно-импульсной модуляции (АИМ).

Рис.1.11. Импульсная модуляция

Поскольку при передаче дискретизированного сигнала канал занят только в течение времени передачи каждого импульса, то свободные временные интервала заполняются сигналами других каналов. Такое объединение каналов называется временным разделением каналов. Таким образом, принцип временного разделения каналов основан на том, что в каждый данный момент времени по линии передается сигнал только одного канала, а сигналы других каналов передаются в свои интервалы времени.

Передавать дискретизированный сигнал после АИМ по линии нецелесообразно, т.к. он чувствителен к влиянию помех. Поэтому в цифровых системах передачи его преобразуют в цифровую форму. С этой целью сигнал подвергают квантованию и кодированию.

Сущность квантования амплитуды дискретизированного сигнала, т.е. квантования по уровню, заключается в том, что множество значений амплитуд его импульсов заменяется ограниченным рядом ближайших к ним нормированных значений называемых разрешенными уровнями.

Расстояние между двумя разрешенными уровнями называется шагом квантования . Квантование по уровню равносильно округлению значений дискретизированного сигнала. Разность между значениями квантованного и не квантованного сигнала называется ошибкой квантования. Максимальная ошибка квантования не превышает половины шага квантования . Чтобы помехи квантования имели допустимые значения, шаг квантования не должен быть очень большим, а число разрешенных уровней не должно быть очень малым. Для высококачественной передачи телефонных сигналов необходимо осуществлять квантование по 128 разрешенным уровням. Полученный в результате квантования многоуровневый дискретизированный сигнал в процессе кодирования преобразуются в кодовые группы, состоящие из последовательности импульсов с двумя значениями амплитуд: 1 и 0. Эту функцию выполняет устройство, называемое кодером, а сам процесс называется кодированием. Зависимость между числом элементов в кодовой группе m и числом разрешенных уровней квантованного сигнала определяется выражением . Здесь – число элементов кодовой группы (число разрядов кодовой группы). Если , то . Следовательно, чтобы заменить каждый из 128 уровней дискретизированного телефонного сигнала последовательностью 1 и 0, необходима кодовая группа, состоящая из семи разрядов кодовой группы.

Рис.1.12. Кодирование

Для перехода аналогового сигнала к цифровому необходимы следующие преобразования: дискретизация по времени; квантование по амплитуде; кодирование. Все три процесса осуществляются в одном устройстве, которое называется аналого-цифровым преобразователем АЦП.

Преобразование дискретизированного сигнала в последовательность кодовых групп называется импульсно кодовой модуляцией (ИКМ). Частота следования импульсов кодовых групп называется тактовой частотой системы ИКМ .Частота следования двоичных сигналов или тактовая частота зависит от частоты дискретизации и числа разрядов , т.е.

.

Тактовая частота связана определенной зависимостью с частотой дискретизацией, числом элементов в кодовой группе и числом каналов в системе.

,

где – число каналов

Определим скорость передачи в канале тональной частоты ТЧ и в линейном тракте системы передачи ИКМ-30. Если верхняя частота канала  кГц, число разрядов и число каналов . Частота дискретизации в канале  кГц. Тактовая частота в канале тональной частоты  кГц или скорость передачи 64 кбит/с. Тактовая частота в линейном тракте  кГц или скорость передачи – 2048 кбит/с. Как видно число каналов в каждой группе увеличивается в 4 раза по сравнению с предыдущей; скорость передачи возрастает несколько больше, чем в 4 раза за счет добавления дополнительных символов служебного характера.

Маркировка цифровых систем передачи

Система	Скорость передачи, тактовая частота	Длина регенерационного участка	Число каналов	Направляющая среда
ИКМ-30	2,048	1,5 – 3,0	30	Кабель низкой частоты, световод
ИКМ-120	8,448	3 – 6	120	Симметричный, коаксиальный,световод
ИКМ-480	34,368	2,3 – 3,2	480	КК, световод
ИКМ-1920	139,264	2- 3,5 KK2,6/9,5 1.5-2 KK1,2/4,5	1920	КК, световод
ИКМ-7680	560	1.5 KK2,6/9,5	7680	КК, световод

Достоинства цифровых систем передачи:

1. Качество передачи сигналов не зависит от длины линии, т.к. помехи не накатываются вдоль линии. Отсутствует влияние загрузки многоканальным сигналом системы передачи в целом на параметры отдельного канала, как это имеет место в аналоговых системах передачи.

2. Сигналы всех видов информации - телефонной, передачи данных, видеотелефонной, телевидения и т.д. имеют единую цифровую форму, что позволяет использовать единые средства передачи и коммутации каналов и трактов и повышает экономическую эффективность сетей.

3. Высокая помехоустойчивость системы позволяет использовать кабели с низким значением защищенности между параллельными цепями.

4. Обработка с помощью ЭВМ

Недостаток: канал ТЧ занимает 64 кГц в отличие от 4 кГц АСП.

Достоинством цифровых систем передачи являются: большая дальность связи; облегченные требования к защищенности цепей; возможность не посредственного ввода и скоростной обработки импульсной информации с помощью ЭВМ; автоматизация передачи данных. Недостатком является потребность в более широкой полосе частот - в среднем 69кГц на телефонный канал (при частотной системе 4кГц).