1.6. ТЕХНИКА СВЯЗИ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Для изучения вопросов передачи данных в указанном широком смысле, а также для постановки и исследования возможностей

решения возникающих при этом задач необходимо рассмотреть ряд областей техники связи. Обзор, проводимый далее с этой целью, одновременно представляет собой краткое изложение содержания обоих томов данной книги.

Основные понятия техники связи. Данные опретделяют как информацию, представленную в форме, обеспечивающей (техническую) обработку; цифровые данные состоят из знаков. Передаваемая информация, например знаки некоторого алфавит, путем кодирования представляется в виде двоичных символов, отдельных элементов сообщения; при этом может систематически вводиться избыточность, позволяющая обнаруживать и корректировать в декодере ошибки, возникающие в линии связи. Электрические сигналы, приводимые в соответствие двоичным символам для их передачи электрическим путем, имеют определенную минимальную длительность и следуют друг за другом с определенной скоростью модуляции. Теория информации устанавливает границы возможностей передачи данных имеющимися средствами и обеспечивает тем самым объективную оценку технических свойств систем передачи.

Каналы связи. Для передачи данных первоначально использовались те же каналы связи, что и для передачи сигналов речи, радиовещания и телевидения. При этом передача на малые расстояния осуществлялась преимущественно по парам жил низкочастотных кабелей, а на большие расстояния — по парам жил пупинизированных кабелей, а также по каналам тональной частоты (ТЧ) и группам каналов (например, по первичным группам) в системах с частотным разделением каналов (ЧРК). Все большее значение приобретают системы с ИКМ. При выборе способов передачи данных, а также при проектировании и эксплуатации АПД в первую очередь должны приниматься во внимание неравномерность затухания и группового времени замедления (ГВЗ) в заданной полосе частот и влияние различных помех.

Методы передачи данных. В соответствии со свойствами каналов связи имеется ряд методов передачи данных. Некоторые из них, в случае использования пар жил низкочастотных кабелей, касаются передачи сигналов в первичной полосе частот, т. е. без модуляции, другие (при передаче сигналов по каналам с ограниченной полосой пропускания, например по каналам ТЧ или по первичным группам в системах с ЧРК) используют модуляцию несущей. При этом в соответствии с передаваемыми двоичными знаками могут изменяться амплитуда, частота или фаза несущего колебания.

Для передачи данных особый интерес представляет достижимая скорость передачи. Преобразование двоичных знаков в сигналы, имеющие более двух состояний (уровней), и передача с одной боковой полосой или с частично подавленной боковой полосой

позволяют существенно повысить скорость передачи по заданному каналу.

Особой проблемой при синхронных способах передачи является тактовая синхронизация из принимаемого сигнала; кроме того, при некоторых методах демодуляции требуется восстановление несущего колебания. Различие в форме сигналов и их спектров при разных методах передачи ведет к различной чувствительности сигналов к действию помех. Поэтому методы передачи характеризуются также различными вероятностями ошибок при приеме сигналов на фоне шума.

Учет свойств реальных каналов при передаче данных. Неравномерность затухания и ГВЗ, а также другие отклонения свойств реальных каналов связи от идеальных ухудшают качество передачи. Для оценки возможностей применения различных методов передачи по реальным каналам связи привлекаются критерии, характеризующие отличие принимаемого сигнала от переданного; к ним относятся вероятность ошибки, т. е. частота неверных отсчетов, среднеквадратическое отклонение отсчетов от заданных значений, глазковая диаграмма и краевые искажения.

В той мере, в какой влияние канала связи на передачу сигналов практически постоянно во времени, например, при неравномерности затухания и ГВЗ и при сдвигах частоты, оно может быть в значительной степени скорректировано. Таким образом часто удается существенно улучшить качество связи. Принимаемый сигнал может корректироваться в частотной или временной области. В то время как частотный корректор большей частью выравнивает средние значения затухания и ГВЗ («компромиссный» корректор), корректор, действующий во временной области, особенно хорошо настраивается на индивидуальные оптимальные значения.

Коммутация данных. Во многих случаях соединения между оконечными установками осуществляются через узлы сети и необходимы только временно; они могут устанавливаться и разъединяться по мере надобности. При этом происходит процесс коммутации. Переключатели в узлах сети с коммутацией каналов устанавливают непосредственное соединение между соответствующими оконечными установками, что практически равнозначно временному включению постоянного соединения. Однако для функционирования сети передачи данных может оказаться более выгодным передавать информацию только по мере возможности по отдельным участкам и хранить для дальнейшей передачи в узлах коммутации. При таком методе коммутации сообщений могут распределяться и передаваться либо полные сообщения, либо их части — «пакеты».

Наряду с коммутацией каналов важную роль играет управление установлением и разъединением соединений, в соответствии с определенной системой сигнализации передаются сигналы

управления между оконечными установками и узлами коммутации, а также между узлами коммутации. К задачам управления относится и формирование закрытых категорий (классов) абонентов, а также обеспечение специальных видов услуг (прямой вызов, сокращенный вызов, циркулярные передачи и т. п.). Основой для экономического расчета коммутаторов и сети с учетом параметров нагрузки (например, средней длительности занятия или среднего количества вызовов в единицу времени) служат исследования по теории телетрафика.

Аппаратура передачи данных. Данные могут передаваться с помощью надлежащих устройств связи по телефонным сетям, сетям передачи данных или некоммутируемым каналам; во всех случаях в оконечной установке между АПД и оконечным оборудованием имеется некоторый стык (интерфейс), не зависимый от свойств передающей аппаратуры, канала связи и регламентируемый международными стандартами. Аппаратура передачи данных по телефонным сетям — модемы — подключается у абонентов вместо телефонов к линии связи; соединение при этом может устанавливаться не только с помощью устройств, применяемых в телефонных аппаратах, но и посредством специальных вызывных устройств, управляемых оконечным оборудованием через собственный стык.

В сетях передачи данных следует различать два вида работы АПД - когда она служит для подключения к сети отдельных абонентов и когда она обеспечивает подключение групп каналов с временным или частотным разделением, например, между коммутаторами.

На основе некоммутируемых соединений также могут быть организованы отдельные каналы (например, с модемами) и группы каналов. Принцип построения аппаратуры передачи данных определяется свойствами канала связи: низкочастотный кабель, телефонный канал, широкополосные и ИКМ каналы требуют устройств с соответственно различными методами передачи.

Устройства коммутации сетей данных. Устройства коммутации имеются в сетях передачи данных как с коммутируемыми, так и некоммутируемыми узлами. В коммутируемых узлах они могут работать с применением промежуточного запоминания данных либо без него. Если к коммутатору или центральному пункту подключен ряд периферийных оконечных установок с небольшой интенсивностью нагрузки, то важное значение приобретает применение концентраторов. Чтобы упростить конструкцию, часто некоторые функции коммутационного оборудования (как, например, обеспечение специальных услуг — прямой вызов, сокращенный вызов и др.) передаются от концентраторов вышестоящим оконечным установкам. Устройства распределения данных в некоммутируемых узлах (устройства кроссовой коммутации) постоянно

связывают между собой все оконечные установки; ходом передачи данных в таких сетях управляет само оконечное оборудование.

В сетях передачи данных с коммутируемыми узлами коммутационные операции осуществляются также и в оконечных установках; в частности, при управлении установлением и разъединением соединений происходит взаимодействие устройств коммутации, имеющихся в оконечных установках и в узлах сети. В общем случае сигналы управления формируются и распознаются специальными устройствами автоматического вызова, однако оконечное оборудование данных может и само через свой стык посылать такие сигналы на блоки АПД или принимать их от АПД и обрабатывать, т. е. брать на себя часть функций устройств коммутации в узлах сети.

Сети передачи данных. Устройства коммутации и аппаратура передачи данных вместе с каналами связи являются основными составными частями самостоятельных сетей передачи данных. Наряду с сетями, содержащими некоммутируемые узлы и называемыми некоммутируемыми, как правило, частными, организуются самостоятельные сети передачи данных с коммутируемыми узлами — коммутируемые сети; чаще всего это сети передачи данных общего пользования.

В то врем» как основные характеристики сетей передачи данных общего пользования согласованы в международных рамках [1.12, 1.15], принципы их внутреннего построения весьма различны. В соответствии со способом функционирования устройств коммутации в узлах различают сети с коммутацией каналов, в которых осуществляются прямые соединения между оконечными установками (рис. 1.5а), и сети с коммутацией сообщений, в которых коммутаторы узлов сети имеют промежуточные запоминающие устройства и в которых данные передаются по частям от коммутатора к коммутатору и, наконец, к приемному пункту (рис. 1.56).

Обычные сети с коммутацией каналов, как, например, телеграфные сети и уже организованные в отдельных странах сети передачи данных, являются асинхронными, т. е. работают без центральной тактовой синхронизации. Поскольку при таком принципе построения сети интервалы передачи и коммутации независимы и четко отделимы друг от друга, здесь возможен переход к новой технике, например переход от частотного к временному разделению каналов в зависимости от экономической и производственной целесообразности (рис. 1.6а) [1.16]. В противоположность этому общая тактовая синхронизация устройств передачи и распределения информации в сети передачи данных позволяет коммутаторам взять на себя кроме функций пространственного распределения каналов и функции их временного распределения; по техническим

причинам устройства разделения каналов в узлах коммутации в дацном случае не нужны (рис. 1.66). Таким образом, в результате объединения (интегрирования) функций аппаратуры коммутации и передачи информации получается сеть, известная в международной литературе под названием IST-сеть (Integrated Switching and Transmission) - интегральная цифровая сеть связи, ИЦСС [20, 25].

В сетях с коммутацией сообщений реализация некоторых операций, например преобразования кодов и скоростей, упрощена; крсцме того, во многих случаях особенно эффективно могут быть использованы каналы связи между узлами коммутации.

Кроме того, в таких сетях оконечные устройства практически загружены процессом передачи данных только в течение времени, когда они фактически нуждаются в приеме и передаче информации, в отличие от сетей с коммутацией каналов, где каждое соединение занято на протяжении всего сеанса связи, независимо от вида и объема действительного обмена данными.

Рис. 1.5. Коммутируемые сети: с коммутацией каналов (установлены соединения с коммутацией сообщений (во время передачи определенных сообщений для оконечных установок по сети эти установки не заняты)

Функционирование сети с коммутацией сообщений можно сделать более гибким, если от одного узла коммутации к другому передавать не полные сообщения, как в коммутируемых сетях с запоминанием, а лишь их части — «пакеты», как это делается в сетях с пакетной коммутацией [1.17, 9]. Тем самым можно уменьшить время передачи сообщения, так как при различных скоростях на разных этапах передачи коммутаторы не должны ожидать

поступления всего сообщения; кроме того, благодаря возможности передавать отдельные части сообщений обходным путем легче приспособить сеть к различной, степени загруженности.

Рис. 1.6. (см. скан) Сети с коммутацией каналов: а) без синхронизации (показано подразделение соединительного тракта на тракт передачи и тракт коммутации V); б) с синхронизацией

Наконец, при построении сетей передачи данных важное значение имеет целесообразная конфигурация сети, т. е. расположение и связи ее узлов. В сетях передачи данных общего пользования, все.

узлы которых в основном равноценны для обмена информацией», наиболее распространены иерархические связанные сети; они состоят, например, из одной низшей области, построенной из звездообразных сетей, и из одной высшей области, узлы которой соединены друг с другом в сеточную структуру. В частных сетях дело часто обстоит иначе. В большинстве случаев там должно осуществляться соединение многих устройств ввода — вывода с одним или несколькими устройствами обработки данных. При этом получается другое подразделение нагрузки, и тем самым справедливы другие предпосылки для выбора конфигурации сети по сравнению с сетями передачи данных общего пользования.

Передача данных по коротковолновым радиоканалам. В отдельных случаях, например внутри малых стационарных или подвижных радиосетей, которые применяются в прессслужбе, бюро погоды, посольствах, органах полиции и армии, для обмена данными используется коротковолновая радиосвязь. С помощью коротких волн (область частот от 3 до 30 МГц) могут быть перекрыты значительные расстояния при сравнительно низких затратах. Большая дальность распространения коротких волн обусловлена их отражением от слоев ионосферы. Правда, постоянные изменения структуры и положения этих слоев и плотности ионов приводят к тому, что оптимальная область частот изменяется во времени и вследствие интерференции волн, достигающих приемной антенны по разным путям, появляются колебания амплитуды сигнала [1.18, 1.19, 13]. Эти отличительные черты радиосвязи делают необходимым применение специальных методов передачи и защиты от помех, а также приемопередающей аппаратуры, допускающей адаптацию системы связи к изменяющимся условиям передачи. Влияние интерференционных замираний преодолевается, например, с помощью разнесенного приема: приемное устройство осуществляет прием, по меньшей мере, на одну из 1 многих пространственно» удаленных друг от друга антенн (пространственное разнесение)или на одной из многих несущих частот (частотное разнесение). Наряду с этим для передачи по радиоканалам часто применяются специальные коды, которые обеспечивают либо автоматическую коррекцию ошибок, либо их автоматическое обнаружение и последующее исправление путем автоматического обратного запроса и повторения [31].

Измерительная техника в системах передачи данных. Для обеспечения надежной работы аппаратуры передачи данных нужно определить величины, измерение которых позволяло бы контролировать передачу. Наиболее важными для передачи данных свойствами каналов связи являются частотные характеристики затухания и группового времени запаздывания; наряду с этим должны измеряться также параметры шумов, в том числе частота появления случайных импульсных помех и

кратковременных перерывов связи. Свойства двоичных сигналов характеризуются такими параметрами, как значащие (характеристические) .моменты времени и позиции-, измерению подлежат их отклонения от нормы. В частности, отклонения значащих моментов двоичного сигнала от идеальных называются краевыми искажениями и являются важным показателем качества передачи, нарушение которого ведет к ошибочному отсчету сигнала.. Средняя частота появления ошибок при передаче данных также может быть определена с помощью измерительных приборов, например, таких, которые определяют и указывают отношение количества ошибочно принятых символов к общему числу переданных символов.

Международные и национальные соглашения. Быстрое развитие телеобработки данных в последние годы привело к появлению большого числа различных типов аппаратуры передачи данных. Пользователи, поставщики и администрация систем телеобработки данных заинтересованы в своевременной выработке таких международных и национальных соглашений, которые, с одной стороны, допускали бы необходимую гибкость в построении систем телеобработки данных, а с другой стороны, обеспечивали бы совместную работу аппаратуры различного происхождения. Для этого необходимы соглашения относительно электрических сигналов АПД, касающиеся, например, методов передачи, уровней, ограничений полосы частот, а также должен быть установлен вид взаимодействия коммутационных устройств, т. е. сигнализация. Пока что имеют силу договоренности об устройствах связи в системах телеобработки данных в узких рамках. Кроме того, должны быть согласованы и другие детали: например, коды, знаки, скорость передачи, методы синхронизации и процедуры передачи, которые касаются частично лишь пользователя, а частично — и ведомства связи.

Эти соглашения принимаются в основном в двух международных органах: Международном консультативном комитете по телефонии и телеграфии (МККТТ) ?— организации ведомств связи, которая включена в ведающий вопросами радиосвязи Международный консультативный комитет радиосвязи (МККР) Международного союза электросвязи (МСЭ) [1.20], и в Международной организации стандартизации -органе пользователей. Наряду с этим, соглашениями относительно систем телеобработки данных занимаются и другие международные организации, которые решают определенные частные задачи. К ним относятся, например, Международная электротехническая комиссия (МЭК) - по электротехническим вопросам и в пределах Европы — Европейская промышленная ассоциация по вычислительной технике (ЕПАВТ), занимающаяся всеми вопросами, связанными с аппаратурой обработки данных.

В соответствии с решениями компетентных международных организаций в Германии важные для пользователей и поставщиков систем соглашения устанавливаются Германским институтом стандартизации (ДИН) - до 31.8.1975 Германским комитетом стандартов (ДНА) - и известны под названием Германских стандартов; кроме того, Общество связи Союза немецких электротехников (ОС СНЭ) издает рекомендации по терминологии в технике связи.

Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии занимается, в первую очередь, всеми вопросами согласования службы ведомств связи. В области телеобработки данных сюда относятся соглашения о способах передачи информации и о сигнализации в сетях, соглашения с МСЭ относительно стыков между АПД и оконечным оборудованием, охватывающие, в частности, параметры сигналов стыка и управление процессами вхождения в связь и выхода из нее, а также соглашения, касающиеся требований абонентов: например, о кодах, скоростях, способах синхронизации, спецобслуживании — и, кроме того, договоры о техническом обслуживании. Международная организация стандартизации, а в европейских рамках и EПABT занимаются проблемами совместной работы оконечного оборудования в составе систем телеобработки данных. К ним принадлежат помимо уже упомянутых, разрабатываемых совместно с МККТТ вопросов, прежде всего, положения, касающиеся режимов функционирования, задаваемых, например, управляющими знаками стандартных кодов. В ведении МОС находится также унификация разъемов, включая распределение назначения между отдельными их контактами.

Результаты этих соглашений находят свое выражение в рекомендациях и нормах. На них часто делаются ссылки в соответствующих разделах этой книги, и их сводка дана в приложении ко второму тому.