Цифровая революция отрасли связи

Федеральное агентство связи Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

" Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича"

Контрольная работа Цифровая революция отрасли связи Санкт-Петербург

Содержание связь цифровой телефонный телевещание Введение

1. Предпосылки цифровизации связи и появление первых систем с кодовой модуляцией

2. Телефонная связь: от ИКМ до IP-телефонии

3. Цифровая радиосвязь и телевещание Список литературы Введение С древних времен человечество искало и совершенствовало средства обмена информацией. На малые расстояния сообщения передавались жестами и речью, на большие — с помощью костров, находящихся друг от друга в пределах прямой видимости. Иногда между пунктами выстраивалась цепочка людей и новости передавались голосом по этой цепочке от одного пункта до другого. В центральной Африке для связи между племенами широко использовали барабаны тамтам…

Пропустим несколько столетий. Первые идеи о возможности передачи электрических зарядов на расстояния и об осуществлении таким путём телеграфной связи высказывались с середины XVIII века.

В 1792 г. Женевский физик Жорж Луи Лесаж описал свой проект линии электрической связи. Профессор И. Бекман из Карлсруэ в 1794 г. писал: «Чудовищная стоимость и другие препятствия никогда не позволят серьёзно рекомендовать применение электрического телеграфа» .

А всего лишь через два года после этого пресловутого «никогда» была сооружена первая в мире линия электрического телеграфа длиной 42 км между Мадридом и Аранхуэсом.

Ситуация повторилась через четверть века спустя. С 1794 года сначала в Европе, а затем в Америке широкое распространение получил так называемый семафорный телеграф, изобретённый французским инженером Клодом Шаппом и даже описанный Александром Дюма в романе «Граф Монтекристо». Этот телеграф и послужил человечеству более полувека, но он не удовлетворял потребности общества в быстрой связи. На передачу одной депеши затрачивалось в среднем 30 мин. Неизбежно были перерывы связи при дождях, туманах, вьюгах. Естественно, что «чудаки» изыскивали более совершенные средства связи, и, пройдя долгий путь, к началу XX века связь поразительно развилась, а в конце XX века претерпела «цифровую революцию», давшую непревзойденные качество и скорость связи по всему миру. В данной работе мы подробно рассмотрим, что стало предпосылкой к цифровизации связи, как развивались телефония, радиосвязь и телевещание.

1. Предпосылки цифровизации связи и появление первых систем с кодовой модуляцией По мере развития телефонизации на этом пути возникло множество проблем. В первую очередь, это касалось использования телефонных кабелей. Эту проблему легко описать, воспользовавшись опытом Томсона (Кельвина), который при прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля вывел формулу: «Скорость телеграфирования по кабелю обратно пропорциональна квадрату его длины. Другими словами, если увеличить длину кабеля, например, в 10 раз, то скорость передачи уменьшится в 100 раз». Очевидно, что при таких условиях осуществление телефонной связи на дальнее расстояние было невозможно. Решение этой проблемы стали искать с помощью технических усовершенствований.

Начало 1900;х годов: физики Михаил Пупин и Э. Краруп предложили устанавливать на телефонных линиях специальные индуктивные катушки, способные усиливать проходящие по проводам электрические сигналы. Это позволило увеличить дальность передачи в несколько раз. Однако выяснилось, что пропускная способность кабеля (т.е., соотношение количества проходящих единиц информации в единицу времени) сокращается, вследствие повышения индуктивности. В связи с этим начались поиски замены индуктивных катушек другими видами усилительных устройств. Система динамично развивается, и результатом становится появление регенераторного усилителя (1912;1913 гг.), созданного на основе электронных ламп. С помощью регенераторного усилителя удалось установить трансконтинентальную телефонную связь между Нью-Йорком и Сан-Франциско.

В том же году русский ученый В. И. Коваленков (1884−1960) предложил использовать в качестве усилителей специального устройства — реле.

" Реле (от французского relais) — аппарат, приводимый в действие маломощным импульсом (телеграфный сигнал, параметр контролируемого процесса) и приводящий в действие, за счет энергии местного источника, более мощное устройство (приемник телеграфного аппарата, сигнальное устройство, орган управления, регулятор)". И чуть позднее началось внедрение высокочастотных коаксиальных кабелей.

" Коаксиальный кабель (от лат. «сo» — совместно и «axil» — ось) — кабель, состоящий из двух изолированных между собой концентрических проводников, из которых внешний имеет вид трубки" .

Открывшиеся возможности позволили протянуть телефонную линию длиной в 8500 км (Москва-Хабаровск, 1939 г.) А к середине 60-х годов на планете было уже более 80 тысяч км телефонных линий.

Использование усилителей хотя и открыло широкие перспективы для развития телефонной связи, в то же время породило новые проблемы. Усиление затухающих электрических сигналов сопровождалось одновременным усилением возникавших на телефонной линии помех.

В связи с этим возникла идея после преобразования звуковых сигналов в электрические колебания передавать по телефонным линиям не сами эти колебания, а закодированную определенным образом информацию о них, с тем, чтобы на приемном пункте ее можно было бы раскодировать и преобразовать в первоначальные электрические колебания, а их — в звуковые сигналы. И в 1938 г. Алекс Ривс берет патент на преобразование аналоговых телефонных сигналов в набор цифр, которое получило название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Несмотря на то, что идея ИКМ была запатентована в 1938 г., до ее практического осуществления прошло не одно десятилетие. Причина этого заключается в том, что процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровые, а затем цифровых в аналоговые требует особой точности, которой удалось добиться только благодаря математике.

Так был дан старт «цифровой революции», которая сначала захватила телефонную, а затем другие средства связи.

Первая коммерческая цифровая система передачи голоса, использовавшая импульсно-кодовую модуляцию, была создана компанией Bell Systems (США) в Чикаго в 1962 г. Система позволяла организовать 24 телефонных канала и работала по медному кабелю, соединявшему офисы компании. Для организации одного телефонного канала требовался цифровой поток со скоростью 64 кбит/с. С учетом того, что 8 кбит/с требовалось для служебных целей, суммарная скорость цифрового потока составляла 1544 кбит/с. Это было уже время появления ЭВМ третьего поколения (!), принесших с собой концепцию каналов ввода-вывода с развитой системой мультиплексоров ввода-вывода, используемых для организации коммерческих сетей передачи данных. Однако только стремительное развитие микропроцессорной техники (в частности, появление первого микропроцессора фирмы Intel) сделало возможным реальное внедрение цифровых технологий в системы связи. Результатом стало широкое распространение и развитие компьютерных сетей, что дало толчок к созданию сетей передачи голоса и данных с ИКМ.

2. Телефонная связь: от ИКМ до IP-телефонии До 70-х годов XX столетия развитие телефонии носило эволюционный характер: сети телефонной связи оставались аналоговыми и предназначались для доставки речевой информации по заданному адресу (телефонному номеру). Эволюционные изменения системы телефонной связи имели характер количественного увеличения емкости и пропускной способности сетей и улучшения показателей качества обслуживания.

Второй период развития телефонии, начавшийся в 70-е годы XX столетия, внес в нее радикальные изменения.

Основой телефонии стали новые технологии:

? электронная технология позволила перевести все аппаратные средства телефонии на электронную элементную и технологическую базу;

? цифровая технология на основе представления различных видов информации в единой цифровой форме интегрировала обслуживание различных видов связи, а также объединила системы передачи и коммутации;

? компьютерная технология, применение которой выразилось не только в использовании компьютеров в роли устройств управления АТС, но и в создании компьютерных терминалов, позволила абоненту получать услуги разных видов связи с помощью единого терминала.

· Новые методы передачи сигналов. Двухтональный многочастотныи набор (Dual Tone Multi-Frequency — DTMF). DTMF также называют внутриполосной передачей сигналов, поскольку тоны передаются по голосовому каналу. ISDN использует и другой метод передачи сигналов — внеполосный. Этот метод подразумевает передачу сигналов по каналу, отдельному от голосового.

· Новая сигнальная система.

Сигнальная система № 7 (Signaling System 7 SS7) — это стандарт сигнальной системы общего канала, разработанный в 1970;х годах сектором стандартизации при Международном телекоммуникационном союзе (International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector— IТU-Т). Сеть SS7 обеспечила интеллект существующей сети РSTN. Система SS7 используется для передачи сигналов вне основной полосы в коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN). Передача сигналов SS7 расширяет возможности сети PSTN, поддерживая установку вызова, обмен информацией, маршрутизацию, операции, учет и обеспечивая услуги интеллектуальной сети (Intelligent Network— IN). В России данную систему сигнализации принято называть ОКС-7.

Говоря о втором периоде в истории телефонии, следует отметить не только радикальный характер происходящих изменений, но и высокий их темп, особенно возросший в течение последних десятилетий. Появились системы и сети с интеграцией услуг (ISDN — Integrated Services Digital Network). Успешно развиваются такие приложения телефонии, как мобильные сети связи, также сети беспроводного абонентского доступа. Наконец, развивается технология IР-телефонии, обеспечивающая передачу речи по сетям пакетной коммутации.

Развитие IP-телефонии (VoIP)

Таким образом, происходит коренное изменение подходов к построению информационных сетей. Речь и данные меняются местами. Традиционные сети передачи данных базировались на магистралях с коммутацией каналов, предназначенных для телефонного трафика. При новом подходе — все наоборот: телефония будет надстраиваться над инфраструктурой сети передачи данных.

Февраль 1995 года. Израильская компания Vocal Tec предложила первую версию программы Internet Phone, разработанную для владельцев мультимедийных компьютеров, работающих под Windows. Это стало важной вехой в развитии Интернет-телефонии!

1996 год был обозначен появлением многих программных продуктов, так называемых Softphones. IP-телефония концентрировалась при этом исключительно на соединении «ПК-на-ПК». В области стандартизации International Telecommunication Union (ITU-T) приняла рекомендации по стандарту Н.323, который основывался на почти 50 других стандартах. Таким образом, был принят первый норматив для мультимедийной коммуникации при помощи пакетно-ориентированых сетей без Quality of Service. Одновременно IETF разработала Realtime Transport Protocol (RTP), описанный в RFC 1889 (с 2003 года — RFC 3550), который нашёл применение в Н.323 для передачи аудиоданных. Следующие несколько лет протокол Н.323 бурно развивается, но в итоге протокол получается невероятно сложным.

В 1999 году в область стандартизации вместе с разработкой Session Initiation Protocols (SIP, RFC 2543) включается Internet Engineering Task Force (IETF). Это было сигналом о том, что в области Voice over IP со стороны ITU-T появился конкурент H.323. Несмотря на то, что все предыдущие продукты основывались на H.323, консультанты начали анализировать и дискутировать, какой протокол более пригоден и возглавит триумфальное шествие.

В 2000 году в области стандартизации интернета был разработан ENUM (Telephone Number Mapping), вначале с RFC 2916 только как протокол. Затем в сентябре 2002 года в Германии было начато тестирование его применения для приложений и служб.

В 2002 году протокол SIP (Session Initiation Protocol), разрабатываемый IETF, с принятием RFC 3261 получил версию 2 и мог радоваться постоянно растущей популярности. Уже два года спустя все IP-провайдеры использовали для своих служб SIP.

В 2003 году была образована фирма Skype, ставшая самой известной в этой области. Наряду с бесплатными разговорами по всему миру со Skype на Skype, предлагаются также дешевые телефонные тарифы для звонков в обычную сеть или на мобильные телефоны. Эти телефонные разговоры называются SkypeOut и SkypeIn и являются очень дешевыми по сравнению с другими.

После успеха в США, 2004 и 2005 года стали переломными также и для других стран для Voice over IP: оборудование становилось все более лучшим, все большее число провайдеров боролись за место на будущем рынке. Цены говорили сами за себя: всего за пару центов можно было позвонить в любую точку мира, а внутри сети VoIP-провайдера или одного из его партнеров — даже бесплатно. В конце 2004 года ориентировочное число пользователей в Германии было оценено цифрой в 250.000. Таким образом, рынок частных пользователей был «открыт» .

3. Цифровая радиосвязь и телевещание Радиосвязь так же прошла свой путь развития и совершенствования. До 90-х годов XX столетия по всему миру радиосвязь осуществлялась методом передачи аналоговых сигналов с помощью частотной модуляции. Позднее же радиосвязь так же настигла цифровая революция. Разберемся, что же стало предпосылкой к этому.

На радиостанции звук, воспринимаемый микрофоном, преобразуется в электромагнитные колебания. Чем выше частота звука — тем выше частота колебаний на выходе, а чем громче говорит диктор — тем больше амплитуда. Получившиеся электромагнитные колебания, или волны, распространяются в пространстве с помощью антенны. Чтобы эфир не забивался низкочастотными помехами, и чтобы у разных радиостанций была возможность работать параллельно, не мешая друг другу, колебания, получившиеся от воздействия звука, суммируют, то есть «накладывают» на другие колебания, имеющие постоянную частоту. Последнюю частоту принято называть «несущей», и именно на ее восприятие мы настраиваем свой радиоприемник, чтобы «поймать» аналоговый сигнал радиостанции.

В процессе передачи звукового сигнала от радиостанции к приемнику могут возникнуть сторонние помехи, частота и амплитуда могут измениться, что отразится на звуках, издаваемых радиоприемником. И сами передатчик и приемник во время преобразования сигнала вносят некоторую погрешность. Поэтому звук, воспроизводимый аналоговым радиоприемником, всегда имеет некоторые искажения. Вдобавок эфирный аналоговый сигнал имеет очень слабую степень защиты от постороннего доступа.

Цифровая связь и вещания считаются более защищенными от помех и от внешних воздействий. Все дело в том, что при использовании «цифры» аналоговый сигнал с микрофона на передающей станции зашифровывается в цифровой код с помощью дискретных электрических сигналов. Устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). А устройство, установленное в приемнике, и преобразующее код в аналоговый сигнал, называется «цифро-аналоговый преобразователь» (ЦАП).

Во время передачи цифрового сигнала ошибки и искажения практически исключены. Если импульс станет немного сильнее, продолжительнее, или наоборот, то он все равно будет распознан системой как единица. А нуль останется нулем, даже если на его месте возникнет какой-то случайный слабый сигнал. Для АЦП и ЦАП не существует других значений, как 0,2 или 0,9 — только нуль и единица. Поэтому помехи на цифровую связь и вещание почти не оказывают влияния.

Диапазон применения современных цифровых радиолиний достаточно широк, это объясняется тем, что они позволяют:

* уменьшить капитальные затраты на создание радиорелейных линий связи;

* организовать многоканальную связь в регионах со слабо развитой (или с отсутствующей) инфраструктурой связи, а также на участках местности со сложным рельефом;

* развертывать разветвленные цифровые сети в регионах, больших городах и индустриальных зонах, где прокладка новых кабелей слишком дорога или невозможна;

* восстанавливать связь в районах стихийных бедствий или при спасательных операциях и др.

Ярким примером современной радиосвязи может служить созданная в Киргизской Республике в качестве первичной сети цифровая радиорелейная магистраль из 16 РРС, замкнутых в кольцо, от узловых станций которой отведены три радиолинии с семью другими РТС. Горный рельеф позволил увеличить некоторые пролеты между РРС до 165 км. Сеть охватывает все регионы республики и имеет выходы на наземную станцию спутниковой связи COMSTAT (США) с антенной, направленной на искусственный спутник Intelsat 630, что обеспечивает прямой выход сети связи республики на национальные сети связи и телекоммуникаций многих стран Азии и Европы. Широкое применение получили малогабаритные, быстро разворачиваемые РРС диапазонов 18, 23 и 36 ГГц, которые способны передавать на расстояние до 8825 км как аналоговую (телевизионную), так и цифровую информацию (со скоростью до 34 Мбит/с). Типичное применение цифровых РРС данных диапазонов — организация сетей местной связи, сетей сотовой и транкинговой связи.

Развитие цифрового телевещания можно условно разделить на три этапа.

Первый этап истории цифрового телевидения характеризуется использованием цифровой техники в отдельных частях ТВ систем при сохранении аналоговых каналов связи. На данном этапе всё студийное оборудование переводится на цифровой сигнал, обработку и хранение которого, в пределах телецентра, осуществляют цифровыми средствами. На выходе из телецентра телевизионный сигнал преобразуется в аналоговую форму и передаётся по обычным каналам связи.

Также на данном этапе характерно введение цифровых блоков в ТВ приёмники с целью повышения качества изображения и звука, а также расширения функциональных возможностей. Примером таких блоков являются цифровые фильтры, устройства перехода от чересстрочной к квазипрогрессивной развёртке, повышение частоты полей до 100 Гц, реализация функций «стоп-кадр» и «кадр в кадре» и т. д.

Второй этап развития цифрового телевидения — создание гибридных аналого-цифровых ТВ систем с параметрами, отличающимися от принятых в обычных стандартах телевидения. Можно выделить два основных направления изменения телевизионного стандарта: переход от одновременной передачи яркостного и цветоразностных сигналов к последовательной их передаче и увеличение количества строк в кадре и элементов изображения в строке. Реализация второго направления связана с необходимостью сжатия спектра ТВ сигналов для обеспечения возможности их передачи по каналам связи с приемлемой полосой частот.

Третий этап развития цифрового телевидения — создание полностью цифровых телевизионных систем.

После появления аналого-цифровых систем телевидения высокой чёткости в Японии и Европе (MUSE и HD-MAC), в США в 1987 году был объявлен конкурс на лучший проект системы телевидения высокого разрешения для утверждения в качестве национального стандарта. В первые годы на этот конкурс были выдвинуты различные аналоговые системы. Вышеупомянутые гибридные телевизионные системы, предусматривающие передачу сигнала только по спутниковым каналам, вскоре были сняты с рассмотрения. Это объяснялось тем, что в США около 1400 компаний осуществляют наземное вещание, и очень широко развита сеть кабельного вещания.

Рассматривались даже проекты аналоговых систем, предусматривавших передачу по одному стандартному каналу двух сигналов — обычного ТВ сигнала и дополнительного, который в приёмнике с соответствующим декодером позволяет получить изображение с бомльшим количеством строк и элементов разложения в строке.

Но уже в 1990 году появились первые предложения полностью цифровых систем телевидения. С каждым годом возрастало количество таких проектов и улучшались их характеристики. В начале 1993 года последние аналоговые системы окончательно были сняты с рассмотрения. А в мае 1993 года 4 группы компаний, представлявших близкие по существу проекты, объединились и в дальнейшем представляли единый проект, который и стал основой стандарта полностью цифровой телевизионной системы в США. Основой этого проекта стал тогда ещё не утверждённый стандарт MPEG-2.

В Европе в 1993 году, когда стало ясно, что за цифровыми телевизионными системами будущее, был принят проект DVB (Digital Video Broadcasting — Цифровое Видео Вещание), также основанный на MPEG-2. В настоящее время системы цифрового телевидения быстро развиваются во многих странах.

При этом в первую очередь решается задача значительного увеличения количества передаваемых программ телевидения обычного разрешения, так как это даёт быстрый коммерческий эффект. Во многих странах поставлен вопрос о прекращении в первом десятилетии XXI века аналогового телевизионного вещания и полном переходе к цифровому телевидению.

1. Островский А. В. История средств связи. Учебное пособие. СПб., 2009.

2. Украинцев Ю. Д., Цветов М. А. История связи и перспективы развития телекоммуникаций. Учебное пособие. Ульяновск, 2009

3. Общие сведения о цифровом телерадиовещании

www.tvtower.ru/dvbtv/

4. Свободная энциклопедия

https://ru.wikipedia.org/wiki/Цифровое_телевидение

5. Виртуальный компьютерный музей

http://www.computer-museum.ru/connect/krugi4.htm

6. Научная библиотека

http://sernam.ru/book_history.php?id=1