Ключевым понятием телекоммуникационных систем и сетей является канал передачи (или канал электросвязи) [2, 3].
Обратимся ещё раз к обобщённой структурной схеме системы электросвязи (см. рис. 2.2). На ней выделена как система передачи совокупность линии передачи (ЛП) или линии связи, т.е. среды распространения СРП устройств для преобразования первичных электрических сигналов в линеиные, согласованные с линиеи передачи, (ОС) и устройств, осуществляющих обратное преобразование (ОС-1), а также станции коммутации (СК).
Система передачи показана на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Структура системы передачи
Как видно из рис. 5.1, можно считать, что система передачи состоит из линии передачи и двух станций коммутации. При этом наиболее существенным в системе передачи является наличие коммутаторов. Если через систему передачи проходит только один сигнал, нет необходимости в станциях коммутации. В этом частном случае система передачи вырождается в линию передачи.
По системам передачи распространяются независимо друг от друга множество сигналов, от десятков до тысяч и более (это показано на схеме «толстыми» стрелками). В таком случае, когда для передачи всех этих сигналов используется одна линия передачи и одна среда распространения, нужны станции коммутации. С их помощью обеспечивается определённый порядок передачи множества сигналов и разделение их на приёмном конце системы. Благодаря станциям коммутации каждый из передаваемых сигналов распространяется по своему каналу передачи.
Каналом передачи называют совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающую независимую передачу каждого из множества совместно передаваемых сигналов между оконечными и промежуточными пунктами телекоммуникационных сетей.
На приведённой структурной схеме показана N-канальная система передачи сигналов от N источников к N приёмникам с номерами k С [1, N]. В случае, когда N = 1, когда станции коммутации не нужны, и система передачи совпадает с линией передачи, получившиеся одноканальная линия передачи и канал передачи - это одно и то же.
Обратимся к более общему и более важному для практики случаю, когда N>1, т.е. случаю, когда имеем многоканальную систему передачи.
Понятно, что при увеличении числа источников сигнала по ряду причин, в том числе и экономического характера, всегда стремятся передать как можно больше сигналов от разных источников по одной линии передачи. Передача сигналов от различных источников по одной линии называется разделением каналов.
Операция разделения каналов основана на присвоении каждому передаваемому сигналу индивидуального признака, разных значений некоторого существенного для передачи параметра (или параметров).
Известны различные способы разделения каналов. Один из них состоит в том, что спектры передаваемых сигналов с помощью операции транспонирования спектра (преобразования частоты) перемещают по оси частот таким образом, чтобы они не пересекались. Например, пусть есть конечное множество телефонных сигналов, каждый из которых занимает полосу частот от 300 Гц до 3400 Гц. Тогда станция коммутации на передающей стороне системы передачи формирует сигналы, состоящие из гармонических колебаний, находящихся в диапазонах
Как доказано в теории связи, сигналы с непересекающимися спектрами не оказывают влияние друг на друга и распространяются независимо. На приёмном конце станция коммутации разделяет сигналы с разными спектрами на разные выходы и переносит на этих выходах спектры сигналов «обратно» в область частот 300 Гц ... 3400 Гц.
Рассмотренный выше способ называют частотным разделением каналов (ЧРК). Образующиеся при ЧРК каналы называют частотными.
Пионерами в деле частотного разделения каналов являются российские специалисты. Так, ещё в 1880 г. военный связист инженер-капитан Г. Г. Игнатьев применял частотное разделение для одновременной передачи по одной телефонной линии одного телефонного и одного телеграфного сигналов. Другой российский инженер Е. И. Гвоздев организовал в 1893 г. передачу по одной линии одного телефонного и двух телеграфных сигналов. В настоящее время применяют системы передачи с воздушными линиями связи на 120, 300 и 600 каналов. С применением коаксиального кабеля можно создать системы с 10 000 каналов. Если использовать волоконно-оптические линии, можно передавать одновременно 1 млн. сигналов.
Систему передачи с ЧРК широко применяют в настоящее время. По ним передают аналоговые сигналы. Поэтому, системы с ЧРК также называют аналоговыми. Они просты в эксплуатации, достаточно надёжны, обеспечивают хорошее качество передачи сигналов и необходимую дальность связи.
Однако, у них есть крупный недостаток - низкая помехозащищённость, которая тем хуже, чем больше длина линии передачи. От этого недостатка свободен способ временного разделения каналов (ВРК).
В основу метода ВРК положен принцип поочерёдной поэлементной передачи нескольких сигналов по одной линии связи. Сначала по линии передаются первые элементы первого сигнала, затем второго и так до последнего n-го сигнала. Далее передаются вторые элементы снова от первого до n-го сигнала. Подобная операция повторяется цикл за циклом до тех пор, пока не будет переданы последние элементы (значения) всех n сигналов. В итоге получается, что каждый сигнал передаётся в строго определённые интервалы времени. Тогда в системе передачи образуется n временных каналов, называемых ещё физическими каналами.
Результат временного разделения каналов можно отразить графически на временной диаграмме рис. 5.3.
Рис. 5.3. Временное разделение каналов
Как видно из диаграммы рис. 5.3, при ВРК все сигналы должны быть дискретными и, в частности, цифровыми. Поэтому современные системы передачи с ВРК относят к цифровым системам передачи.
Первую в мире многоканальную систему передачи с временным разделением каналов реализовал знаменитый французский инженер Жан Морис Эмиль Бодо (J.M.H. Baudot, 1845-1903), предложивший в 1874 году так называемый принцип двукратного телеграфирования, т.е. способ работы на одну линию двух пар телеграфных аппаратов.
Принцип временного разделения каналов можно пояснить схемой рис. 5.4.
Станция Станция
коммутации коммутации
Рис. 5.4. Принцип временного разделения каналов
Как видно из схемы рис. 5.4, сигналы от трёх телефонных аппаратов поступают последовательно на другие три аппарата с помощью двух синхронно и синфазно управляемых переключателей, находящихся на станции коммутации.
Сравнительно недавно при организации многоканальных систем передачи стал применяться способ кодового разделения каналов (КРК). Он основан на разделении сигналов по их форме, т.е. закону изменения во времени.
История способа КРК начинается с того момента, когда в 1935 г. аспирант Ленинградского электротехнического института связи Дмитрий Агеев опубликовал работу «Основы теории линейной селекции». В ней он показал, что для полного разделения сигналов не обязательно разносить их по частоте или во времени. Можно разделять также сигналы с совпадающей шириной спектра и действующие на одном и том же промежутке времени.
Примерами ортогональных сигналов являются гармонические сигналы кратных частот, а также всякие сигналы с неперекрывающимися спектрами или временами существования. В сотовых телефонах стандарта CDMA для целей КРК применяют так называемые функции Уолша (Walsh). При этом образуются кодовые каналы.
Преимущества систем передачи с КРК - повышенная ёмкость системы, т.е. возможность реализации гораздо большего числа каналов, чем при ВРК или ЧРК. Другое преимущество - возможность качественной передачи сигналов с гораздо меньшей мощностью, чем та, что необходима для систем с ВРК или ЧРК.
Рассматривая многоканальные системы передачи, необходимо отметить, что назначение каналов системы может быть различным. Например, при реализации системы с ВРК нужно предусмотреть специальные каналы, по которым необходимо передавать сигналы, обеспечивающие синхронную и синфазную работу ключей на станциях коммутации, т.е. передавать дополнительную служебную информацию для обеспечения работы системы связи.
Каналы, отличающиеся по виду или составу передаваемой информации, называют логическими. Примеры логических каналов - каналы трафика или каналы управления (сигнализации).
Для нашего примера с ВРК канал управления - тот, по которому передаются сигналы, управляющие переключателями - сигналы синхронизации.
Канал трафика - это логический канал передачи той информации, ради которой создана система связи, т.е. передачи речи, музыки, изображений, данных и т. п.
Термин «трафик» происходит от английского слова «traffic», т.е. поток информации или транспорта и означает совокупность (поток) сообщений, передаваемых по линии связи.
Заканчивая рассмотрение систем и каналов передачи, необходимо отметить, что в многоканальной системе одни устройства являются общими для всех каналов, а другие - нет.
Устройства, используемые сразу для всех каналов, образуют линейный тракт передачи.