Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 6. Методи доступу   /  Тема 6.5. Методи використання фізичних ресурсів у мережах доступу

Зміст:

6.5.1. Методи використання частотно-часового ресурсу в проводових та оптичних лініях доступу

Успішне розв’язання завдань доступу безпосередньо залежить від методів використання фізичних параметрів: часових t, частотних f, просторових , поляризаційних , адже основні методи доступу базуються саме на цих параметрах. У проводових лініях зв’язку використовуються частотні та часові параметри, в оптоволоконних до цих додаються ще і поляризаційні, в радіолініях використовуються всі чотири.

Проте просторово-поляризаційні параметри донедавна використовувались лише пасивно: їх необхідно було враховувати як супровідні. З появою частотного дефіциту фахівці все більше приділяють увагу просторово-поляризаційним параметрам, що забезпечує розв’язання низки завдань в умовах обмежень фізичних ресурсів.

У задачах доступу і в задачах модуляції присутній один і той же об’єкт — сигнал, тому від того, як забезпечується модуляція, залежить метод доступу. Зворотне також справедливо. Так, від ширини смуги модульованого сигналу ΔFc залежить кількість станцій, яким надається доступ у смузі частот прийому точки доступу ΔFT. Розглянемо основні характеристики сигналів, що беруть участь у задачах доступу.

Передача сигналів у мережі доступу головним чином здійснюється у вигляді двійкових елементів «1» і «0». При цьому можлива передача цих сигналів безпосередньо в лінію і через аналогові модеми.

Безпосередня передача цифрових сигналів в електричних і оптичних лініях, як правило, відбувається з використанням перетворювачів або конверторів лінійних сигналів, у яких на передачі формується лінійний сигнал у відповідному коді. Для узгодження електричної лінії і передавача використовується трансформатор. Для передачі інформації по оптичній лінії відбувається перетворення електричного сигналу в оптичний сигнал шляхом модуляції джерела світла. Джерело світла (світлодіод або напівпровідниковий лазер) повинно бути погоджено за характеристиками з оптичним волокном. Найбільшу потужність і концентрацію енергії в просторі забезпечує лазер, але при цьому перетворювач має і більшу вартість, ніж світлодіодний варіант передавача.

Приймач сигналів електричної лінії узгоджується з парою дротів через трансформатор. При цьому приймач регенерує (відновлює) форму і тривалість електричних імпульсів. Приймач сигналів оптичної лінії перетворить енергію оптичного випромінювання, що прийшло від передавача по світловоду, в електричний сигнал, підсилює його і також регенерує, тобто відновлює форму і тривалість кожного електричного імпульсу.

Лінійне кодування сигналів для електричної й оптичної ліній, як правило, різне. Наприклад, в електричних лініях часто використовуються коди:

Рис. 6.5.1. Приклади діаграм кодів електричних ліній

Рис. 6.5.2. Спектри сигналів HDB3, 2B1Q.CAP

HDB-3 (High Density Bipolar) — біполярний код високої щільності порядку 3;

AMI (Alternate Mark Inversion) — лінійний код з інвертуванням;

NRZ (Non Return to Zero) — без повернення до нуля на тактовому інтервалі;

2B1Q — код з перетворенням двох двійкових символів в один четвірковий.

Часові діаграми цих кодів наведено на рис. 6.5.1, а спектральні — на рис. 6.5.2.

Використання розглянутих кодів для передачі сигналів в оптичних лініях проблематичне, оскільки передавати від’ємну оптичну потужність неможливо, а для використання багаторівневої модуляції яскравості випромінювання необхідне істотне ускладнення схеми приймача. Тому в оптичній передачі майже виключно застосовуються дворівневі лінійні коди. Приклади цих кодів:

  • код з інверсією символів (Coded Mark Inversion, CMI) (рис. 6.5.1);
  • блоковий код mBnB, де t двійкових символів заміщаються групою з n двійкових символів, причому n > t.

Скрембльований NRZ — код, у якому відбувається встановлення паритетного числа двійкових «0» і «1» через процедуру складання за модулем 2 інформаційної і квазівипадкової двійкових послідовностей.

У мережі доступу для передачі сигналів можуть бути задіяні:

  • одна пара дротів;
  • дві пари дротів;
  • одне оптичне волокно;
  • пара оптичних волокон.

Використання однієї пари дротів для дуплексної передачі можливе завдяки застосуванню адаптивної компенсації завад передавача своєму приймачу. Використання одного оптичного світловода можливе для передачі і прийому на різних довжинах хвиль і на одній хвилі завдяки спрямованому оптичному розгалужувачу.

Використання двох пар дротів або пари світловодів надійно забезпечує роздільну передачу і прийом сигналів. Окрім того, в 4-проводовій електричній лінії може бути гарантована передача електричного струму для живлення проміжних регенераторів. Схему організації живлення подано в розділі 13.

Передача електричних сигналів у лініях за допомогою модемів отримала останніми роками широку популярність. Це обумовлено можливістю доставки широкосмугових сигналів (високошвидкісних повідомлень) до користувачів по низькочастотних лініях (по телефонних лініях). При цьому, як правило, забезпечується висока завадостійкість інформаційних сигналів і досить великі ділянки передачі (від сотень метрів до декількох кілометрів). Загальна назва модемних методів широкосмугової передачі -хDSL (x Digital Subscriber Line) x цифрова абонентська лінія.

Індекс «х» позначає один з різновидів технології: А — асиметрична; RA — асиметрична з автоматичним налагодженням швидкості передачі; М — підтримує багато швидкостей передачі; S — проста двопроводова передача; I — низькошвидкісна для ISDN; H — високошвидкісна; SH — симетрична високошвидкісна; V — дуже швидка передача.

Технологія xDSL має внутрішні підрозділи на низькошвидкісні і високошвидкісні рішення, які залежать від виду аналогової або цифрової модуляції. Наприклад, може застосовуватися модуляція 2B1Q, QAM, CAP, DMT.

Скорочення: QAM, Quadrature Amplitude Modulation — амплітудна квадратурна модуляція; CAP (Carrierless Amplitude/Phase) — амплітудно-фазова модуляція без носійної; DMT (Discrete Multitone) — дискретна багаточастотна модуляція.

Модуляція QAM є різновидом багатопозиційної амплітудно-фазової модуляції. Алгоритм QAM широко використовується для побудови модемів. При цьому сигнал, що передається, кодується одночасними змінами амплітуди синфазної (I) і квадратури (Q) компонент носійного гармонічного коливання (fc), які зсунуті за фазою один відносно одного на радіан. Результуючий сигнал формується при підсумовуванні цих коливань:

Zm = Imcos(2πfct) + Qmsin(2πfct),(6.5.1)

де t має діапазон змін від (m – 1)Δt до mΔt; m — порядковий номер дискрета; Δt — крок квантування вхідного сигналу в часі; Im = αmρ; Qm = βmρ; ρ — крок квантування вхідного сигналу за амплітудою; αm i βT — модуляційні коефіцієнти.

Таким чином, при використанні QAM передавана інформація кодується одночасною зміною амплітуди і фази носійного коливання. QAM має різновиди, які позначаються числом, кратним 2N, де N відповідає показнику спектральної ефективності. Найбільшого поширення набули QAM-4, 16, 32, 64, 128, 256.

Алгоритм кодування QAM-4 відомий під назвою фазова квадратурна модуляція (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK).

Перевага QAM — простота реалізації, досить високі показники спектральної ефективності, тобто незначне розширення спектра, висока завадостійкість, можливість використання в дуплексних системах. Недолік QAM — відносно невисокий рівень корисного сигналу в спектрі модульованого коливання.

Модуляція САР є одним з різновидів сигналів QAM. Його особливість полягає в спеціальній обробці модульованого інформаційного сигналу перед передачею в лінію. В процесі цієї обробки із спектра модульованого сигналу виключається складова, яка відповідає частоті носійного коливання QAM. Приймач має відновити носійне коливання, а потім інформаційний сигнал. Модуляція САР здатна забезпечити максимальне співвідношення сигнал/завада і передачу сигналів на великі відстані по мідних лініях.

Модуляція DMT належить до основних видів модуляції для технологій ADSL і VDSL. У DMT принципово інша побудова алгоритму модуляції, ніж у QAM-CAP. Тут застосовується не одна, а група частот носійних коливань. У DMT передбачено ділити весь виділений частотний діапазон на декілька ділянок по 4,3125 кГц. Кожна спектральна ділянка використовується для організації незалежного каналу передачі даних. На рис. 6.5.3 подано можливі варіанти частотних спектрів для передачі по мідних лініях.

Рис. 6.5.3. Спектри модуляції DMT

У кожному частотному каналі може відбуватися перевірка завадової ситуації. За наслідками оцінки завадової ситуації в кожному з каналів вибирається відповідна модуляційна схема. В кращих каналах може застосовуватися QAM-64, а в зашумлених — QPSK.

Перевагою DMT є забезпечення високошвидкісних режимів передачі даних. Недолік DMT — його складність реалізації апаратними засобами.