Обобщенная структурная схема системы электросвязи и преобразование сигналов различной физической природы в электрический сигнал
ЭВОЛЮЦИЯ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
1.1. Теоретические сведения и контрольные вопросы
Телекоммуникационная и информационная составляющие в современных инфокоммуникационных системах
Современные инфокоммуникации представляют собой технологическую систему, содержащую две составляющие – телекоммуникационную и информационную. Телекоммуникации, олицетворяющие собой средства доставки различной информации (речь, видео, данные) с помощью электрических сигналов, являются транспортной основой современной инфокоммуникационной системы. Образованные такими средствами сетевые структуры в соответствии с отечественной терминологией ранее назывались сетями электросвязи (в настоящее время – телекоммуникационными системами), в отличие от информационных (информационно-вычислительных, компьютерных) сетей, основу которых составляли средства хранения, обработки и поиска данных.
В прошлом телекоммуникационные и информационные технологии развивались, практически, самостоятельно. Судить о том, какая из этих составляющих имеет более давнюю историю сложно. Все зависит от того, что брать за точку отсчета. Например, для информационных технологий (ИТ), в качестве ранней точки отсчета можно рассматривать первые попытки древнего человека делать счетные зарубки, а в качестве самой поздней - появление вычислительной техники и первого программного обеспечения, после чего дальнейшее развитие ИТ стало непосредственно связано с развитием компьютерного аппаратно-программного обеспечения. Информационные сети (как комплекс технических средств) появились позднее информационных технологий. Они начали создаваться в середине XX века с целью объединения друг с другом первых вычислительных машин (больших ЭВМ) и назывались информационно-вычислительными сетями (ИВС). Для транспортировки данных в ИВС использовались специально организованные каналы передачи данных, сначала на основе типовых каналов и трактов телефонных и телеграфных сетей, а затем га основе специализированных сетей передачи данных (СПД). По сути, ИВС представляли собой объединение вычислительных устройств и средств электросвязи. В отличие от традиционных сетей электросвязи, построенных на основе коммутации каналов (КК), в ИВС использовали другие методы - коммутацию сообщений (КС) и коммутацию пакетов (КП). Таким образом, развитие передачи данных как отдельного вида электросвязи в первую очередь было связано с применением больших ЭВМ. Далее, по мере развития вычислительной техники и появления сначала малых ЭВМ, потом персональных компьютеров, с целью оперативного обмена информацией стали создаваться небольшие локальные вычислительные сети (ЛВС); потом в них начали использовать серверы - специализированные мощные компьютеры, к ресурсам которых имели доступ многие пользователи. Круг задач, решаемых компьютерными сетями, постоянно расширялся, что повышало специфичные требования к ним и способствовало появлению новых сетевых компьютерных технологий, систем управления базами данных (СУБД) и т.п. Таким образом, на непродолжительный срок пути развития телекоммуникационных и информационных сетей разошлись. Со временем, когда возникла необходимость в объединении разрозненных информационных сетей, находящихся на большом расстоянии друг от друга, появился Интернет (inter – между, net – сеть), который, по сути, стал «сетью сетей», так как объединил множество локальных сетей в глобальную сеть. Начав с передачи данных, Интернет освоил IP-телефонию и оказался способным составить конкуренцию традиционным телефонным сетям.
Слияние информационных сетей с телекоммуникационными – результат процесса конвергенции, начавшегося в 1990-х гг., и продолжающегося по сей день. В качестве инфокоммуникационной инфраструктуры глобального информационного общества в наши дни рассматриваются сети NGN. С одной стороны, их архитектура имеет немного общего как с традиционными сетями электросвязи, так и с информационными сетями. С другой стороны, принципы построения NGN возникли не на пустом месте, а стали итогом многолетней эволюции телекоммуникационных и информационных сетей. Рассматривать эту эволюцию представляется целесообразным в контексте появления различных видов электрической связи, отличительным элементом которых является оконечное (терминальное) оборудование, такое как телеграф, телефон, радиоприемник, телевизор и т.п.
Обобщенная структурная схема системы электросвязи и преобразование сигналов различной физической природы в электрический сигнал
Передаваемая информация может быть представлена в различных формах, которые принято называть сообщениями. Физиологические способности человека определяют возможность восприятия им информации через посредство звука (речи, акустического сигнала и т. п.), неподвижного или подвижного изображения (светового сигнала) или в виде знаков некоторого алфавита. Сообщения формируются в одном из указанных видов и классифицируются соответствующим образом (речевые, звуковые, графические, видео, текстовые и т. д.). Наиболее удобным для восприятия человеком и передачи на расстояние является свет (оптические сообщения), а также звук (звуковые сообщения). Поэтому в доэлектрическую эру для передачи информации на расстояние люди пользовались кострами и факелами, барабанной дробью и рупорами.
Передача сообщений сводится к их переносу в пространстве из одной точки в другую. Осуществляться такая доставка может двумя способами. Первый способ предполагает доставку сообщений посредством транспортных средств (почтовая связь), второй – с помощью электрических сигналов (электросвязь). С помощью электрического тока передаются сообщения звуковые(речь, музыка) и оптические, как в форме неподвижных объектов (рисунков, фотографий, чертежей, текстов, газетных полос и т.п.), так и в форме подвижных изображений (видео). Кроме звуковых и оптических сообщений передаче посредством электрического тока подлежат данные - закодированные слова, цифры, алгоритмы и т.п. Электрический сигнал удобно использовать в качестве переносчика сообщения в силу того, что его параметры можно менять в соответствии с законом изменения информационного параметра сообщения. Этот процесс называется модуляцией и используется в любой системе электросвязи – в передатчике осуществляется модуляция, в приемнике – демодуляция.
Обобщенная структурная схема системы электросвязи одинакова для передачи любых видов сообщений. Передатчик, канал связи, приемник – вот основные элементы телеграфных, телефонных систем связи, радиосвязи и радиовещания, телевидения, если рассматривать коммуникационный процесс в терминах прямой связи между отправителем и получателем сообщения. Электрические сигналы, отображающие сообщение (например, звук, оптическое изображение, текст) при помощи передатчика преобразуются в электрические сигналы, характеристики которых хорошо согласуются с характеристиками канала связи. В состав канала связи входят различные технические устройства и среда распространения сигнала. В процессе передачи электрический сигнал подвергается помехам. Средой распространения электрического сигнала могут быть искусственные сооружения (проводные линии связи), или открытое пространство. И в том, и другом случае сообщение передается посредством распространения электромагнитных волн. В приемном устройстве электрические сигналы обратно преобразуются в сигналы сообщения в виде звука, оптической или текстовой информации
Каждый новый вид связи, открываемый человеком, вносил свои особенности в структурную схему системы электросвязи. Прежде всего, эти особенности проявлялись в оконечных (терминальных) устройствах, предназначенных для преобразования сигналов различной физической природы в электрический сигнал (в передатчике) и обратного преобразования (в приемнике).
При передаче звука на передающем конце происходит преобразование звуковых (акустических) колебаний в электрические. С этой целью в электросвязи используются микрофоны, различные по принципу действия и конструкции. Наиболее известными являются угольные микрофоны и электродинамические. В угольных микрофонах под воздействием звукового давления на мембрану меняется плотность угольного порошка; соответственно, меняется сопротивление электрическому току. В результате величина тока в цепи точно повторяет закон изменения звукового давления, действующего на мембрану. В электродинамическом микрофоне используется явление электромагнитной индукции. Катушка, находящаяся в поле постоянного магнита, колеблется вместе с соединенной с ней диафрагмой, на которую воздействует звуковое давление. Изменение напряжения, возникающего при этом на зажимах катушки, соответствует звуковым колебаниям. Обратный процесс преобразования электрического сигнала в звук осуществляется на приемной стороне либо в телефоне, либо в громкоговорителе. Существуют различные типы громкоговорителей, что объясняется условиями их применения и соответственно различными техническими требованиями. Одни из них используются в бытовой аппаратуре звукового вещания (встроенные в эфирные радиоприемники динамики, звуковые колонки), другие - в концертных залах, третьи – для озвучивания площадей, стадионов и т.п. Любой громкоговоритель имеет элемент, реагирующий на изменение электрического тока или напряжения звуковой частоты. Этот элемент, в конечном счете, вызывает механические колебания звуковой частоты – звук.
Микрофон и телефон конструктивно объединены в микротелефонную трубку, являющуюся составной частью телефонного аппарата. Имеются сотни модификаций телефонных аппаратов, отличающихся типами микротелефонов, принципами набора номера, конструктивным исполнением и т.п. Для осуществления телефонной связи, кроме телефонного аппарата, необходим телефонный канал связи. Канал связи состоит из технических средств, осуществляющих преобразование и усиление электрического сигнала, соединение (коммутацию) соответствующих участков линий связи, и среды распространения.
Для реализации звукового вещания кроме микрофона (передатчика) и громкоговорителя (приемника) также необходим канал связи. Канал звукового вещания – односторонней направленности и беспроводной - на первый взгляд представляется совершенно иным, чем телефонный. Тем не менее, в его составе есть технические средства аналогичные тем, что применяются при организации телефонной связи. Главное отличие – это односторонний характер связи (от одного - к многим), а также наличие передающей и приемной антенн.
Оптические сообщения, передаваемые по системам электросвязи, представляют собой подвижные или неподвижные изображения. Неподвижные изображения, с целью преобразования оптического сигнала в электрический, наносятся на специальные носители (бумагу, пленку и др.). Информационным параметром неподвижных изображений является коэффициент отражения, определяемый как отношение светового потока, отраженного от участка изображения, к потоку, падающему на этот участок. Для преобразования неподвижных изображений в электрический сигнал используют фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. Пример устройства, предназначенного для передачи неподвижных изображений – факсимильный аппарат. Передача газет, как вид электросвязи, является разновидностью факсимильной связи и не имеет отличий в схемной реализации. При передаче подвижных изображений используются аналогичные физические принципы с той лишь разницей, что существенно выше скорость считывания светового потока с элементарных участков изображения (скорость развертки). Для преобразования подвижных изображений в электрический сигнал используют специальные приборы – передающие электронно-лучевые трубки, например, видикон. На приемном конце для преобразования электрического сигнала в оптический в случае неподвижного изображения используют, как правило, различного рода пишущие устройства. Подвижные изображения можно восстанавливать посредством специальных приемных электронно-лучевых трубок – кинескопов, в которых применяется свойство люминофоров светиться под действием падающего на них потока электронов. В телевизоре конструктивно объединены преобразователь высокочастотного радиосигнала в низкочастотный (информационный) видеосигнал и кинескоп. В современных телевизорах с жидкокристаллическими и плазменными экранами применяются иные механизмы преобразования электрических сигналов в оптические.
Система телевизионного вещания, как и система радиовещания строилась как широковещательная (от одного к многим). Отличительной чертой системы телевещания является наличие двух самостоятельных каналов – одного для видеоизображения, другого – для звукового сопровождения.
Свои особенности имеют оконечные устройства, предназначенные для передачи данных. Термином «данные» обозначается информация представленная в виде, пригодном как для обработки (хранения), так и для передачи букв, цифр, символов. Прежде, чем их подвергнуть преобразованию в электрические посылки (импульсы), предназначенные для передачи в канал связи, необходимо осуществить процесс кодировании и распределения элементов кодовой комбинации во времени. На приемной стороне осуществляется обратная процедура, состоящая из следующих этапов: последовательный поэлементный прием сигнала, в результате чего электрические импульсы преобразуются в элементы кодовой комбинации; накопление (запоминание) элементов комбинации, в результате чего восстанавливается кодовая комбинация; декодирование комбинации, т.е. определение знака, соответствующего принятой комбинации, печать знака на бумаге.
Первыми оконечными (терминальными) устройствами передачи данных принято считать телеграфные, которые использовались для обмена сообщений в виде закодированных телеграфных посылок. Наиболее известным в наши дни оконечным устройством передачи данных является компьютер.
Как упоминалось выше, обобщенная структурная схема системы электросвязи одинакова для передачи любых видов сообщений, когда речь идет о прямом соединении отправителя и получателя сообщения. Эта схема представляет самую простую сетевую структуру «точка – точка» («каждый с каждым»), но ее использование оправдано для соединения буквально нескольких источников сообщений. Поэтому уже на заре развития первых видов электрической связи стали применять коммутаторы и строить сети, на основе переключаемых коммуникационных звеньев, обеспечивающих возможность соединения между многими оконечными устройствами. В электросвязи использовали два вида сетевых структур: в телеграфной и телефонной связи – коммутируемую (двустороннюю) конфигурацию, в радиовещании и телевещании – широковещательную (одностороннюю) конфигурацию. В коммутируемой сети каждый абонент по своей собственной линии соединяется с коммутатором. Коммутатор действует (и на прием, и на передачу) как посредник, соединяя два оконечных устройства (например, телефонные аппараты) либо напрямую, либо через другие коммутаторы, связанные соединительными линиями. При использовании широковещательной конфигурации среда используется всеми оконечными устройствами совместно, и отправляемые сообщения принимаются всеми терминалами (например, эфирными радиоприемниками или телевизорами).
Таким образом, разнородность форм представления информации и разновременность открытия способов их доставки посредством электрических сигналов стала источником существования в течение многих лет различных видов электросвязи (табл. 1.1).
Таблица 1.1.
| Виды электросвязи | ||||||
| Передача звуковых сообщений | Передача неподвижных изображений | Передача подвижных изображений | Передача закодированных сообщений между ЭВМ | |||
| Звуковое вещание | Телефонная связь | Телеграфная связь | Факсимильная связь | Передача газет | Телевизионное вещание | Передача данных |
В советское время классификация по виду передаваемых сообщений сетей электросвязи, предоставляющих услуги населению и организациям, была закреплена в государственных нормативных документах. Структура таких сетей, как было отмечено выше, выбиралась в соответствии с особенностями передачи и распределения потоков сообщений, характерными для конкретного вида электросвязи.
Такая разобщенность отрицательно сказывалась на развитии электросвязи и удовлетворении потребностей в ней как населения и организаций, так и целых ведомств. Стационарная телефонная связь для населения долгие годы входила в разряд дефицитных услуг. Ведомства находили выход в том, что строили собственные сети. В нашей стране это вылилось в создание большого количества новых, изолированных друг от друга ведомственных сетей со своим оборудованием и обслуживающим персоналом. Так появились телефонные сети железнодорожников, металлургов, нефтяников, промышленных объединений и многие другие. В итоге к 1960-м гг. в нашей стране сложилась ситуация, когда при большом количестве связного оборудования эффективность его использования в масштабах страны была низкой.