История развития проводной многоканальной электросвязи

В 1939-1940 гг. специалисты Центрального научно-исследовательского института связи и завода «Красная заря» разработали первую отечественную 12-канальную систему высокочастотного телефонирования по медным цепям воздушных линий связи. Внедрение этой аппаратуры позволило значительно увеличить пропускную способность междугородных телефонных линий. В период Великой Отечественной войны эта аппаратура успешно обеспечивала связь на магистрали Москва–Ленинград.

В 1949 г. начался промышленный выпуск трехканальной аппаратуры высокочастотного телефонирования В-3 для уплотнения воздушных цепей из цветных металлов. Аппаратура, работающая в диапазоне частот 6–27 кГц, рассчитана на организацию связи по линиям протяженностью до 10 тыс. км. Эта аппаратура получила широкое распространение на воздушных линиях междугородной телефонной сети.

В 1965 г. промышленностью был организован выпуск аппаратуры В-3-3 для уплотнения цепей из цветных металлов и стальных цепей на магистральных и областных связях. Аппаратура была выполнена на транзисторах и позволяла организовать четыре канала – три канала ВЧ и один канал служебной связи. По сдвоенным каналам В-3-3 можно было организовать передачу программ вещания с помощью аппаратуры АВ-2/3. Диапазон частот (4–31 кГц) в этой аппаратуре шире, чем в В-3. Максимальная дальность передачи по медным цепям – 2500 км, по стальным цепям – 150 км.

В 1951 г. начался серийный выпуск аппаратуры В-12, работавшей в диапазоне частот 36-143 кГц и обеспечивавшей получение двенадцати телефонных каналов при уплотнении медных и биметаллических воздушных цепей. Аппаратура была рассчитана на организацию связей протяженностью до 10 тыс. км. По каждому каналу аппаратуры В-12 можно было организовать передачу фототелеграмм, 16 каналов тонального телеграфа, а по двум объединенным каналам с помощью специальной аппаратуры – передачу программ вещания.

Модифицированная аппаратура В-12-2 (1956–1957 гг.) вместе с генераторным оборудованием занимала две стойки (вместо восьми стоек – в аппаратуре В-12). Уменьшение габаритов аппаратуры позволило на существующих междугородных станциях устанавливать большее количество комплектов аппаратуры уплотнения.

В 1951 г. была разработана аппаратура К-12, работающая в диапазоне 12–60 кГц. С помощью этой аппаратуры по двухкабельной линии можно было организовать 12 телефонных каналов по двум парам.

На смену системе К-12 пришла аппаратура К-24, разработанная в 1953 г., которая позволила вдвое увеличить использование пар кабеля. Аппаратура К-24 работает в диапазоне частот 12-108 кГц.

В 1957 г. была разработана шестидесятиканальная аппаратура К-60, работающая по двухкабельной системе в диапазоне частот 12–252 кГц и позволяющая осуществлять одновременную передачу 60 телефонных разговоров по двум парам на расстояние до 5 тыс. км [5]. В конце 50-х годов в ГДР была разработана аппаратура, подобная К-60, на электронных лампах – V-60-S. В 1965 - 1966 годах, не без участия СССР, промышленностью ГДР были разработаны образцы аппаратуры типа V-60-E на транзисторах [7].

Начиная с середины 50-х гг. в аппаратуре систем передачи применяются полупроводниковые приборы. Аппаратура К-24П и К-60П была выполнена полностью на полупроводниках.

Первая отечественная система связи для уплотнения коаксиальных линий связи К-1920 была создана в 1959–1960 гг. С помощью этой системы можно организовать 1920 телефонных каналов или же 300 телефонных каналов и одновременно одну телевизионную передачу. Кроме того, по каналам этой системы можно обеспечить телеграфный обмен, передачу программ вещания, фототелеграфных сообщений, а также данных. Система занимает диапазон частот 312–8524 кГц.

Для уплотнения малогабаритного коаксиального кабеля была предназначена система К-300. Она позволяет организовать 300 телефонных каналов в спектре частот 60–1300 кГц. Для использования на внутриобластных связях была создана система К-120, работавшая в спектре до 1300 кГц [5].

Следует отметить, что в начальный период при разработке различных систем разрабатывалась отдельная оконечная аппаратура уплотнения. Так были разработаны комплекты аппаратуры для систем В-12, К-12, К-24, К-60, К-1920 (первый выпуск). Такое разнообразие типов оборудования с различным конструктивным и электрическим решением аналогичных узлов приводило к усложнению эксплуатации аппаратуры и значительному разбросу параметров каналов и групповых трактов различных систем. Поэтому уже при проектировании аппаратуры К-300 была поставлена задача создания унифицированной оконечной аппаратуры для всех многоканальных систем передачи [8].

Впоследствии были созданы системы передачи К-3600, К-5400, К-10800. Две последние из них так и не получили распространения.

Все рассмотренные аналоговые системы передачи были основаны исключительно на принципе частотного разделения каналов (ЧРК), хотя метод временного разделения каналов и виды импульсной модуляции (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазово-импульсная) были известны еще в 30-е годы и изучались. Связано это было с тем, что аналоговая система передачи с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) и временным разделением каналов (ВРК) требовала гораздо более широкую полосу частот по сравнению с системой передачи с ЧРК той же емкости, поскольку при использовании в качестве сигнала-переносчика последовательности прямоугольных импульсов спектр группового сигнала оказывался очень широким (теоретически бесконечным). Неизбежное ограничение спектра, как и вообще любые линейные искажения группового сигнала, приводили бы к межканальным переходам, имеющим характер внятного переходного разговора.

В аналоговых системах передачи применялись следующие разновидности амплитудной модуляции (АМ):

• АМ с двумя боковыми полосами частот и несущей частотой,
• АМ с одной боковой полосой частот и несущей частотой,
• АМ с одной боковой полосой частот без несущей частоты (АМ ОБП),
• АМ с двумя боковыми полосами частот без несущей частоты (АМ ДБП),
• АМ с несимметричными боковыми полосами частот.

Наилучшим по мощностным показателям, а также с точки зрения рациональности использования частотного ресурса, хотя и самым сложным в реализации, оказался метод АМ ОБП. Именно этот вид модуляции использовался в подавляющем большинстве аналоговых систем передачи.

Аналоговые системы передачи сыграли огромную роль в создании всемирной телекоммуникационной сети. Можно с уверенностью утверждать, что без изобретения методов уплотнения каналов междугородная телефонная связь если бы и существовала, то была бы недоступна рядовым пользователям. Однако аналоговые системы передачи обладали серьезными недостатками, основные из которых следующие:

• эффект накапливания в канале помех, шумов и искажений с увеличением расстояния, существенно снижающий качество связи;
• дороговизна аппаратуры, связанная с высочайшими требованиями к стабильности частот задающих генераторов, линейности амплитудных характеристик усилителей, амплитудно-частотным характеристикам электрических фильтров и т. д.;
• трудоемкость эксплуатации, наличие только самых примитивных средств встроенного контроля;
• большие габариты, масса, высокое энергопотребление;
• трудность передачи данных по аналоговым каналам.

Устранить эти недостатки в рамках аналоговой технологии оказалось невозможно, в результате чего аналоговые системы передачи себя изжили, уступив место цифровым системам передачи. Тем не менее, во всем мире все еще эксплуатируется большое количество аналоговых систем, а методы частотного разделения каналов в настоящее время применяются в новейших волоконно-оптических системах передачи с разделением по длинам волн (WDM), а также в высокоэффективных системах «последней мили» xDSL.

3. Цифровые системы передачи плезиохронной цифровой иерархии

В начале XX в. великий русский ученый В. А. Котельников доказал свою знаменитую теорему о дискретизации, показав принципиальную возможность представления непрерывного сигнала в виде последовательности отсчетов, взятых через определенный промежуток времени, и полного восстановления по этой последовательности исходного сигнала. В 1937 году французский инженер А. Ривс предложил принципы импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Импульсные методы модуляции интенсивно развивались в связи с развитием радиолокации начиная с 40-х годов. Таким образом, предпосылки к созданию цифровых систем передачи были созданы еще в первой половине XX века.

Тем не менее, вплоть до 60-х (в России – до 70-х) годов все системы передачи были аналоговыми. Опытная 96-канальная система с ИКМ была создана в первые годы после Второй мировой войны. Но цифровое оборудование было исключительно громоздким, поэтому цифровая связь не находила широкого применения вплоть до конца 50-х годов. Настоящее развитие импульсно-кодовые методы передачи получили лишь начиная с 1956 г., после изобретения транзистора (1948 г.) и разработки первого поколения электронных цифровых вычислительных машин.

Первая коммерческая цифровая система передачи голоса, использовавшая импульсно-кодовую модуляцию и временное разделение каналов, 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. [9, 10]

Этот цифровой поток впоследствии был назван каналом DS1, или T1. В США канал со скоростью 1544 кбит/с был принят в качестве первого уровня иерархии цифровых потоков. 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. Также получали распространение локальные вычислительные сети для объединения компьютеров.

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.

Развитие цифровых телефонных сетей шло в направлении все большего уплотнения каналов. Это достигалось, с одной стороны, за счет мультиплексирования каналов T1 в сигналы с более высокими скоростями. С другой стороны, применение более эффективных, чем традиционная ИКМ, методов кодирования речевых сигналов (например, дельта-модуляции, дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, как неадаптивной, так и адаптивной) позволило уменьшить скорость цифрового потока, требуемую для организации одного телефонного канала и тем самым разместить в одном канале со скоростью 64 кбит/с не один, а несколько телефонных каналов [10].

Развитие схем мультиплексирования привело к созданию трех иерархий цифровых систем передачи – европейской, североамериканской и японской. Европейская иерархия основывается на первичном цифровом потоке E1, имеющем скорость 2048 кбит/с. При объединении четырех потоков E1 формируется поток E2, имеющий скорость 8448 кбит/с. Поток E3 (34368 кбит/с) получается мультиплексированием четырех потоков E2. Аналогично, потоком четвертого уровня (E4) является сигнал со скоростью 139264 кбит/с, а скорость потока E5 составляет 564992 кбит/с.

В Северной Америке, как уже отмечалось, в качестве первичного сигнала используется поток со скоростью 1544 кбит/с. Сигналы более высоких уровней североамериканской иерархии имеют скорости 6312, 44736 и 274176 кбит/с. Японский вариант иерархии на первых двух уровнях совпадает с американским стандартом (скорости стандартных потоков составляют 1544, 6312, 32064, 97728 кбит/с) [3].

Объединение цифровых потоков производилось, в основном, побитовым способом. Требования к нестабильности генераторного оборудования были существенно ослаблены по сравнению с аналоговыми системами передачи, что порождало необходимость предусматривать специальные механизмы для согласования скоростей компонентных (объединяемых) и агрегатного (группового) сигналов. Традиционно согласование скоростей подразделялось на положительное, отрицательное и двустороннее и достигалось либо за счет вставки балластных символов (эта процедура называлась стаффингом), либо, наоборот, путем изъятия одного символа из цифрового потока и передачи его по отдельному специально отведенному цифровому каналу. Для управления процессом в цикле группового сигнала также предусматривались биты для команд согласования скоростей [10].

Так как цифровые системы передачи были рассчитаны на синхронизацию от различных задающих генераторов и допускали некоторое расхождение частот, эта технология получила название ПЦИ – плезиохронная, т. е. почти синхронная, цифровая иерархия (PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy).

В СССР был принят европейский вариант иерархии. Для сельских сетей связи были разработаны системы передачи ИКМ-15 и ЗОНА-15. На городских сетях применялась система ИКМ-30. Для зоновых и местных сетей была создана аппаратура ИКМ-120. Системы более высокого уровня – ИКМ-480 и ИКМ-1920 нашли свое применение на магистральных и зоновых сетях [3].

Изначально цифровые системы передачи были разработаны для линий связи, в которых средой распространения групповых сигналов являлись либо металлический кабель, либо радиорелейные линии. В этих системах длина регенерационного участка для E1 – E2 не превышала 5 км, а для E4 – 1,5…2 км. Внедрение систем передачи, работающих по оптическому волокну, позволило многократно увеличить длину регенерационного участка.

В 80-х годах в Советском Союзе была разработана и производилась аппаратура волоконно-оптических систем передачи «Соната-2», предназначенная для использования на городских сетях в качестве соединительных линий между узлами связи. Эта аппаратура позволяла по одной паре многомодовых оптических волокон передавать 120 телефонных каналов со скоростью 8448 кбит/с. Для уплотнения соединительных линий также выпускалось оборудование ИКМ-120-5. Эта аппаратура выпускалась в двух вариантах: КЛТ-26 (работавший в первом окне прозрачности на длине волны 850 нм) и КЛТ-24 (во втором окне прозрачности на длине волны 1300 нм).

Для работы во внутризоновых сетях была предназначена аппаратура «Сопка-2». Данная аппаратура также обеспечивала образование потока 8448 кбит/с и по структурной схеме, устройствам телеконтроля и служебной связи мало отличалась от «Сонаты-2» и ИКМ-120-5.