Книги, научные публикации
Pages: | 1 | 2 | -- [ Страница 1 ] --
Н.Ф. Директоров, А.А. Катанович Современные системы внутрикорабельной связи Санкт-Петербург Судостроение 2001 УДК 529.12.055:521.395 ББК 32.88 Д47 Д 47 Директоров Н. Ф., Катанович А. А.
Современные системы инугрикорабельной связи. Ч СПб.: Судостроение, 2001. Ч 256 с, ил. ISBN 5-7355-0596-3 Впервые рассмотрены построение, проектирование и обслуживание систем внутрикорабельной связи, описаны основные типы современных систем ВКС. построенных на микропроцессорах, интегральных схемах и волоконно-оптических линиях связи, приведены основные эксплуатационно-технические характеристики, рассмотрены принципы работы внутрикорабельных систем связи, вспомогательного оборудования и абонентских приборов, основные принципы проектирования и эксплуатации аппаратуры, а также способы повышения се надежности. Наибольшее внимание уделено описанию принципов работы узлов системы ВКС на уровне структурных схем. Рассчитана на инженерно-технических работников, проектирующих внутрикорабельные системы связи, работников, эксплуатирующих и обслуживающих аппаратуру ВКС. Может быть использована курсантами и студентами средних и высших учебных заведений в качестве учебного пособия. УДК 529.12.055:521.395 ББК 32. ISBN 5-7355-0596- й Директоров Н. Ф., Катанович А. А., Предисловие Создание боеспособных высокоэффективных надводных кораблей и подводных лодок невозможно без широкого внедрения на них автоматики, телемеханики и автоматизированных систем управления, позволяющих выполнить боевые задачи с высоким качеством и наибольшей эффективностью. Аппаратура систем внутрикорабельной связи (ВКС) в настоящее время является обязательной для современных кораблей, судов и предназначена для управления не только самим плавучим средством, но и оружием, а также для борьбы за живучесть, взаимодействия БЧ со служебными и жилыми помещениями корабля и обеспечения трансляции широковещательных передач по этим помещениям. В настоящей книге описаны основные типы современных систем связи, приведены необходимые для их проектирования справочные материалы. Здесь же нашли отражение основные направления развития систем ВКС, освещена новая перспективная система ВКС с применением волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), сделана первая попытка систематизировать сведения о современных ВКС. Структурные схемы, приведенные в книге, помогают понять сущность процесса работы блоков коммутации и абонентских приборов. Работа предназначена для читателей, знакомых с основами многоканальной электросвязи, проектирования и эксплуатации ВКС, поэтому в ряде случаев рассмотрены лишь процессы, происходящие при работе всех систем ВКС. Авторы будут признательны читателям за все замечания и предложения, которые просят направлять по адресу: С.-Петербург, Малая Морская, д. 8.
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В ТЕКСТЕ АА Ч абонентский аппарат АЗУ - адресно-запоминающее устройство АК Ч абонентский комплект АП Чабонентский АУР Ч аппаратура управлении радиокомплексом БАО Чблок абонентскою оборудования БК АК Ч блок кодирования и аварийных коммутаций БКК Чблок коммутации каналов БКС Чблок конференц-связи БЛИ Ч блок линейных интерфейсов БМК Ч блок местных коммутаций БП Ч боевой пост БСЗ Ч блок согласования задержки БСО - блок связи оператора БСП Чблок синхронизации приема БСПср Ч блок синхронизации передачи БУ Ч блок управления БЦК Чблок центральных коммутаций ВАР Ч временный активный ретранслятор ВКС Ч внутрикорабельная система ВО К Ч волоконно-оптический кабель ВОЛС Ч волоконно-оптическая линия связи ВОСС Ч волоконно-оптическая система связи ВМ Ч выносной микрофон ВТЧ Ч выделение тактовой частоты ГГС Ч громкоговорящая связь ГКП Ч главный командный пункт ГС Ч групповой сигнал ГТИ Ч генератор тактовых импульсов ДК Чдифференциальный каскад ДС Чдифференциальная система ЗКП Ч запасной командный пункт ИВС Чинтерфейс внешней связи ИЗУ Ч индивидуальное зарядное устройство И КМ Ч импульсно-кодовая модуляция ИК Ч информационный канал БСЗ ИРП Ч индивидуальные радиоприемники (портативные) И PC Ч индивидуальные радиостанции (портативные) КЗ Ч короткое замыкание КЛС Ч кольцевая линия связи КУ Ч коммутационное устройство К - Ч коммутационный центр ЛКП Члиния коллективного пользования МГХ - массогабарнтные характеристики прибор МДП МКУ МТТ НЛП ОС ОЭК ПЛ ПО ППИВС ПС ПТОК СКР С - СЦС ТА ТГА ТЛФ УКС УС УУ ФМА ФПУ ЦБК ЦВК ЦКУ ЦП ЦППБ ЦППУ ЦПУ ЭВМ Ч металЧдиэлектрикЧполупроводник Ч местное коммутационное устройство Ч микротелефонная трубка Ч наружный лодочный прибор Ч обратимая система Ч оптоэлектрический кабель Ч подводная лодка Ч пульт оператора Чпульт поста ионосферно-волновой службы Ч пост связи Ч пульт технического обслуживания и контроля Ч специальный канализатор-ретранслятор Чсоединительный центр Чсверхцикловая синхронизация Чтелефонный аппарат Ч телеграфный аппарат Ч телефонная связь Чустройство коммутации сообщений Ч устройство сопряжения Ч устройство управления Ч факсимильный аппарат Ч фотоприемное устройство Ч центральный блок коммутации Ч центральный вычислительный комплекс Ч центральное коммутационное устройство Ч центральный поет Ч центральный приемопередающий блок Чцентральное приемопередающее устройство Ч центральный пульт управления Ч электронно-вычислительная машина ВВЕДЕНИЕ О роли связи на море написано немало книг. Их значимость ни у кого не вызывает сомнений. Корабль, морское судно на протяжении жизненного цикла, исчисляемого двумя-тремя десятками лет, может оказаться и оказывается в различных ситуациях, трудноразрешимых или даже неразрешимых без наличия связи. Это двухсторонние связи с берегом при нахождении корабля в дальних морских зонах и Мировом океане, с другими кораблями и судами в ходе взаимодействия и совместного плавания, при решении задач совместно с летательными аппаратами корабельного и берегового базирования, с подводными лодками, входящими в группировки разнородных сил флота, с кораблями аварийно-спасательных служб при оказании помощи морским объектам, терпящим бедствие, и при борьбе за живучесть собственного корабля. Этот перечень может быть продолжен, ибо невозможно перечислить все ситуации, возникающие в океане, самом необузданном из всех стихий. Но в любых ситуациях, как обычных, так и экстремальных, немалую роль для достижения успеха играет наличие качественной связи с внешним миром. Есть еще один вид морской связи, незаслуженно забытый как специалистами, так и писателями-маринистами Ч внутрикорабельный. Однажды один из главных конструкторов надводных кораблей, оценивая сложность конструкции, сравнил корабль с городом. Этим сказано многое, но не все. Подобный город, перемещаясь в Мировом океане, попадает в различные климатические зоны, а в его недрах всегда присутствует огромное количество горючих (топливо) и взрывоопасных (боезапас) материалов. Экипаж корабля, насчитывающий от нескольких десятков до нескольких сот человек в зависимости от его ранга, перемещается между жилыми и служебными помещениями, местами отдыха, командными пунктами и боевыми постами в соответствии с боевой задачей, временем суток, местом нахождения корабля (море Ч берег), специальными морскими мероприятиями: швартовка, борьба за живучесть корабля и др. Автономность корабля, которая может составлять от нескольких суток до нескольких месяцев, требует размещения а соответствующих хранилищах продовольствия, питьевой и хозяйственной воды на длительный срок. На корабле есть помещения для приема пищи, отдыха и удовлетворения всех бытовых потребностей, медицинского обслуживания и пр. Для обеспечения живучести и непотопляемости корабля его корпус разделяется множеством водонепроницаемых переборок, а для размещения помещений и техники Ч различными палубами. Все многообразие образуемых помещений должно быть охвачено постоянно действующей внутрикорабельной связью (ВКС), функционирующей в любое время суток, сезона и года. Только ВКС в считанные секунды превращает экипаж корабля в единый боевой организм, действующий по воле командира-единоначальника. Основное назначение ВКС: Ч звонкая сигнализация (колокола громкого боя);
Ч голосовая циркулярная громкоговорящая передача команд с ГКП (ЗКП) по всем помещениям корабля;
Ч внутрикорабельная телефонная связь жилых, служебных помещений с КП и БП;
Ч боевая двусторонняя голосовая связь КП с БП боевых частей корабля;
Ч трансляция широковещательных радиопередач по жилым помещениям корабля;
Ч аварийная связь, обеспечивающая обмен информацией ГКП с аварийными местами в условиях борьбы за живучесть корабля. Для решения последней задачи средства ВКС должны функционировать в условиях высоких температур, давления, влажности и иметь высокую надежность при размещении их в пожаро- и взрывоопасных помещениях. Кабельные трассы средств аварийной связи должны быть надежно защищены и многократно продублированы. Особо опасные отсеки и помещения на корабле должны быть оснащены автоматическими датчиками аварийных сигналов, реагирующими на недопустимые отклонения контролируемых параметров (искрение, дым, огонь, забортгая вода и др.) и передающими сигналы на ГКП независимо от действий личного состава, находящегося в помещении (отсеке). Успешно решить вышеперечисленные многочисленные задачи и позволяют средства ВКС ВМФ. В 1886 г. впервые в нашей стране были проведены испытания аппаратуры безбатарейной телефонной ВКС на борту броненосца Петр Великий, затем ее установили на броненосцах Бородино и Суворов. 31 января 1904 г. система корабельной связи капитана 2 ранга Е. В. Колбасьева была принята на вооружение флота. Массовое развитие и внедрение корабельных телефонных систем началось в 1922Ч1939 гг. В 1922Ч1928 гг. корабельное телефонное оборудование производилось на заводах им. Кулакова и Красная заря. Основное развитие получили тогда телефонные системы с централизованными и отдельными телефонными коммутаторами, используемые для обеспечения как командной, так и повседневной связи. В этих телефонных системах применялись громкоговорящие добавочные телефоны и трехпроводная схема включения с индукторным вызовом.
К 1929-1930 гг. на заводе им. Кулакова была завершена стандартизация и унификация корабельной телефонной аппаратуры, что позволило создавать различные схемы телефонной связи с помощью семи типов телефонных аппаратов. Дальнейшие работы по унификации телефонных аппаратов и коммутаторов позволили сократить количество типов телефонных аппаратов и коммутаторов до двух Ч АК и Г.Пр Чдля создания тех же четырех схем телефонной связи. В 1936 г. появились единый корабельный телефонный аппарат ТАК и командный коммутатор НК, отдельный коммутатор ОКП и центральный коммутатор ЦК-36. В 1939 г. телефонный аппарат ТАК и коммутаторы НК были приняты на вооружение флотом. В последующем (в 1939Ч1941 гг.) развитие ручных корабельных телефонных систем шло по пути создания аппаратуры, работающей по двухпроводной системе. В период 1939Ч1946 гг. впервые была разработана и принята на вооружение система безбатарейных командных коммутаторов БКК на 3, 7, 12 и 20 абонентов. В послевоенном 1946 г. завершилось создание корабельных командных ручных телефонных станций системы ЦБ (КРТС-ЦБ) емкостью от 1 i до 100 номеров. В 1956 г. была принята на вооружение аппаратура безбатарейной связи ФрегатЧКорвет (П-452). В настоящее время военно-морской флот (ВМФ) снабжается этими же системами безбатарейной телефонной связи П-452. Таким образом, корабельные системы ручной телефонной связи первоначально предназначались как для командной, так и для повседневной связи, затем, с появлением корабельных АТС, за ручными безбатарейными и с центральным питанием станциями сохранились функции прямой командной телефонной связи. В настоящее время с появлением устройств командно-трансляционной и внутрикорабельной громкоговорящей связи за безбатарейной ручной телефонной связью сохранилась функция аварийной, которая включается при выходе из строя всех корабельных источников электропитания. Благодаря успешному решению задач по автоматизации телефонной связи в нашей стране перед флотом встал вопрос о применении АТС на кораблях. Рассматривалась возможность их использования на кораблях, а затем на крупных ПЛ для обеспечения повседневной телефонной связи. В 1937Ч1938 гг. началась разработка КАТС двухпроводных систем. Первые двухпроводные системы КАТС-10 и КАТС-20 успешно прошли испытания в 1941 г. В 1950Ч1957 гг. были приняты флотом на вооружение АТС, коммутационные поля и управляющие устройства которых выполнены на реле, а сигнально-вызывные устройства Ч на полупроводниковых приборах (КАТС-Р20, КАТС-Р40 и АТС-Л20). В 1969 г. принятием на вооружение заканчивается разработка корабельных АТС на малогабаритных многократных координатных соедините лях и реле типа РКМП-3 емкостью на 80, 150 и 240 номеров, а в 1973 г. Ч разработка корабельных координатных АТС на 320Ч720 номеров, что удовлетворяет потребности в автоматической телефонной связи кораблей всех классов. Совершенствование и дальнейшее развитие корабельных АТС в основном идет по пути создания квазиэлектронных бесконтактных КАТС. К 1972 г. КБ завода ВЭФ (Латвия, Рига) была разработана и успешно прошла испытания первая отечественная квазиэлектронная корабельная одиночная АТС на твердых схемах и герконах емкостью на 50, 100 и 200 номеров. Системы управления этими станциями основывались на твердых интегральных схемах. Коммутационные поля разговорных цепей станции строились с использованием герметизированных контактов типа КЭМ-6 (реле типа РЭС-51). Для обеспечения боевого управления кораблем и его боевыми частями и службами до 1941 г. использовались системы ручной телефонной связи. Первая система внутрикорабельной громкоговорящей связи (ГГС) в виде корабельных трансляционных устройств КТУ-А, КТУ-Б и КТУ-В появилась в 1941 г. Указанные трансляционные устройства имели соответственно мощности 200, 100 и 50 Вт, что обеспечивало циркулярно одностороннюю передачу команд и распоряжений, а также художественного вещания. Для двухсторонней командной ГГС между основными БП в том же году был разработан и испытан на крейсере Максим Горький опытный образец системы командной ГГС Звезда. Она представляла собой сеть отдельных коммутаторов с общим центральным усилителем на электронных лампах. В 1949 г. в ВМФ появились морские командно-трансляционные установки МКТУ-2 и МКТУ-3 мощностью 50 и 15 Вт. Таким образом, к 1951 г. на вооружении ВМФ имелся целый ряд командно-трансляционных установок от 15 до 500 Вт. Необходимость повышения оперативности управления боевыми средствами корабля привела к разработке в ходе исследований средств командной ГГС. В 1955 г. принимается на вооружение разработанная систем;
! внутрилодочной ГГС Нерпа, предназначенная для обеспечения симплексной ГГС командира ПЛ, находящегося в ЦП, с отсеками и БП. Благодаря Нерпе, которая заменила морские командно-трансляционные устройства МКТУ-3, значительно улучшилось оперативное управление ПЛ. Для обеспечения общекорабельной ГГС командира корабля, командиров БЧ с подчиненными, а также необходимой оперативной связи отдельных БП между собой в 1960 г. была разработана и принята на вооружение система внутрикорабельной ГГС Каштан. Унифицированная система внутрикорабельной ГГС и трансляции Каштан впервые была выполнена на полупроводниковых приборах, что повысило надежность связи, а использование дифференциальных мик рофонов типа ДЭМУ позволило обеспечить двухстороннюю (дуплексную) ГГС и одновременно связь в помещении с уровнем акустического шума до 115 дБ. Впервые все средства внутрикорабельной ГГС и трансляции были объединены в унифицированную систему. Именно поэтому система внутрикорабельной ГГС и трансляции в период 1960Ч1973 гг. нашла широкое применение на всех кораблях и подводных лодках ВМФ. Следствием этого стало повышение надежности в работе и удобства в эксплуатации систем корабельной связи. Возрастание требований к удобству эксплуатации, дальнейшему расширению эксплуатационно-технических возможностей, а также необходимость удовлетворения требований промышленной эстетики и инженерной психологии привели к созданию системы внутрикорабельной ГГС и трансляции Лиственница. Основные эксплуатационно-технические преимущества комплекса Лиственница и отличия от комплекса Каштан заключаются в следующем: 1) расширение эксплуатационных возможностей за счет: Ч создания приборов и схем во взрывобезопасном исполнении;
Ч работы в режиме ретрансляции, обеспечивающем связь с постами, не имеющими прямых соединений;
Ч появления возможности групповых соединений, обеспечивающих групповую связь шести абонентов друг с другом;
Ч возможности подключения специальных магнитофонов для документирования команд, распоряжений и докладов, осуществляемых по системе ГГС;
Ч расширения емкости коммутаторов;
Ч создания малогабаритного приемопередатчика для связи с помощью антенной петли связи;
Ч наличия групповых выпрямительных устройств;
Ч трехпроводного вещания художественных передач;
Ч создания схем симплекс-дуплексной связи для ПЛ и др.;
2) улучшение конструктивно-технических решений: Ч изготовления приборов в трех модификациях Ч в защищенном, навесном и встраиваемом исполнении;
Ч изготовления трансляционных устройств в пультовом исполнении;
Ч выполнения основных унифицированных узлов и блоков объемными на печатных платах и др. Корабельный унифицированный комплекс аппаратуры Лиственница был принят на вооружение флота в 1974 г. В настоящее время для улучшения тактико-технико-экономических характеристик системы ВКС и расширения возможностей оперативного руководства боевой деятельностью кораблей целесообразно все существующие средства ВКС заменить комплексом интефальной аппаратуры автоматизированной внутрикорабельной связи. Для этого есть все предпосылки Ч интенсивное развитие цифровых внутриобъектовых систем связи и прогресс в микроэлектронике и вычислительной технике, а также циф ровой коммутационной технике, оптоэлектронике и волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Значительный вклад в развитие, создание и проектирование отечественных комплексов и средств внутрикорабельной связи внесли В. X. Сокирко, Л. С. Самуйленок, В. А. Клочков, С. А. Сухарев, А. Л. Учаев, В. В. Смольков, А. В. Игнатьев, М. А. Бобров, А. А. Завалишин, А. В. Черенков, Н. А. Чуманов, М. И. Ревищен, И. П. Олонкин, А. Ю. Солнцев, Л. И. Драчев, А. Ф. Смуров, Б. М. Ковешников, К. П. Васильев, Е.К. Калинин, А. П. Корольков и многие другие.
Глава I ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ И СИСТЕМ ВНУТРИКОРАБЕЛЬНОЙ СВЯЗИ 1.1. Цифровые системы связи Известно, что цифровым системам присуща высокая устойчивость к помехам как естественного, 1ак и искусственною происхождения. Они обеспечивают довольно большую надежность и дальность связи, поскольку приемные устройства должны решать лишь одну задачу: определять, есть сигнал (импульс) или его нет. В цифровых системах аппаратура уплотнения и коммутации потоков и аппаратура каналообразования может быть выполнена на основе микроэлектронных цифровых устройств (интегральных микросхем, микропроцессоров), имеющих лучшие массогабаритные и другие характеристики, к тому же она более надежна. Это считают особенно важным для ВКС, так как существенно сокращаются массогабаритные характеристики аппаратуры и обеспечивается высокая помехоустойчивость систем связи. Информация всех видов (телефонная, телеграфная, факсимильная, передача данных), преобразованная в цифровую форму, может коммутироваться, уплотняться в один цифровой поток и передаваться по каналам связи с помощью единых (интегральных) модулей. Это позволяет создавать единую унифицированную по видам информации систему, а стало быть, значительно уменьшить количество аппаратуры и ее типов. Для коммутации цифровых потоков могут быть применены электронные ключевые схемы, не имеющие механических элементов, в результате чего улучшаются характеристики коммутационного оборудования. Кроме того, электронные коммутаторы строятся на базе ЭВМ, что позволяет не только автоматизировать процессы коммутации каналов и сообщений, но и создавать предпосылки для наращивания и усложнения программ работы коммутационных центров и увеличения числа услуг для абонентов сети. Цифровые каналы и тракты связи не требуют настройки: они готовы к действию сразу после включения питания. Отпадает необходимость во взаимной подстройке и согласовании различных переприемных устройств сети при выполнении транзитных соединений. Любые изменения нагруз ки в каналах цифровой системы передачи не влияют на функционирование соседних каналов. Это позволяет оперативно получать сложные составные тракты, причем процесс транзитных соединений легко автоматизируется. С широким внедрением техники цифровой обработки и передачи информации стало возможным в максимальной степени объединить (интегрировать) как различные функции элементов системы Ч преобразование, уплотнение, коммутацию, передачу информации, так и аппаратуру, т. е. создать интегральные цифровые системы связи. Известно, что телеграфная и факсимильная информация, а также прочие данные могут быть представлены в единой стандартной цифровой форме сравнительно просто. Сложнее дело обстоит с передачей по цифровым трактам речевой информации, которую нужно преобразовать в цифровую форму, а потом, на приеме, подвергнуть обратному преобразованию. Операции эти довольно сложны, и их реализацию считают одной из важных проблем при создании цифровых систем связи. В настоящее время наиболее распространенными способами преобразования речевых сигналов в цифровую форму являются импульсно-кодовые и так называемое дельта-преобразование. Принцип импульсно-кодового преобразования (ИКП) заключается в том, что на передающей стороне непрерывный аналоговый сигнал дискретизируется. Амплитуда импульсов, отображающая мгновенные значения аналогового сигнала, преобразуется в двоичные числа, которые и передаются по каналам связи в виде последовательности импульсов одинаковой формы и амплитуды. На приемной стороне полученные двоичные числа декодируются, т. е. восстанавливается их амплитуда, соответствующая амплитуде исходного импульса на передающей стороне. Последовательность полученных импульсов различной амплитуды пропускается через фильтр, на выходе которого образуется непрерывный сигнал, подобный сигналу на передающей стороне. Существо дельта-преобразования состоит в передаче только знака приращения непрерывного аналогового сигнала (рис. 1.1). Для этого на передающей стороне его амплитуда в определенные моменты сравнивается с амплитудой ступенчатого аппроксимирующего сигнала, который получается из аналогового. Если значение аналогового сигнала больше аппроксимирующего, то в схеме сравнения вырабатывается лединичный импульс, а амплитуда аппроксимирующего сигнала увеличивается на единичную элементарную величину (квант). Если же значение аналогового сигнала меньше аппроксимирующего, то следует нулевой импульс, а аппроксимирующий сигнал по амплитуде уменьшается на один квант. В составе преобразователя имеется схема сравнения, которая управляет датчиком ступенчатого аппроксимирующего сигнала таким образом, что на его выходе образуется ступенчатый сигнал, подобный исходному аналоговому. Кроме того, этой схемой вырабатывается цифровая двоичная последовательность импульсов (лнулевой и лединица), описывающая характер изменения непрерывного аналогового сигнала, которая пе редается по каналу связи. На приемной стороне она попадает на формирователь ступенчатого аппроксимирующего сигнала, который в зависи Рис. 1.1. Принцип дельта-преобразования / Ч аналоговый сигнал;
2 Ч ступенчатый аппроксимирующий сигнал, полученный из аналогового;
3Ч момент сравнения;
4- цифровая поел ел о ва тел ьн ость на выходе схемы сравнения;
5Ч импульсная последовательность в канале связи;
6Ч ступенчатый аппроксимирующий сигнал, сформированный на приеме;
7 Ч восстановленный аналоговый сигнал на приеме мости от того, поступила лединица или нуль, соответственно увеличивает или уменьшает на один квант выходной сигнал. Полученный сигнал подается в фильтр, на выходе которого формируется аналоговый сигнал, подобный сигналу на передающей стороне. Применяется также способ преобразования, называемый параметрическим компадированием. Он принципиально отличается от приведенных способов преобразования аналоговых (речевых) сигналов в цифровую форму. При реализации его не производится преобразование в цифровую форму непосредственно аналогового сигнала на передающей стороне и восстановление его на приемной: по каналу связи идут лишь сведения об основных параметрах речевого сигнала, которые изменяются довольно медленно. В качестве параметров, характеризующих речевые сигналы, используют сведения о частоте основного тона, об интенсивности сигнала в различных частотных полосах, о расположении и интенсивности формант, т. е. областей концентрации энергии в спектре звуков речи, и др. В простейшей схеме преобразователя с параметрическим компандированием входной аналоговый сигнал поступает в анализатор, где осуществляется выделение его параметров. Эти параметры кодируются, и их значения передаются в виде двоичных чисел. На приемной стороне в декодере восстанавливаются значения параметров сигнала, а затем специальным устройством Ч синтезатором Ч воссоздается исходный речевой сигнал. Существенное преимущество таких систем Ч низкая скорость передачи цифрового сигнала (от 1,2 до 9,5 кБит/с), в то время как системы с импульсно-кодовым и дельта-преобразованием работают, как правило, на скоростях 9,5 кБит/с и выше. Однако качество воспроизведения речи при параметрическом преобразовании обычно несколько ниже, чем при импульсно-кодовом и дельта-преобразовании (рис. 1.2). Использование цифровой техники позволит образовать гибкие и разветвленные системы связи. Они строятся, в частности, в виде пространственной решетки (оптронной сети), основу которой составляют опорные узлы связи, соединенные магистральными линиями связи. Эти узлы Ч центры коммутации. С помощью коммутаторов, построенных на базе ЭВМ, осуществляются автоматический поиск и соединение абонентов в соответствии с присвоенными им номерами, а также с учетом категорий приоритета в представленном канале, циркулярная связь для различных групп абонентов, конференц-связь и т. д. Для работы в звеньях управления набором базовых модулей создаются модификации коммутаторов с различным числом каналов и абонентов. Абонентская аппаратура может включать в себя телефонные, ГГС, телеграфные, факсимильные и другие устройства. Информация всех видов преобразуется в оконечных устройствах в цифровые потоки с помощью ИКМ- и дельта-преобразователей или же преобразователей с параметрическим компандированием (рис. 1.3, 1.4). Все последующие операции (коммутация, уплотнение и др.) выполня Рис. 1.2. Принцип ИКМ-преобразонания /Чаналоговый сигнал;
2 - [очки дискретизации;
-f -амплитуда в моменты дискретизации;
4Чнабордвоичных чисел кодера. 5Чдвоичные числа на выходе колера;
6Ч последовательность импульсов Р. канале. 7 Ч двоичные числа на приеме;
8Ч восстановленные декодером амплитуды импульсов;
9Ч восстановленный аналоговый cm нал Рис. 1.3. Простейшая структурная схема преобразователя речевого сигнала с параметрическим командированием / Ч аналоговым сигнал: 2Ч анализатор медленно меняющихся параметров речевого сигнала;
3Чсистема передачи параметров (колер), кодирующая значения параметров речевого сигнала в цифровую форму;
4 Ч канал связи;
5Ч система приема параметров (декодер), преобразующая двоичные цифры в значения параметров сигнала;
6 Ч синтезатор, образующий искусственный речевой сигнал по полученным параметрам;
7~ восстановленный речевой сигнал Рис. 1.4. Структурная схема дельта-преобразователя / Ч входной аналоговый сигнал;
2 Чдатчик ступенчатого аппроксимирующею сигнала, вырабатываемого из входного аналогового;
J Ч схема сравнении входного аналогового сигнала со ступенчатым аппроксимирующим (управляет датчиком ступенчатого сигнала и формирует выходную цифровую последовательность);
4 Ч канал связи;
5Ч формирователь ступенчатого аппроксимирующего сигнала из принятой цифровой двоичной последовательности;
6 Ч фильтр;
7Чвыходной аналоговый сигнал.
ются независимо от вида информации. Вследствие этого в системе нет вторичных сетей со своими коммутаторами. Имеется единая цифровая система с единой системой коммутации, уплотнения и передачи информации. Вид же связи целиком определяется типом оконечного устройства, которым располагает абонент. Все технические коммутационные и каналообразуюшие средства могут монтироваться на объектах. Процесс создания внутриобъектовых цифровых систем связи идет по пути постепенного внедрения цифровых методов передачи и обработки информации в уже существующие системы и эволюционного преобразования их в полностью цифровые. 1.2. Классификация сетей связи Существующие корабельные сети телефонной связи строятся в основном на базе АТС координатного и квазиэлектронного типа различной емкости. Сети громкоговорящей связи и безбатарейной телефонной связи строятся на базе пультов связи с различным количеством направлений, со единенных каждый с каждым прямыми связями. Сеть трансляции строится на базе пультов и приборов трансляции. В качестве линий связи во всех системах используются симметричные телефонные кабели. Совокупность устройств и сооружений, при помощи которых осуществляется связь, называется сетью. Сети связи в узком топологическом смысле Ч это совокупность пунктов (оконечных узлов и т. п.), в которых происходит распределение информации и, в частном случае, ввод ее в сеть извне (пользователем) или вывод из нее, и линий или каналов связи, обеспечивающих перенос информации в пространстве между пунктами сети. При такой интерпретации можно выделить два основных класса: 1) сеть линий связи, соединяющих два или более пунктов сети и определяющих максимальную способность сети по передаче сообщений между этими пунктами;
2) сеть каналов, выделенных из линий для некоторого конкретного использования (для определенного вида связи и т. п.) и соединяющих оконечные (ввода и вывода) или коммутационные устройства пунктов связи. Сети линий и каналов, образуемых на этих линиях, являются базой для всех видов связи. Организация распределения и доставки сообщений и характеризует сеть. Существует несколько отличающихся друг от друга вариантов такой организации, применение которых зависит в первую очередь от заданного характера распределения информационных потоков в пространстве и во времени: 1) сообщения могут передаваться только между отдельными двумя пользователями в одном или в обоих направлениях, отдельно от других пар Ч некоммутируемая сеть прямых (например, арендуемых) каналов (рис. 1.5, а);
2) каждый пользователь сети может обмениваться информацией с любым пользователем сети. При этом каждый процесс передачи и приема сообщений между любыми двумя пользователями (взаимный обмен информацией каждого с каждым) осуществляется поочередно или одновременное помощью временных соединителей Ч коммутируемая сеть (контакт К) (рис. 1.5, б);
3) один пользователь обменивается (принимает или передает) сообщениями одновременно или разновременно со многими пользователями Ч сеть многопунктных каналов;
4) один источник передает информацию одновременно или разновременно многим потребителям (приемникам) Ч циркулярная передача информации по многопунктному каналу Ч сеть вещания (рис. 1.5, в);
5) множество источников передает одновременно или разновременно информацию к одному потребителю (приемнику) Ч циркулярный сбор информации по многопунктному каналу (рис. 1.5, г).
Указанные вариант! распределения могут дополняться различными модификациями.
б) Рис. 1.5. Организация распределения и доставки сообщений:
а Ч некоммутируемая сеть прямых каналов;
б Ч коммутируемая сеть (контакт К);
в ~ циркулярная передача информации по многопунктному каналу;
гЧ циркулярный сбор информации по многопунктному каналу 1.3. Структура сети связи и основные определения Под с т р у к т у р о й сети будем понимать совокупность ее пунктов (узлов, станций и т. п.) и соединяющих линий или каналов в их взаимном расположении и с характеристиками по передаче и распределению сообщений. Структура отражает способность сети доставлять информацию в различные ее пункты. Можно рассматривать структуру сети в целом и структуру отдельных подсетей, выделенных по виду связи, терри тории, ведомственной принадлежности или по какому-либо другому признаку. Для изучения общих структурных свойств сети со стационарными пунктами представляют ее в виде графа а={А,Щ, (1.1) где А = {dp...,ап) Ч совокупность узлов графопунктов (узлов сети);
В= {Ь.} Ч множество ребер графа между вершинами д;
и л., соответствующих линиям или пучкам каналов между узлами. Основные структуры сети связи приведены на рис. 1.6. Различают: полносвязанную сеть Ч соединение узлов по принципу каждый с каждым. В такой сети при Л'узлах число ребер N(N Ч l)/2. Из полносвязанной сети может быть исключено до Л' -. >ебер без нарушения связности сети. При исключении от N 1 до \(NЧ 2)( 'Ч 1)/|2 ребер связность может сохраняться (а может и нарушиться);
древовидную сеть Ч между каждой парой узлов может быть только один путь. Число ребер в такой сети равно /VЧ 1. Частными случаями древовидной сети являются: узловая сеть Ч с иерархическим построением и соподчинением;
звездообразная есть Ч с одним узлом;
линейная сеть: сетка Ч сетевидная сеть, в которой каждый узел является смежным только с небольшим количеством других узлов, обычно ближайших или имеющих большое тяготение. Плоская (планарная) сеть может быть нарисована на плоскости без пересечения ребер (где ребра Р 3 5 и Р м хотя и пересекаются, но могут быть изображены без пересечения). Неплоскую (непланарную) сеть нельзя изобразить без пересечения ребер. Частным случаем сети является кольцевая (петлевая, шлейфная), в которой число ребер равно N. Среди сетевидных структур можно выделить ряд регулярных структур с равномерным распределением пунктов (узлов) по территории с однотипным соединением между соседними узлами. К ним прежде всего относятся структуры, у которых в каждом пункте (кроме расположенных по краям сетки) сходятся три ребра Ч сотовая структура;
четыре ребра Ч решетка;
шесть и восемь ребер Ч двойная решетка, т. е. имеющая г = 3, 4, 6, 8. При большом числе N в таких сетях число ребер приблизительно равно г* /V/2. Реальная сеть, как правило, содержит области с различными структурами. Однако классическим типом структуры сети телефонной связи является иерархическая радиально-узловая структура, при которой каждый абонент соединяется индивидуальной (абонентской) линией с некоторым узловым пунктом, где располагаются устройства коммутации низшего звена.
Полносвязанная сеть Древовидная сеть Звездообразная сеть Узловая сеть Линейная сеть Плоская (пленарная) сетка Неплоская (непланарная) сетка Сотовая Решетка Двойная решетка Двойная решетка Кольцевая сеть Рис. 1.6. Основные структуры сети связи 1.4. Оценка состояния развития сетей распределения информации на оптических кабелях Рассмотрим три структуры интегральных сетей на оптических кабелях: радиальную, кольцевую и древовидную. Структура радиальная отличается большой гибкостью и позволяет обеспечить широкий круг аналоговых и цифровых служб и учитывать изменения в распределении абонентов. В интегральной сети на оптических кабелях с радиальной структурой абонентские установки подключаются к станции через дистанционные коммутационные центры (КЦ) необслуживаемого типа. Кольцевая структура в простейшей форме применяется в цифровой системе передачи телефонных сигналов, когда линия проходит шлейфом от АТС через все абонентские установки. В абонентской установке происходит выделение сообщения из линии и введение ответной информации для передачи по кольцу в сторону АТС (рис. 1.7). Основным преимуществом кольцевой структуры по сравнению с радиальной является экономия кабеля. При использовании оптического кабеля эта структура в простейшей форме не является оптимальной, так как прерывание кольца в каждой абонентской установке приводит к необходимости преобразовать оптический сигнал в электрический, и наоборот. Введение электрооптических интерфейсов усложняет проблему надежности такой структуры. Кольцевая конфигурация не отличается достаточной гибкостью в отношении перемещения абонентов и не обеспечивает конфиденциальность разговора из-за прохождения кольца через каждую абонентскую установку. Максимальное расстояние прохождения сигнала по кольцу значительно больше максимального расстояния прохождения сигнала в радиальном направлении по отношению к абоненту. Оптимальной для интегральной цифровой сети связи является структура со смешанной радиально-узловой конфигурацией (рис. 1.8).
Рис. 1.7. Кольцевая структура Кольцо проходит через последовательную цепь дистанционных КЦ, в которых осуществляется выделение и введение сообщений в кольцо, а также распределение их по определенным абонентским установкам. Для телефонных сигналов радиально-кольцевая сеть работает как обычное цифровое кольцо с коммутацией этих сигналов в дистанционном КЦ. При определении адреса в одном временном промежутке, соответствующем определенному абоненту, в дистанционном К - происходит выделение сообщения из этого временного промежутка и замена его ответным сообщением абонента для передачи по кольцу. Однако при увеличении числа абонентов, обслуживаемых одним дистанционным КЦ, трудно довести цифровую информацию, состоящую из 24 или 32 тональных каналов, до каждого КЦ. В этом случае телефонную часть сети эффективнее строить по радиальному принципу. Кроме того, на целесообразность применения радиально-кольцевой сети влияют распределение оконечного оборудования, требования к обслуживанию и общая протяженность сети. При объединении абонентов в группы, которые обслуживаются цифровой системой передачи на 24 или 32 канала, дистанционный К - должен быть частью радиальной сети. Предпочтительнее сеть с радиальной структурой использовать в тех случаях, когда к кольцу предъявляются высокие требования в отношении двухсторонних видеосигналов или требуется большое число волокон в кольце. Поэтому радиально-кольцевую сеть обычно применяют в тех случаях, когда оконечное оборудование распределяется небольшими группами и нагрузка относительно невелика. В сети с древовидной структурой (рис. 1.9) исходящие сигналы передаются от станции к абонентам таким образом, что каждый абонент получает один и тот же сигнал. Сеть с такой структурой является идеальной для кабельного телевидения и вызывает затруднения при распределении индивидуальных коммутируемых сигналов.
Рис. 1.8. Радиально-узловая структура Рис. 1.9. Древовидная структура Системы передачи с разделением по времени и длине волны в сети связи с древовидной структурой использовать нецелесообразно: первую Ч из-за временных задержек;
вторую Ч из-за необходимости установки большого числа регенераторов. При организации сети с древовидной структурой в оптическом кабеле необходимо иметь большое число ответвлений в сторону абонентских установок и использовать высокую степень многократной передачи. Реализовать эти требования довольно трудно, так как следует решить проблему подключения абонентских линий к оптическому кабелю, при этом дополнительно возникает задача последовательного соединения видеофильтров или преобразователей канала. Кольцевые сети так же, как и радиально-узловые, могут строиться по иерархической схеме. Для этого должны использоваться специальные пункты, которые содержат устройства взаимодействия двух кольцевых линий и передачи сообщений из одной из них в другую. Таким образом, для построения иерархических сетей на основе кольцевой структуры необходимы устройства трех типов: 1) промежуточное абонентское пункта А;
2) пункта управления работой кольца У;
3) пункта связи двух колец С. Пример иерархической сети на основе Рис 1.10. Иерархическая сеть кольцевой структуры показан на рис. 1.10, на основе кольцевой структуры где Л/1 и А/2 Ч два местных кольца;
3 Ч кольцо следующего уровня иерархии, Ml Чмагистральное кольцо высшего уровня. На рис. 1.11 показан вариант иерархической сети радиально-узлового типа, где кольца заменены узлами.
1.5. Выбор вариантов построения сети внутрикорабельной связи Для изучения общих структурных свойств сети со стационарными пунктами, как было отмечено выше, ее представляют в виде графа Можно рассматривать структуру сети в целом и отдельных подсетей, выделенных по виду связи, территории, ведомственной принадлежности или по какому-либо другому признаку. Количество ребер для основных структур сетей связи, согласно (1), составит: для полносвязанной сети для древовидной, звездообразной, линейной сети В = N-1;
для сетки В = vN/2;
где vЧ количество ребер, сходящихся в каждом узле сетки. Для кольцевой В = N. Количество ребер сети дает определенное представление об общем объеме кабельного оборудования, затрачиваемого на построение сети, но не отражает его количественные характеристики, которые являются определяющими при создании любой сети, независимо от средств пере Рис. 1.11. Иерархическая есть радиально-узлового типа дачи (симметричные пары, экранированные провода, коаксиальные пары, волоконно-оптические линии). Оконечные устройства и узлы могут располагаться по территории в произвольной форме, которая зависит от плотности, создаваемой нагрузки и топологии. Общий анализ таких сетей весьма затруднен и может быть проведен для конкретного случая (конкретного проекта). Анализ структуры сети связи с точки зрения расхода кабеля может быть проведен для регулярных структур, т. е. с распределением пунктов (узлов) по территории по определенным законам (равномерное распределение, равноудаленность пунктов и т. д.). В качестве регулярной структуры выберем ту, у которой пункты (узлы) равноудалены от центра сети на расстояние R и друг от друга. Расчет расхода кабеля проведен для сети, в которой имеются узлы коммутации на 4,8, 16, 32, 64 абонента. Для сети из N пунктов (узлов) расход кабеля L: Ч для звездообразной сети (1.3) Чдля кольцевой сети где Ч для линейной сети где Расход кабеля древовидной, узловой и радиально-кольцевой сетей зависит от структурных свойств сети (количество узлов, ребер) и может быть определен ориентировочно для конкретной сети. На рис. 1.12 показана зависимость расхода кабельного оборудования от емкости сети для различных структур сети. Из анализа полученных зависимостей можно сделать следующие выводы: 1. Наиболее оптимальными с точки зрения объема кабельного оборудования являются линейная и кольцевая сети. Максимальный объем кабельного оборудования кольцевой и линейной сети с увеличением ее емкости (1.5) (1.4) причем LMm сети --> кольцевой с е т и.
Если сеть кольцевая или линейная, то объем кабельного оборудования при децентрализованной коммутации практически не зависит от чис ла абонентов, тогда как при обычной звездной структуре с центральной станцией общий объем растет линейно с увеличением числа абонентов;
2. Объем кабельного оборудования звездной сети линейно возрастает с увеличением емкости сети, что не позволяет значительно сократить массогабаритные характеристики кабельного оборудования. Однако при малой емкости до 8 пунктов (узлов) объем кабельного оборудования отличается незначительно, что позволяет использовать звездную систему на низших уровнях иерархии сети;
3. Узловая структура сети имеет значительные преимущества по сравнению со звездной и древовидной структурами, однако значительно уступает кольцевой и линейным структурам;
Рис. 1.12. Зависимость расхода кабельного оборудования для различных структур сети от количества абонентов в группе 4. Сеть с древовидной структурой требует большого объема кабельного оборудования и вызывает затруднения при распределении индивидуальных коммутируемых сигналов;
5. Если сеть имеет структуру квадрата, то при централизованной коммутации объем кабельного оборудования увеличивается в. N /2 раз быстрее, чем при децентрализованной.
1.6. Выбор вариантов построения структуры сети при использовании волоконно-оптических кабелей Применение в интегральных сетях связи волоконно-оптических кабелей накладывает дополнительные требования и ограничения на структуру сети связи. Расчет, конструкция и работа оптической системы распределения зависят от многих факторов, включающих в себя технические требования на систему передачи, количество терминалов, которые будут установлены, возможность расширения системы в будущем, длину передачи в соединителях, окружающие условия и максимальный динамический диапазон, необходимый между различными парами терминалов. Динамический диапазон в звездообразной системе распределения с терминалами определяется выражением где /4ср =exp[-aZ,/()V -l)J Чсреднее значение между терминалами или станциями;
a Ч коэффициент затухания световода;
/. Ч длина волоконной линии. Для последовательной системы распределения динамический диапазон определяется выражением 2-JV где Lc Ч потери в разъеме, суммарные потери в ответвляющем соединителе;
С,Ч доля мощности, отводимой из обшей оптической магистрали к терминалу;
среднее значение величины Lt}Lt составляет около 1,5 дБ;
Тг Ч отношение входящей в ответвитель мощности к выходящей. Отношение оптической мощности в линии передачи на входе одного терминала к величине мощности на выходе другою терминала (ОМ) оп ределяется суммарной величиной потерь в системе. Величина ОМ для радиальной системы распределения данных определяется как (1.9) где Lh Ч вносимые потери в соединителе типа звезда;
Ls Ч коэффициент разветвления двунаправленного соединителя, обычно равный 1/2 (3 дБ). Для последовательной системы распределение данных величин ОМ задается формулой ОМ = 0, 5 А ^ - 2С,У ~ (1.10) Суммарные потери в последовательной системе TSL в дБ, исключая потери в самом волоконном световоде, можно представить формулой 0.11) где LsfЧ фактор разветвления в двунаправленном ответвителе (3 дБ);
Ltv Ч коэффициент ответвления Г-ответвителя (л10 дБ);
LctЧ собственные потери 7"-ответвителя (=1,5-г-2 дБ);
LclЧ потери в кабельном разъеме (=0,5+1,5 дБ);
LjtЧ вносимые потери, связанные с мощностью, ответвляемой в Г-ответвителе, и равные 101g(l-Z.,). При N <5 суммарные потери в обеих распределительных системах примерно одинаковы, однако для большего числа терминалов различие между ними быстро увеличивается. Для УУ= 10 в последоваЭБ тельной распределительной системе TSL = 48 дБ, а в звездообразной системе TSL ~ 23 дБ, что примерно в 2 раза меньше. 60На рис. 1.13 приведена за- 55висимость полных потерь в рас- 50пределительных системах от ко- 45личества используемых терми- 40налов. 35В радиальной системе ОМ 30изменяется обратно пропорци- 25онально 101g/V, а в последо- 20вательной системе Ч как экс- 15поненциальная функция с показателем N. 5 10 15 20 25 30 35 40 Параллельная распределиЧИСЛО ТЕРМИНАЛОВ тельная система типа звезда по уровню сигналов имеет преРис. 1.13. Зависимость полных потерь имущества перед последовав распределенных системах от количетельной системой, особенно ства используемых терминалов при большом числе терминалов (>10). Поскольку параллельная система имеет только один смеситель сигналов, то в ней не возникает проблем приема, характерных для последовательной системы и связанных с необходимостью иметь аппаратуру автоматического регулирования усиления с большим динамическим диапазоном для обработки больших сигналов от близко расположенных терминалов и слабых сигналов от удаленных терминалов. Недостатком параллельной системы является большая длина линии связи с каждым терминалом, что требует при одинаковом числе терминалов использования более длинного кабеля, чем при последовательной системе. Радиальная распределительная система имеет также преимущества по сравнению с последовательной Т-образной системой, исходя из динамического диапазона, поскольку в ней оптическая мощность распределяется между всеми терминалами поровну, что приводит к зависимости динамического диапазона только от расстояния до каждого отдельного терминала. Если все расстояния до терминалов одинаковы, а потери во всех соединениях также одинаковы, то динамический диапазон в звездообразной системе может приближаться к теоретическому значению, равному 1 (О дБ), при одинаковом затухании в кабеле во всех ветвях. Недостатком такой системы является большая суммарная длина кабеля, чем при использовании последовательной системы. Этот недостаток можно частично компенсировать, применяя единичный многоволоконный кабель на части пути между терминалами, а затем разветвляя отдельные световоды к индивидуальным терминалам, которые наиболее целесообразно связывать с центральной передающей подстанцией для обслуживания близко расположенных оконечных терминалов. При построении больших сетей обычно используются гибридные системы распределения, в которых комбинируются элементы всех типов систем распределения. Применяя гибридные системы, можно достичь большой гибкости по отношению к будущим изменениям и расширению систем и при этом использовать меньше кабеля, чем в случае применения чисто радиальной системы. Структурное построение волоконно-оптических распределительных систем возможно по одному из следующих вариантов: 1) звездообразная параллельная система (радиальная);
2) открытая последовательная система (линейная);
3) закрытая последовательная система (кольцевая);
4) гибридная система (комбинация различных типов систем). Каждая из приведенных систем имеет свои преимущества и недостатки. Основными критериями при выборе той или иной системы являются расход кабеля, количество разветвителей, величина суммарных потерь, надежность. При равенстве этих показателей обычно учитывают дополнительные факторы, такие как стоимость системы, возможность дальнейшего усовершенствования, подключения дополнительных терминалов.
Однако ни одна из приведенных систем не в состоянии удовлетворить всем требованиям к подобным системам: Ч звездообразная Ч из-за большого объема кабельного оборудования и высокого уровня полных потерь;
Ч открытая последовательная система Ч из-за высокого уровня полных потерь;
Ч закрытая последовательная система Ч из-за низкого значения надежности. Но любая из этих распределительных систем может быть использована как отдельная подсистема на определенном уровне иерархии гибридной системы. Учитывая, что нижний уровень иерархии сети (уровень, на котором подключается оконечное оборудование связи) оказывает значительное влияние на ее технико-экономические показатели в целом, рассмотрим основные характеристики сети на нижнем уровне иерархии. Расчет расхода волоконно-оптического кабеля в условных единицах R для возможных вариантов построения нижнего уровня иерархии сети при количестве абонентов в группе п = 4, 8, 16, 32, 64, 128 приведен в табл. 1. Таблица 1 Расход волоконно-оптического кабеля Расчет количества оптических разветвителей для возможных вариантов построения нижнего уровня иерархии сети при количестве абонентов в группе л = 4, 8, 16, 32, 64, 128 приведен в табл. 2. Графики зависимостей R ~ f(n) для различных вариантов построения системы приведены на рис. 1.14 и 1.15. Анализ полученных зависимостей позволяет сделать следующие выводы: 1. Изменение объема кабельного оборудования системы со звездообразной структурой не зависит от количества оконечных устройств в группе и линейно зависит от общей емкости системы. 2. Объем кабельного оборудования системы со звездообразной структурой меньше объема кабельного оборудования системы с линейной и кольцевой структурами при количестве оконечных устройств в группе п < 4. Во всех остальных случаях объем кабельного оборудования системы со звез Таблица 2 Расход количества оптических разъемов для возможных вариантов построения нижнего уровня иерархии сети дообразной структурой уступает объему кабельного оборудования систем с линейной и кольцевой структурами. 3. В системе со звездообразной структурой с увеличением количества оконечных устройств в группе количество оптических ответвителей уменьшается, однако звездообразные ответвители более сложные и, как следствие, более дорогостоящие. 4. Система с линейной структурой при количестве оконечных устройств в группе я > 8 имеет минимальный объем кабельного оборудования по сравнению с системами со звездообразной и кольцевой структурами, однако с увеличением количества оконечных устройств в группе увеличивается количество Т-образных ответвителей, что увеличивает величину полного затухания системы. При количестве оконечных устройств в группе я = 8 полное затухание системы составляет порядка 45 дБ, а при количестве оконечных устройств в группе л = 1 5 превышает значение 100 дБ, что делает работоспособность подобной системы весьма проблематичной;
5. Система с кольцевой структурой имеет объем кабельного оборудования, близкий к линейной системе, и не требует ответвителей.
R 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50. 4030 2010 Х 0 8 N Рис. 1.14. Расход волоконно-оптического кабеля (в условных единицах) для возможных вариантов построения нижнего уровня иерархии сети при количестве абонентов в группе п = 4Ч 1.7. Принципы построения коммутационных полей с использованием л-канальных МДП-транзисторов и оптических коммутационных элементов для системы ВКС /. 7.1. Принципы построения внутриобъектовых волоконно-оптических систем связи Один из наиболее распространенных видов связи Ч телефонная связь. Телефонные аппараты обычно соединяются через коммутационный узел, к которому они подключаются с помощью абонентских линий. В связи с бурным развитием оптоэлектроники основным направлением развития телефонной связи стала волоконно-оптическая система связи (ВОСС), где в качестве абонентских линий используются волоконно-оптические световоды, а в качестве коммутационных узлов Ч устройства на основе интегральной полупроводниковой и оптоэлектроннои технологии.
3000 - Х 2000 Х Х 1 0 0 0ХХ Рис. 1.15. Расход волоконно-оптического кабеля (в условных единицах) для возможных вариантов построения нижнего уровня иерархии сети при количестве абонентов в группе п = 255Ч4095 Применение ВОСС для обмена информацией между большим количеством удаленной абонентской аппаратуры, связанной между собой симплексными или дуплексными каналами связи, представляет определенный интерес. Она эффективна для передачи информации в самолетах, на кораблях, подводных лодках и т. д. Максимальная длина соединительных линий между абонентской аппаратурой составляет несколько сот метров или менее, а полоса частот передаваемых сигналов лежит в пределах от нескольких килогерц до нескольких сот мегагерц. Имеются два подхода к построению внутрикорабельных ВОСС, в которых обмен информацией с абонентами осуществляется несколькими потоками данных одновременно: Ч создание одиночных сверхбыстродействующих линий с передачей информации по общему каналу;
Ч создание многоканальных линий, где передача информации между разными абонентами осуществляется через центральную коммутационную систему. В первом случае обеспечение максимальной пропускной способности линии сопряжено с высокими требованиями к элементной базе ВОСС. Для этого потребуются сверхбыстродействующая аппаратура уплотнения, спектрально селектированные быстродействующие источники излучения и фотодетекторы, обладающие высокой надежностью и долговечностью при непрерывном режиме работы. Во втором случае скорость передачи и соответственно энергетические характеристики элементов ВОСС значительно ниже, но увеличивается количество ВОЛС. В ВОСС с общим волоконно-оптическим каналом возможны две разновидности соединения: система с соединением типа Т-образного ответвления (рис. 1.16) и система с ответвлением типа звезда (рис. 1.17). В ВОСС центральная коммутационная система работает, как правило, в режиме коммутации каналов и может состоять из центрального коммутационного устройства (ЦКУ) и местного коммутационного устройства (МКУ), при этом абонентская аппаратура (АА) к местному коммутационному устройству может быть подключена как последовательно (рис. 1.18), так и параллельно (рис. 1.19). В ВОСС с коммутацией каналов между вызывающей и вызываемой АА в течение всей передачи информации происходит сквозное соединение. В сеансе связи различают три фазы: установление соединения, передачу информации и разъединение (рис. 1.20). Устройство коммутации (рис. 1.21) в общем случае содержит устройство управления (УУ), некоторое число входо-выходных каналов (полюсов) и коммутационную сеть. Устройство управления формирует команды на изменение состояния коммутационной сети таким образом, чтобы обеспечить связь между заданными парами полюсов. Устройства коммутации, в которых полюса разделены на входные и выходные, являются раздельными. Если множество состояний коммута Рис. 1.16. Структурная схема с п последовательным подключением абонентов на основе Т-образных ответвителей Рис. 1.17. Структурная схема с п параллельным подключением абонентов на основе звездообразного ответвителя Рис. 1.18. Структурная схема последовательного подключения АА к МК Рис. 1.19. Структурная схема параллельного подключения АА к МК ционной сети позволяет реализовать любой список соединений полюсов, то устройство коммутации считается полнодоступным. Устройство коммутации называется неблокируемым, если для установления новой связи не требуется перестройка коммутационных элементов, обеспечивающих ранее установленные связи. В зависимости от способа разделения каналов и прохождения сигналов по коммутационной сети устройства коммутации подразделяются на пространственные, пространственно-временные и временные. /. 7.2. Пространственное и временное разделение каналов Пространственное разделение каналов характеризуется тем, что элементы коммутационной сети, образующие соединительный тракт между абонентами, разделены в пространстве, не имеют общих точек и в каждый момент времени могут быть использованы для установления лишь данного соединения. В отличие от устройства коммутации с пространственным разделением каналов, где речевая информация может передаваться как в форме непрерывных, так и дискретных сигналов, при временном разделении ка Рис. 1.20. Структурная схема устройства коммутации Рис. 1.21. Структурная схема интегральной цифровой системы связи налов сигнал разговорного спектра передается его дискретными значениями, по которым на приемном конце восстанавливается первоначальная форма сигнала. Чтобы обеспечить передачу непрерывного разговорного (аналогового) сигнала в виде дискретных импульсов и при этом не допустить значительных искажений, необходимо обеспечить определенную частоту следования этих импульсов. Согласно теореме Котельникова, для удовлетворительного качества передачи частота следования импульсов должна не менее чем в 2 раза превышать максимальную частоту передаваемого сигнала. Для передачи сигналов разговорного спектра, если считать наивысшей разговорной частотой / Ч 3400 Гц, частота следования импульсов / должна быть не менее 6800 Гц. Обычно используют частоту следования импульсов 8 кГц. Период следования импульсов при этом составит Г= ' = ' " =125 мкс.
/ о (1.12) Поскольку каждый импульс занимает только небольшую часть периода следования Т, в промежутках между импульсами, несущими информацию об одном сигнале, можно передавать импульс, несущий информацию о других сигналах. Такой принцип передачи сигналов позволяет получить многоканальную систему связи, которая обеспечивает многократное использование коммутационных элементов, при этом общее число временных каналов составит где ТЧ период следования импульсов;
тш Ч ширина импульсов;
т3 Ч защитный промежуток между импульсами. Время обслуживания. Телефонные вызовы, поступающие по абонентским линиям и соединительным линиям, занимают коммутационные приборы и линии на время ведения разговора и установления требуемого соединения. В общем случае это время является случайной величиной. Если длительность случайного времени обслуживания обозначить через, то вероятность P(t. /. 7.4. Структурная схема специализированной БИС для коммутационного поля Основным критерием оптимизации специализированной БИС является уменьшение количества ее внешних выводов, а также оптимизация количества корпусов БИС по построению на ее основе заданной системы. Коммутационная БИС Ч это полупроводниковая микросхема, с помощью которой можно скачкообразно изменять состояния проводимости электрических цепей (замыкание или размыкание их) на определенный промежуток времени. Такое изменение проводимости электрической цепи возможно контактным путем, т. е. меняя механически сопротивление токоведущих поверхностей электронной цепи, или бесконтактным путем, т. е. изменяя параметры одного из элементов цепи (R, емкости, состояния намагниченности этого элемента). Для изготовления коммутационной БИС наиболее подходит МДП Ч технология, которая дает возможность получить на одном кристалле десятки высококачественных ключей вместе с управляющим устройством, при этом существенно уменьшается потребляемая мощность. Полевой транзистор со структурой МДП (металЧдиэлектрикЧполупроводник) представляет собой активный полупроводниковый прибор (рис. 1.24 и 1,25), управляемый напряжением, принцип действия которого основан на модуляции проводимости приповерхностной области полупроводника перпендикулярным к его поверхности полем. Анализируя структурную схему пространственного и пространственно-временного коммутатора, можно выделить в его составе различные субблоки, например коммутационную матрицу, дешифраторы, согласу Вых Адрссно 'шюмшшющее устройс гво Рис. 1.22. Структурная схема дуплексного цифрового коммутационного поля Рис. 1.23. Структурная схема симплексного пространственно-временного коммутационного поля юшие схемы, сканистеры, запоминающие устройства. Большинство этих субблоков могут быть реализованы на основе БИС широкого применения. Однако целесообразно повысить функциональную завершенность и создать БИС, содержащую все субблоки коммутационного поля, и, тем самым, создать специальную БИС микрокоммутатора. Корпус БИС такого пространственного микрокоммутатора содержит и входных и т выходных выводов, а также три вывода для записи последовательным кодом управляющей информации на установление соединения, разъединения соединения, считывания управляющей информации о состоянии коммутационного поля и два вывода для подключения обшей точки и питания. Запись и считывание управляющей информации последовательным кодом несущественно ограничивает производительность коммутационной системы, так как время записи и считывания значительно меньше, чем время занятости соединительного тракта. Рассмотрим основные структурные схемы МДП БИС для коммутационных систем. Фирма Signetics (США) выпускает микросхему SD-5300, содержащую коммутационное поле с 16 точками коммутации (матрица 8x2) и управляющим им устройством (рис. 1.26). В микросхеме SD-53OO используются я-канальные М Д П -транзисторы. Рис. 1.24. Типовой режим работы МДП-ключа На рис. 1.27 показано выполнение на этих микросхемах триггера, а на рис. 1. 28 Ч как выполняется на 64 таких микросхемах коммутационное поле с 1024 точками коммутации. Для выбора нужной микросхемы требуется дополнительно два трехразрядных регистра и два дешифратора л1 из л8. На рис. 1.29 показана коммутационная система фирмы Signetics, МДП БИС которой содержат 64 (8*8) ключей и управляющее устройство. Фирма Juselek (США) разработала на КМДП транзисторах с подложкой из сапфира микросхему INS = 4201 (рис. 1.30). Схема имеет корпус с 18 выводами и содержит 16 ключей (матрица 4x4), 16 триггеров для хранения программ их настройки и дешифратор л1 из л16, который формирует сигнал выборки нужной точки коммутации на кристалле в соответствии с четырехразрядным кодом, подаваемым параллельно на входе Ас ~ Аг из внешнего устройства управления коммутационной системой. Рис 1.25. Зависимость сопротивления МДП-ключа от коммутируемого напряжения ференции с максимально возможным числом участников, равным 16, 2 формируется 16 = 256 сигналов вызова, на обработку которых требуется 2 5 6 x 0, 4 = 102 мкс; во-вторых, при выходе из строя Кц, когда производится перекроссировка установленных соединений абонентов, имеющих резервные линии связи. Если предположить, что каждый из 128 абонентов отказавшего К - имел по 10 соединений и все абоненты перешли на работу через резервный КЦ, то потребуется обработка 1280 сигналов вызова, на что уйдет примерно 0,5 с. Эта величина незначительно влияет на общее время перерыва связи, так как складывается с 1 с задержки перехода абонента на резервную линию. Выполненные оценки показывают, что выбранный тип центрального процессора обеспечивает достаточную производительность при решении возложенных на него коммутационных задач. Работа системы осуществляется следующим образом. Программа строится по принципу опроса всех абонентов начиная с нулевого по каналу Д. Затем производится последовательный опрос канала Е по всем К - 1. Опрос каждого ОЗУ осуществляется до получения пустого сообщения. На всякий принятый по каналу Д сигнал по адресу опрашиваемого абонента посылается байт подтверждения, имеющий вид д 000IVVVV где ДоЧД3 Ч количество байт значащей информации в посылке. ПРИЕМ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ, ПРОХОДЯЩЕЙ ОТ АБОНЕНТОВ ПО КАНАЛАМ ПЕРЕДАЧИ СЛУЖЕБНОЙ ИНФОРМАЦИИ (КАНАЛЫ " Д " И "Е"). ЭТА ИНФОРМАЦИЯ ИМЕЕТ ХАРАКТЕР ЗАПРОСА НА УСТАНОВЛЕНИЕ (ПРЕКРАЩЕНИЕ) СВЯЗИ, А ТАКЖЕ СИГНАЛОВ КОНТРОЛЯ РАССЫЛКА АБОНЕНТАМ СИГНАЛОВ ВЫЗОВА ПО КАНАЛАМ ПЕРЕДАЧИ СЛУЖЕБНОЙ ИНФОРМАЦИИ. ЭТИ СИГНАЛЫ ФОРМИРУЮТСЯ НА ОСНОВЕ ПРИНЯТЫХ ЗАПРОСОВ НА УСТАНОВЛЕНИЕ СВЯЗИ УСТАНОВЛЕНИЕ СОЕДИНЕНИЯ АБОНЕНТОВ ПО КАНАЛАМ ПЕРЕДАЧИ РЕЧЕВОЙ ИНФОРМАЦИИ " В 1 " И КАНАЛАМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ "В2" СБОР ИНФОРМАЦИИ О НАЛИЧИИ СВЯЗИ И ИСПРАВНОСТИ ПРИБОРОВ АБОНЕНТОВ, А ТАКЖЕ НАЛИЧИИ СВЯЗИ И ИСПРАВНОСТИ ДРУГИХ КЦ. ВЫДАЧА ЭТОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ СЕТИ СВЯЗИ Рис. 2.18. Алгоритм функционирования коммутационного центра Сообщения, принимаемые по каналу Д, могут быть как однобайтовые, так и многобайтовые. Каждое сообщение заканчивается байтом подтверждения, отсутствие которого свидетельствует о незавершенности приема. В однобайтовых командах биты Д 5 ЧД 7 *0 определяют вид принятой информации, биты Д(|ЧД4 Ч номер нажатой кнопки на коммутаторе 3. Всего семь видов однобайтовых команд, определяемых состоянием разрядов Д7ЧД5: 001 Ч отмена вызова; 010 Ч согласие на вызов; 011 Ч занято; 100 Ч вызов обычный по инициативе абонента; 101 Ч вызов обычный по инициативе КЦ1; 110 Чвызов экстренный по инициативе абонента; 111 Чвызов экстренный по инициативе К.Ц1. Абсолютный номер абонента определяется местом подключения его линии связи к КЦ1. Поэтому коммутаторы J, подключенные к двум КЦ1, могут работать по одному из номеров, основному или резервному. Рис. 2.19. Алгоритм функционирования абонентского прибора Рис. 2.20. Общий граф программы При организации связи обмен по каналам служебной информации ведется с указанием основного номера абонента. Действующий номер используется при определении направления трансляции сигналов вызова и при записях в ОЗУ конференций. При переключении абонента с одной линии на другую все установленные соединения должны быть перекроссированы на его новый номер. Инициатором переключения является коммутатор 3. Он формирует спецкоманду, информирующую КЦ1 о начале работы через него, и далее передает информацию обо всех установленных соединениях и посланных сигналах вызова. При получении спецкоманды К.Ц1 очищает ОЗУ конференции абонента (соответствующее действующему номеру) и по обычному алгоритму обрабатывает сигнал на установление соединений. Кроме того, на все КЦ1 рассылаются сообщения, что абонент изменил свой действующий номер, по получении которого делается коррекция в центральных библиотеках КД1. В коммутаторе 3 кнопки скомпонованы в матрицу. В исходном состоянии вся матрица нулевая, при нажатии кнопки соответствующий ей элемент матрицы переходит в состояние Лог 1. В каждом цикле производится считывание всей матрицы. Состояние абонента индуцируется различными режимами горения светодиода кнопки. Каждой кнопке соответствует ячейка ОЗУ, в которую записывается состояние абонента в формате. Информация из ячеек режима высветки извлекается в каждом программном цикле, и на ее основе, а также на основе состояния счетчика временных меток компонуются байты для рассылки в порты, управляющие включением светодиодов. Приемопередатчик коммутатора 3 при работе с КЦ1 находится в ведомом режиме. Первая половина 125 мкс цикла обмена сообщениями отводится под прием информации с КЦ1, вторая половина Ч под передачу на КЦ1. Обмен ведется непрерывно, при отсутствии значащей информации посылаются пустые (нулевые) сообщения. Этим поддерживается постоянно режим синхронизации КЦ1 и коммутатора 3. Использование такой системы позволяет: Ч расширить функциональные возможности аппаратуры и повысить эффективность использования сети ВКС за счет объединения нескольких видов обслуживания (передача громкоговорящей связи и трансляции, передача сигналов управления и т.д.), а также организации телефонной связи в едином коммутаторе; Ч уменьшить количество и массу линейных кабелей в 4 раза; Ч сократить количество оконечных устройств на объекте; Ч повысить надежность и живучесть системы за счет наличия кратчайших путей доставки информации, простоты синхронизации и т. д. 2.3.3. Принцип построения оптоэлектронного телефонного аппарата Для работы по ВОЛС может быть применен оптоэлектронный телефонный аппарат, работающий по оптоэлектрическому кабелю (ОЭК) и состоящий из двух оптических волокон и двух электрических жил. Удельные потери мощности излучения в волокне составляют примерно ЮдБ/км, диаметр световедущей жилы 50мкм, числовая апертура 0,2 [8]. Такой телефонный аппарат обеспечивает: вызов станции при снятии микротелефонной трубки; набор номера тастатурным импульсным номеронабирателем; ведение двустороннего разговора; отбой станции при укладывании микротелефонной трубки или при нажатии кнопки (отбой); получение акустического сигнала вызова; поворот набранного номера с числом цифр не более 20 с помощью кнопки * (повтор). Номинальный уровень оптического сигнала на выходе тракта передачи при суммарном звуковом давлении 2 Па в точке размещения микрофона составляет не менее 6 дБм. Номинальное звуковое давление на выходе тракта приема при оптическом сигнале на входе отЧ40 дБм доЧ27дБм составляет 2 Па. Уровень собственных шумов на выходе тракта передачи не более 60 дБ относительно номинального уровня. Уровень собственных шумов на выходе тракта приема составляет не более 54 дБ относительно номинального уровня звукового давления 2 Па. Аппарат потребляет ток не более 250 мА при напряжении питания 27 В. Уровень громкости вызывного сигнала на расстоянии 0,5 м от аппарата не менее 80 дБ. Аппарат состоит из следующих узлов: основания с закрепленными на нем печатными платами оптических приемника и передатчика, стабилизатора напряжения, вызывного устройства и усилителей; колпака с закрепленным импульсным номеронабирателем; микротелефонной трубки с оптоакустическим и акустооптическим преобразователями и оптоэлектрическим шнуром. Структурная схема оптоэлектронного телефонного аппарата представлена на рис. 2.21. Аппарат содержит следующие основные составные части: цепь приема и передачи, стабилизатор напряжения, вызывное устройство, импульсный кнопочный номеронабиратель. Тракт приема включает в себя выходной каскад с оптическим фотоприемником, выходной двухтактный усилитель с двумя излучающими диодами АЛ 115, оптоакустический преобразователь (телефонный капсюль) BF, соединенный двумя оптическими жгутами с использованием выходного усилителя. Тракт передачи включает в себя акустооптический преобразователь (микрофонный капсюль) ВМ, соединенный через световод микротелефонного шнура с фотоприемником ФД-8к микрофонного усилителя, оптический передатчик, состоящий из выходного каскада усиления с оптическим излучателем АЛ 115. Аппарат обеспечивает работу в следующих режимах: дежурном и при приеме вызова при уложенной микротелефонной трубке (МТТ). При этом режиме в состоянии ожидания находится устройство вызова, все остальные блоки в аппарате выключены, в том числе и стабилизатор блока питания. Рис. 2.21. Структурная схема оптоэлектронного телефонного аппарата Вызывной сигнал приходит по отдельной проводящей шине оптоэлектрического кабеля. При получении сигнала вызова вызывное устройство фиксирует двухтональный акустический вызывной сигнал. Разговорный режим. При снятии микротелефонной трубки контактами рычажного переключателя вызывное устройство отключается от шины вызова и по этой шине выдается сигнал занятости станции (линии), одновременно подается напряжение на стабилизатор напряжения и тока. Информационный сигнал с одного из волокон ОЭК поступает на фотоприемник, преобразующий аналоговый оптический сигнал в электрический ток, который затем усиливается усилителем приема и преобразуется в оптический светоизлучающими диодами. Аналоговый оптический сигнал со светоизлучающих диодов подается по двум световодным жгутам в микротелефонную трубку на оптоакустический преобразователь (телефон), преобразующий его в акустический. При передаче акустический сигнал преобразуется акустооптическим преобразователем в модулированный световой поток, который по оптическому жгуту попадает на фотоприемник микрофонного усилителя тракта передачи. Здесь оптический сигнал преобразуется в электрический сигнал, усиливается и преобразуется снова в оптический излучающими диодами выходного каскада оптического передатчика. Аналоговый оптический сигнал передается по волокну ОЭК. Набор номера. При нажатии кнопки декадной тастатуры номеронабиратель формирует сигналы набора номера, которые поступают на транзисторный ключ оптического передатчика. Ключ прерывает постоянный оптический сигнал, поступающий в ВОК, преобразуя последовательность электрических импульсов в последовательность оптических посылок. При укладывании микротелефонной трубки на рычажный переключатель отключается напряжение питания, снимается сигнал занятости станции и аппарат возвращается в режим ожидания вызова (дежурный режим). Описанный телефонный аппарат входит в состав системы связи и позволяет решить задачу передачи и приема информации в условиях сильных электрических и электромагнитных помех на кораблях. 2.4. Автоматизированный интегральный цифровой комплекс внутрикорабельной связи В настоящее время выдвигаются требования по созданию единых комплексов связи, объединяющих как систему внутренней связи, так и систему радиосвязи и управления. В объединенном комплексе осуществляются виды связи: телефонная; ГГС; трансляция; радиосвязь; передача данных и др. Особенностью графика корабельной связи для боевой работы является 100%-ный доступ абонентов к каналам связи. Количество используемых радиосредств в зависимости от ранга корабля может составлять от 20 до 150. Комплекс связи должен иметь автоматическое управление как сетью внутренней связи, так и системой радиосвязи. Приоритетные абоненты и средства радиосвязи обслуживаются с пульта управления. Основной алгоритм обеспечения абонентов радиосвязью: предварительное формирование трактов оператором-радистом по принципу группового использования радиосредств и автоматическое использование сформированных трактов в соответствии с приоритетом абонентов по команде от выносного поста связи (ВПС). Контроль исправности трактов осуществляется автоматически и отображается на пульте оператора по его запросу. Для автоматического выбора рабочих частот в процессе формирования трактов в памяти устройства управления должно храниться не менее 700 номиналов частот СДВ, KB, УКВ, ДЦВ диапазонов. Приоритетным абонентам должна быть предоставлена: Ч избирательная связь с любым абонентским устройством; Ч циркулярная двухсторонняя связь с любой группой абонентских устройств и со всеми абонентскими устройствами сети; Ч индикация вида связи и номера абонентского устройства, с которого ведется связь; Ч прослушивание внутренних переговоров абонентов своей группы при одновременном ведении внешней радиосвязи и внутренней связи; Ч прослушивание до четырех видов сигналов тональных информаторов при одновременном ведении любого вида внешней или внутренней связи. По сети внутренней связи должно быть сформировано одновременно не менее четырех каналов трансляции с возможностью передачи по ним команд или радиовещательных передач. Коммутационные устройства сети внутренней связи должны обеспечивать многоуровневый иерархический приоритет абонентов и организацию многоуровневой конференц-связи для различного числа абонентов. Существующая система аппаратуры типа Буран предназначена для управления корабельным радиокомплексом. Основу системы составляет линия коллективного пользования (ЛКП), которая состоит из совокупности приемопередатчиков сообщений (ПРМДС), связанных между собой двумя уплотненными каналами передачи данных (основным и резервным), образующими однонаправленное кольцо. В одноканальную ЛКП может быть включено до 100 ПРМДС, каждому из которых присваивается свой адрес, к каждому ПРМДС через УС может быть подключено от 1 до 100 абонентов (рис. 2.22). Выбор канала передачи данных осуществляет входящее в состав ЛКП устройство коммутации сообщений (УКС). Абоненты ЛКП обмениваются между собой информацией в виде сообщений, реализуемых побайтнодвоичным последовательным кодом. В обмене информацией одновременно могут участвовать только два абонента однокольцевой ЛКП Ч передающей и принимающей, монополизирующие линию связи на период обмена. Недостатками такой системы являются большая энерговооруженность объектов, разветвленная силовая электросеть, высокая плотность электротехнических и радиотехнических устройств приводит к высокой напряженности электротехнических и магнитных полей широкого спектрального состава. Эти поля, воздействуя на электрические цепи системы связи, создают помехи, снижающие разборчивость речи, при этом система имеет и ряд других недостатков. Для повышения качества каналов передачи информации и повышения надежности при одновременном расширении функциональных возможностей системы рассмотрим как один из вариантов ВОСС, в которой устранены вышеназванные недостатки |6]. Сеть (рис. 2.23) состоит из центрального блока коммутации (ЦБК) и блоков коммутации (БК), к которым подключены источники информации и абоненты. БЦК и БК соединены между собой посредством ВОЛС. БЦК состоит из следующих основных элементов: Ч устройства управления; Ч коммутационного поля; Ч центральных приемопередающих блоков открытой и закрытой информации; Ч магистрали, отображения информации и контроля; Ч аппаратуры контроля и др. В аппаратуру управления радиокомплексом (АУР) входят: Ч пульты внешней и внутренней связи; Ч пульты оператора-радиста; Рис. 2.22. Одноканальная линия коллективного пользования Н>ьг *I I Пульт I 4' BHjTp, ШЯШ "'I' Х! внеш. с в я т j Рис. 2.23. Структурная схема ВОСС Ч пульт телеграфной связи; Ч устройство сопряжения с радиосредствами (УС); Ч абонентские аппараты (АА); Ч устройства сопряжения оконечных средств; Ч дисплеи и др. элементы. Устройство управления комплексом (УУ) выполнено на основе микроЭВМ, которая обрабатывает управляющую информацию, поступающую от внешних устройств (пультов, БК и пр.), а также формирует коды управления внешними устройствами (БК и др.) и внутренними блоками УУ (коммутационные поля, контрольные устройства и др.). Пульт оператора-радиста подсоединяется непосредственно к УУ и предназначен для формирования каналов управления комплексом и индикации состояния работы технических средств. Пульт внешней радиосвязи подсоединяется к УУ через ЦППБ двумя двунаправленными ВОЛС, предназначенными для передачи речевой и телеграфной информации. Устройство сопряжения (УС) соединяется с УУ одной управляющей линией магистрального типа, служащей для обмена информацией управления между УУ и УС. Информационный обмен между этими устройствами осуществляется по второй ВОЛС. Пульт оператора укомплектовывается буквенно-цифровым дисплеем, абонентские ВОЛС предназначены для обмена информационными сигналами и сигналами управления между средствами радиокомплекса и БК. Групповые ВОЛС предназначены для обмена информационными сигналами между БК. Интерфейс обмена между техническими средствами и БК предназначен для обмена как информационными, так и сигналами управления между средствами радиокомплекса и БК по ВОЛС. Структура цифрового сигнала в кольце. Режим работы аппаратуры маркерный синхронный с временным уплотнением. По ВОЛС передается смешанная информация: Ч импульс синхронизации (маркер); Ч речевая информация в цифровом виде; Ч управляющая информация. При заданном количестве БК длительность циклов строго определена и циклы следуют друг за другом. Каждый цикл начинается с циклового синхросигнала (ЦСС). Частота следования циклов, а следовательно, и ЦСС составляет 64 кГц, что равно частоте дискретизации f3 аналогового сигнала, и длительность цикла составляет 15,6 мкс. В зависимости от частоты канальных интервалов N и частоты дискретизации f3 тактовая частота образующая цифрового сигнала /Т=/,ЛГ. (2-4) Структурная схема БК. БК разбивается на две части, относящиеся к приему и передаче информации в кольце и звезде и функционально связанные между собой коммутационным полем. Блок коммутации состоит из следующих основных узлов: устройств синхронизации приема кольца и синхронизации передачи кольца; коммутационных полей; устройств синхронизации приема и передачи звезды и управления. Цифровой сигнал поступает на устройство синхронизации приема кольца. Это устройство состоит из устройства выделения синхросигналов и формирования специальных сигналов, а также из схем защиты ЦСС и СЦСС от одиночных сбоев. Устройство формирования выделяет признаки ЦСС и СЦСС и формирует тактовые синхросигналы ТСС и специальные сигналы. Так как на устройство синхронизации подается цифровой сигнал, прошедший канал связи, в нем с определенной вероятностью элементарные символы могут быть искажены. Схема защиты от одиночных сбоев ЦСС по приходу признака ЦСС вырабатывает последовательность контрольных признаков ЦСС, по которой и принимается решение о наличии синхронизма. Благодаря данной схеме система переходит в режим поиска синхронизма только после трех следующих подряд сбоев ЦСС, при кратковременных искажениях синхронизма под воздействием помех сбоя синхронизации не происходит. Устройство синхронизации передачи кольца состоит из устройства уплотнения сигналов служебного канала, уплотнения информации и устройства согласования задержек. На вход устройства уплотнения СЛК поступает разуплотненный СЛК. где параллельный код преобразуется в последовательный со скоростью передачи 64 кБит/с. Устройство уплотнения информации выполняет те же функции по отношению к цифровому информационному сигналу. Но скорость передачи последовательного кода определяется тактовой частотой. Устройство согласования задержек служит для согласования времени приема и передачи СЛК. Организация коммутационных полей. Используется коммутационная система ВЧПЧВ (временноеЧ пространственноеЧвременное разделение). Цифровой сигнал кольца с оптического приемного устройства кольца поступает на устройство разуплотнения информационного канала. Сигналы управления для данного устройства формируются устройством выделения синхросигналов и формирования специальных сигналов. В устройстве разуплотнения информационного канала происходит снижение скорости передачи информации до 64 кБит/с. Выделенный СЛК с устройства разуплотнения информационного канала поступает на устройство разуплотнения служебного канала, где происходит снижение скорости передачи СЛК с 64 кБит/с до 125 Бит/с. В устройстве разуплотнения СЛК двоичный код преобразуется в позиционный, который управляет работой устройства коммутации кольца. В приемной части этого устройства происходит коммутация информации из кольца с нужным абонентом. В передающей части устройства происходит коммутация информации от нужного абонента в кольце под воздействием управляющих сигналов с устройствами синхронизации звезды. Устройство синхронизации звезды синхронизирует работу звездообразной подсистемы связи с кольцевой. Информация служебного канала устройств синхронизации звезды управляет работой устройства управления коммутационным полем, где происходит преобразование двоичного кода С Л К в позиционный код, поступающий на коммутационное поле, в котором происходит необходимая коммутация под воздействием позиционного кода устройства управления коммутационным полем. Абонентский аппарат осуществляет связь с любого из абонентов системы связи либо со всеми абонентами одновременно или с отдельной группой абонентов, находящихся в сети связи. Кроме того, АА принимает вызов, отображающийся в виде визуального и тонального сигналов, имеет выход на устройство ГГС, к нему может подключаться устройство документирования информации. Работает аппаратура управления радиокомплексом следующим образом. После подачи напряжения на все блоки системы, кроме управляющей ЭВМ, блоки переходят в режим ожидания и ЭВМ начинает обрабатывать программу начальной установки, по которой устанавливается исходное для работы состояние всех блоков и узлов системы, и на это время запрещается прерывание ЭВМ от всех источников прерывания, кроме канала связи. После окончания работы программы начальной установки ЭВМ переходит к обработке циклической программы контроля, по которой последовательно контролируются все узлы и блоки системы, а также все средства радиокомплекса (т. е. происходит периодический контроль аппаратурой управления радиокомплекса (АУР). В это время разрешаются все прерывания работы ЭВМ от всех остальных источников. При поступлении команды на ЭВМ с какого-либо пульта или устройства происходит прерывание работы программы контроля и управление передается подпрограмме обработки прерываний, которая, определив источник прерывания, передает управление той подпрограмме, которая работает с данным источником прерывания (таймером, ПО, АА и т. д.). После окончания работы этой подпрограммы управление передается к прерванной программе контроля. При наличии нескольких прерываний подпрограмма прерываний определяет порядок их обработки в соответствии с присвоенным приоритетом. Для определения источников прерываний каждому средству радиокомплекса, а также блоку АУР, который управляется от ЭВМ, присвоен адрес, а для хранения информации об их состоянии Ч соответствующая область памяти ОЗУ. В качестве примера рассмотрим работу АУР при формировании, например, тракта 2 ТЛФ.УКВ для разговора оператора. При нажатии кнопки 2 ТЛФ.УКВ на пульте оператора информация о состоянии органов управления пульта передается в ЭВМ. Текущая работа ЭВМ прерывается, и подпрограмма прерываний определяет источник прерываний Ч П О. После этого управление передается подпрограмме работы с ПО, которая, сравнив новое состояние органов управления со старым, определяет, какая кнопка нажата (нажатие кнопки 2 ТЛФ.УКВ), запоминает в области памяти ОЗУ, соответствующей пульту оператора, новое состояние пульта и в соответствии с нажатой кнопкой передает управление подпрограмме формирования тракта 2 ТЛФ. УКВ. Подпрограмма формирования тракта 2 ТЛФ. УКВ в соответствии с приведенными выше алгоритмами формирует заданный тракт, при этом она в процессе работы обращается к подпрограммам: работы с радиостанцией, выбора свободного канала в групповых линиях связи, работы с БК, работы с табло индикации ПО. После окончания работы подпрограммы формирования 2 ТЛФ. УКВ тракта на табло индикации загорается индикатор готовность Ч 2ТЛФ. УКВ, а управление передается прерванной программе. Работа АУР при смене рабочих частот. При включении питания микроЭВМ вначале обрабатывает программу начальной установки, часть которой для системы автоматической смены частот просматривает в ПЗУ ячейки, в которых хранится время смены частот, и выбирает из них ближайшее к текущему. Значение ближайшего времени загружается в буферный регистр, а соответствующий ему адрес ячейки ПЗУ, где хранится адрес радиостанции, и значение изменяемой частоты Ч в определенную ячейку ПЗУ микроЭВМ. В схеме сравнения происходит сравнение времени, записанного в буферный регистр, с текущим, и в момент сравнения происходит прерывание работы микроЭВМ. МикроЭВМ определяет источник прерывания (таймер) и считывает из ОЗУ адрес радиостанции и значения частоты, формирует команды смены частот и посылает ее в нужную радиостанцию. Далее ЭВМ вновь просматривает ПЗУ, выбирает ближайшее к текущему время, и вновь процесс повторяется. Обработка остальных алгоритмов начинается при поступлении команд с ПО или других устройств, при этом происходит прерывание работы микроЭВМ. Программа обработки прерываний определяет источник поступления команды и передает управление соответствующей подпрограмме, предписывающей работу с данным устройством. Формируемые микроЭВМ ответные команды посылаются нужным устройствам через соответствующий интерфейс. Блок сопряжения интерфейсов средств радиокомплекса и АУР с каналом управления предназначен для выдачи информации от внешних устройств, подключенных к данному БК, в канал управления АУР и приема из него информации, адресованной внешнему устройству. Из канала управления информация поступает в блок в последовательном виде и с помощью сдвигающего регистра преобразуется в параллельный код. Одновременно от устройств, подключенных к БК через интерфейс, поступает информация, предназначенная для передачи в ЭВМ. Наличие информации на передачу идентифицируется сигналом по линии запрос, по переднему фронту которого устанавливается в I триггер запроса соответствующего устройства. Сигналы с триггеров запроса всех устройств, подключенных к БК, поступают на устройство выделе ния запросов. На его выходе в соответствии с приоритетом, присвоенным каждому устройству, устанавливают код адреса соответствующего устройства и сигнал запроса на передачу при наличии хотя бы одного запроса от устройств, подключенных к БК. Адресная часть приходящей из общего канала информации анализируется, т. е. определяется, предназначена ли она для передачи устройству, подключенному к БК, или пришедший блок информации пустой. Этот анализ выполняется путем сравнения адресной части команды с адресом, присвоенным данному БК. Информацию о том, является ли блок пустым, определяют по третьему биту идентификации. Рассмотренный принцип построений комплекса аппаратуры внутрикорабельной связи с применением оптоэлектроники и ВОЛС как единой канальной и коммутационной среды, объединяющей все подсистемы АКС НК, может быть реализован только для нового кораблестроения и кораблей среднего класса. Комплекс позволяет обеспечить все виды ВКС, управление средствами АКС, коммутацию информационных трактов АКС. Объединение ВКС и АКС возможно при наличии блока ЦК со следующими функциями: сопряжение АРМ АКС с единой коммутационной средой по цепям группового управления КОА и АО; коммутации НЧ трактов в соответствии с единой адресной структурой ВКС, а также постовых устройств сопряжения с функциями группировки, разгруппировки команд управления; распределение информационных потоков внешних связей корабля; выработка команд на коммутацию (раскоммутацию) приемных трактов. Сопряжение блоков коммутации с различными абонентами возможно путем предъявления к абоненту требований по цифровым сетям интегрального обслуживания на базовом доступе 2В+Д (два по 64 кБит/с + 16кБит/с) либо с помощью стыка типа Форос. 2.5. Пример проектирования волоконно-оптических линий связи При проектировании ВОЛС решается задача выбора оптического волокна, источника света и приемника. Это требует детального знания эксплуатационных характеристик имеющихся компонентов и возможностей их сопряжения. Однако для принятия предварительного решения или оценки возможности применения волоконной оптики в конкретной системе разработчику нет необходимости проводить сложные расчеты, достаточно свести основные расчетные уравнения к ряду простых номограмм, графиков [1]. Представленные ниже номограммы помогут разработчику определить комбинацию типов компонентов, наибольшим образом удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к линии, а также компонентам стандартной линии: оптическим волокнам, излучателю, приемнику света, оптико-электронным и электронно-оптическим преобразователям, усилителям и фильтрам. При проектировании типовой ВОЛС необходимо выбрать оптический источник (световод или лазер): ширину полосы пропускания и тип оптического волокна; кварц-полимер, стеклоЧстекло со ступенчатым изменением показателя преломления или стеклоЧстекло с плавным изменением показателя преломления; коэффициент затухания волокна и тип оптического приемника (лавинный или /?-/-я-фотодиод). При построении графиков могут быть сделаны допущения, которые ограничивают возможность их применения. При разработке ВОЛС можно заменить компоненты, используемые в данном примере, любыми эквивалентными. Здесь в качестве оптического волокна используется градиентное волокно (1 ГТц-км), которое на рис. 2.24Ч2.28 обозначено буквой А, и градиентное волокно со ступенчатым изменением показателя преломления (кварц-полимер), обозначенное на этих же рисунках буквами В и С. Первым этапом проектирования как аналоговой, так и цифровой линии является выбор источника и типа оптического волокна. Его делают с учетом ограничений по ширине полосы для случая аналоговой системы и ограничений по скорости передачи информации для цифровой системы. Длина линии передачи является конечной переменной для обоих случаев. Графики, представленные на рис. 2.24 и 2.25, разделены граничными кривыми на зоны А, АВ, ABC, АВСД, которые соответствуют типу использованного оптического волокна. Если проектируемая ВОЛС попа Рис. 2.24. Зависимость ширины полосы аналоговой ВОСС от длины линии Рис. 2.25. Зависимость скорости передачи цифровой ВОСС от длины линии Рис. 2.26. Номограмма для расчета аналоговых ВОСС Полные допустимые потери в оптическом волокне, дК ИзлучаЛазер тель Д С А,В А,В дс Чг~ Отношение си| нал/шум для p-i-п-фотоднода Отношение еж нал/шум для лавинного 40 Б фотодиода /^30 ГГГЧ'Т 80l 80l 901 90 || 0.01 0,1 Ю 100 Ширина полосы системы. Mi ц 0,01 0,1 10 100 Ширина полосы системы, Mr Рис. 2.27. Номограммы для расчета цифровых ВОСС Рис. 2.28. Номограмма для ускоренного расчета ВОСС дает в зону с надписью Повторитель, это значит, что для нее требуется, по крайней мере, один ретранслятор. ВОЛС, которая попадает в незаштрихованную зону верхней части (рис. 2.24), в настоящее время не может быть реализована с помощью существующих светодиодов, и поэтому следует переходить к использованию графика, приведенного на рис. 2.25. Для ускорения проектирования можно произвести предварительную оптимизацию путем выбора типов излучателей и оптического волокна на основании требуемой ширины полосы ВОЛС или скорости передачи данных. После того как (исходя из ограничений линии по ширине полосы) определены оптическое волокно и источник, можно приступить к выбору значений выходной мощности источника, эффективности связи между источником и волокном и чувствительностью приемника для аналоговых сигналов (рис. 2.26) и цифровых линий связи (рис. 2.27) с учетом ограничений, передаваемых из конца в конец линии. Во всех случаях, когда это возможно, в качестве приемника следует использовать р-/-я-фотодиод, поскольку он дешевле лавинного (ЛФД) и требует меньшего рабочего напряжения. С помощью номограмм можно определить также общую допустимую величину потерь в ВОЛС в зависимости от выбора типа источника, оптического волокна и приемника, ширины полосы линии или скорости передачи данных и отношения сигнал/шум линии или частоты появления ошибок. Кривые на номограммах построены в предположении потерь 3 дБ на соединителях и 5 дБ на сращиваниях. Номограмму на рис. 2.28 можно использовать для предварительного выбора типа оптического волокна, длины линии и допустимого запаса мощности ВОЛС, а также для перевода запаса мощности в величину затухания оптического волокна длиной 1 км. Оптимальное оптическое волокно определяют на этой номограмме по пересечению правой шкалы линией, соединяющей точку, соответствующую требуемой длине линии по шкале слева, с точкой, соответствующей допустимым потерям по средней шкале. Все типы волокон, находящиеся выше этой точки пересечения, будут удовлетворять требованиям системы. На этой номограмме они перечислены сверху вниз в порядке убывания стоимости. Следует помнить, что при выборе оптического волокна с наибольшей величиной потерь дальнейшей минимизации стоимости системы не требуется. Выбор же самого лучшего по качеству оптического волокна может снизить требования, предъявляемые к источнику, приемнику и электронной части линии, что позволит достичь необходимого сочетания оптического волокна, излучателя и приемника. Номограммами, представленными на рис. 2.27Ч2.28, можно пользоваться начиная с любой точки для заданных скоростей передачи данных ВОЛС и типа оптического волокна или определять типы излучателя и приемника, исходя из заданных запаса мощности линии и типа волокна. Эти номограммы могут быть использованы также при итеративном способе проектирования ВОЛС. Они позволяют быстро оценить различные комбинации требований, предъявляемых к линии, и (или) технические ха рактеристики волоконно-оптических компонентов, а также найти оптимальное решение для ВОЛС. Чтобы показать, как пользоваться номограммами для проектирования линии, рассмотрим линию, составленную из двух волоконно-оптических кабелей длиной по 1 км. Это типичная конфигурация для телефонной линии связи, передачи видеосигналов, межсоединений ЭВМ и дистанционных измерений параметров установок и механизмов кораблей. Выбор между цифровой передачей видеосигналов со скоростью 100 Мбит/с и аналоговой видеосистемой с шириной полосы 5 Мгц осуществляется достаточно просто. Для цифровой ВОЛС вероятность появления ошибок по битам составляет 10'8, тогда как для аналоговой линии требуется номинальное отношение сигнал/шум 40 дБ. Все остальные технические характеристики, такие как усиление, принимаются одинаковыми. Для расчета цифровой линии сначала на график (рис. 2.24) наносят точку, соответствующую длине линии 2 км и скорости передачи 100 Мбит/с. Эта точка находится за пределами области с надписью Повторитель, следовательно, систему нельзя реализовать с помощью светодиодов. Далее эту точку наносят на рис. 2.25. Теперь она лежит в зоне АБ Ч для лазерного диода (зона ограничена сплошными линиями) и в зоне А Чдля обычного лазера (зона ограничена штриховыми линиями). Затем по номограмме на рис. 2.26 определяют общие допустимые потери с линии, для чего проводят вертикальные линии из точек, соответствующих скорости 100 Мбит/сЧдля лавинных фотодиодов и />-/'-я-фотодиодов. Выбор завершается определением типа волокна (рис. 2.28). Здесь линии прочерчивают от точки, соответствующей 2 км на шкале Длина волокна, через шкалу полных допустимых потерь в волокне для лавинного и /?-/-л-фотодиодов и продолжают до пересечения со шкалой, показывающей затухание в волокне длиной 1 км. На основании примерной оценки стоимости компонентов окончательно выбирают лучший лазер, волокно и /w-я-фотодиод. 2.6. Способы повышения надежности, живучести, помехоустойчивости и ремонтопригодности системы внутрикорабельной громкоговорящей связи Для повышения надежности, живучести, помехоустойчивости и ремонтопригодности систем ГГС предстоит разработать и внедрить новые технические предложения по схемотехнике и конструкции абонентских приборов, а также новую элементную базу на основе БИС и СБИС. Современные системы аппаратуры ВКС Лиственница, Крапива и Рябина состоят из ряда абонентских приборов, которые размещены как внутри корабля, так и снаружи. Наиболее уязвимым и менее надежным и живучим является прибор НЛП, обеспечивающий внутрикорабельную связь командиру или вахтенному офицеру, находящемуся на ходовом мостике. Недостатком этого прибора является низкая защищенность (защита) про тив высокого гидростатического давления (свыше 100 кг/см ), приводящая к выходу его из строя. Предлагается в [22] для увеличения надежности и живучести НЛП выполнить его из двух частей Ч съемной и стационарной. Герметичное устройство ГГС (рис. 2.29) состоит из двух блоков: герметичного стационарного блока 1, устанавливаемого на верхнем мостике корабля, и негерметичного съемного блока 2, который убирается вовнутрь корабля. Стационарный блок / на стороне, соприкасающейся со съемным блоком 2, имеет два выступающих стакана с зазором между ними, в углублениях которых (со стороны внутренней поверхности блока) размещены две секции первой обмотки 3 индукционного разъема, последовательно и согласно соединенные между собой. В стационарном блоке размещены также управляемое герконовое реле 6 и герметичный сальник 9 для ввода герметичного кабеля (линии ГГС и управления) 10. Съемный блок 2 содержит вторую обмотку 4 индукционного разъема, к которой подключена головка обратимого электроакустического преобразователя 5, постоянный магнит 7, управляемый герконовым реле 6 и механически связанный с тангентой 8. При необходимости ведения связи через устройство съемный блок устанавливается на стационарный блок и закрепляется фиксаторами. При этом обмотка 3 и 4 индукционного разъема, а также управляемого герконового реле 6 с постоянным магнитом 7 оказываются в положении наиболее эффективного взаимодействия. Электрические сигналы, поступающие с электроакустического преобразователя 5, проходя через обмотку 4, создают переменный магнитный поток, который пересекает обмотку 3 стационарного блока и наводит в ней ЭДС, пропорциональную величине этого магнитного потока. Непреднамеренное смещение съемного блока в осевом или радиальном направлении не вызывает изменения коэффициента передачи, так как магнитное поле между обмотками 3 и 4 практически однородно, а магнитный поток, замыкающийся через постоянный воздушный зазор между стаканами, остается неизменным. Следовательно, и ЭДС, наводимая в обмотке стационарного блока, постоянная, т. е. коэффициент передачи остается также постоянным. Для передачи речи нажимается тангента 8, в результате чего магнит 7 взаимодействует с герконовым реле 6, которое передает сигнал управления в линию с целью формирования тракта передачи речи. Передаваемые звуковые сигналы воспринимаются головкой электроакуРис. 2.29. Герметичное устройство ГГС (НЛП-2) стического преобразователя 5, работа ющего в режиме микрофона, и через обмотки 4 и 3 индукционного разъема передаются в линию. Для приема речи отпускается тангента 8, тракт связи с помощью магнита 7и герконового реле 6 переводится в режим приема. Принимаемые с линии сигналы речи через обмотки 3 и 4 индукционного разъема поступают на головку электроакустического преобразователя 5, работающего в режиме громкоговорителя, и воспроизводятся в виде речи. По окончании связи (перед погружением объекта) съемный блок снимается со стационарного блока и убирается внутрь объекта, а на верхнем мостике остается стационарный блок, выдерживающий высокое гидростатическое давление. Применение этого устройства в значительной степени повышает надежность и живучесть связи с верхнего мостика корабля, так как в отличие от НЛП-1 аппаратуры ВКС Лиственница исключается возможность попадания воды на головку электроакустического преобразователя, а значит, и необходимость герметизации штока тангенты, через сальник которого также проникает вода. Кроме того, такая конструкция способствует повышению разборчивости принимаемой речи, значительному снижению трудоемкости изготовления и экономии материалов. Известно, что на верхних палубах кораблей размещено большое количество передающих антенн различных диапазонов частот. Абонентские приборы аппаратуры ГТС, установленные на верхних постах кораблей и судов, постоянно подвергаются воздействию электромагнитных излучений указанных антенн, которые наводят в устройствах помехи, мешающие нормальному ведению ГГС, а нередко делающие ее невозможной. Для повышения защищенности устройств (абонентских приборов) ГГС от воздействия электромагнитных помех, создаваемых внешними источниками излучений, может быть использована структурная схема (рис. 2.30), которая содержит: корпус /, панель 2, электроакустические преобразователи 3, усилители приема 4 и передачи 5, блоки согласования 6, симметрирующий трансформатор 7, первичная обмотка которого подключена к микрофонному входу 8 устройства, а вторичная обмотка подключена ко входу усилителя передачи 5, конденсаторы 9, подключенные параллельно первичной и вторичной обмоткам; корпус / имеет по периметру выемку 10 w желоб //, в котором размещен резиновый жгут 12; панель 2имеет по периметру выступ 13, который при соединении с корпусом входит в выемку 10 корпуса /. Электромагнитное поле антенн воздействует на микрофонный двухпроводный симметричный кабель, подключаемый к разъему 8, наводя в обоих проводах одинаковые токи. Эти токи благодаря первичной обмотке трансформатора 7 замыкаются накоротко, взаимно уничтожаются. Остаточные токи асимметрии в первичной обмотке трансформатора 7 подавляются конденсаторами 9. В результате на вход усилителя передачи 5 и далее в линию наведенные токи не проходят и не создают помеху работе другого абонентского устройства, подключенного на противоположном конце линии связи. Для предотвращения проникновения магнитного поля, создаваемого радиоантеннами УКВ, внутрь устройства и наведения этим полем токов помех в проводах электрического монтажа устройства служит выступ по периметру панели, входящий в выемку корпуса при соединении панели с корпусом и образующий электрический контакт между ними. Этой же цели служит круглый жгут из токопроводящей резины, обеспечивающий дополнительный электрический контакт при соединении панели с корпусом; кроме того, он же одновременно повышает и водозащиту устройства. Применение такой схемы позволит значительно повысить помехозащищенность абонентских коммутаторов аппаратуры ГГС, устанавливаемых на верхних палубах кораблей, поскольку наводимые в двухпроводном симметричном микрофонном кабеле токи, благодаря симметрирующему трансформатору и включенным параллельно его обмоткам конденсаторам, уничтожаются, а проникновение электромагнитного поля УКВ внутрь устройства предотвращено с помощью электрического соединения по всему периметру между панелью и корпусом, обеспечиваемого выступом на панели и выемкой в корпусе устройства, и круглого жгута из токопроводящей резины, уложенного в желоб в корпусе. Испытание такой схемы на одном из кораблей показало, что при удалении передающей антенны от устройства на 1,5 м и напряженности поля антенны 7 В/м уровень наводимых токов в диапазоне 100Ч150 МГцуменьшается более чем на 53 дБ и практически не сказывается на качестве ГГС. Для ввода внешних кабелей абонентские приборы (коммутаторы) системы ГГС имеют в нижней части корпуса сальники или окна, в за Рис. 2.30. Структурная схема абонентского помехозащищенного прибора ГГС висимости от условий применения Ч на верхней палубе или во внутренних помещениях корабля. Количество сальников на коммутаторе определяется его емкостью. Общим недостатком всех коммутаторов является большая номенклатура конструктивов корпусов, зависящая от емкости и условий применения этих коммутаторов. Для устранения этих недостатков может быть применена конструкция коммутатора (рис. 2.31), которая содержит: корпус 3, в котором размещены громкоговоритель 4, абонентские коммутационные / и сигнальные 2 элементы. В нижней части корпуса 3 с помощью фиксаторов 5 крепится съемная часть 6, в которой сделаны вводные кабельные отверстия 7 с установленными в них эластичными уплотняющими гофрированными втулками (рис. 2.32). На рис. 2.32 показан ввод кабеля 2через вводное отверстие 7(рис. 2.31) с гофрированной втулкой /. Для надежности фиксации вводимого кабеля во вводном отверстии гребни гофрированной втулки выполнены наклонными по направлению внутрь устройства. Такие устройства могут изготовляться литьем или штамповкой одного конструктива при производстве корпуса (независимо от емкости прибора) без съемной части, а съемную часть целесообразно изготовлять отдельно с количеством вводных отверстий 7 от 1 до п. При монтаже на корабле в коммутатор устанавливается та съемная часть, количество вводных отверстий в которой равно количеству подведенных кабелей или на одно-два отверстия больше. Аналогичным образом устройство включается и в старую кабельную сеть при замене им коммутаторов аппаратуры ГГС на ремонтируемых кораблях и судах. Преимущество такого технического решения заключается в следующем: Ч упрощается конструкция корпусов коммутаторов; Ч повышается степень унификации коммутаторов, заключающаяся в уменьшении количества конструктивов корпусов устройств как по емкости, так и по условиям применения (водозащищенные и брызгозащищенные); Ч снижается трудоемкость изготовления устройств, а следовательно, и себестоимость; Ч снижается трудоемкость при монтаже на старую кабельную сеть с аппаратурой ГГС при ремонте кораблей; Ч из-за уменьшения количества свободных (после монтажа) вводных отверстий снижается уровень радиопомех, проникающих внутрь коммутатора при работе его на верхней палубе. По условиям эксплуатации, живучести и стойкости к внешним воздействующим факторам коммутаторы аппаратуры ГГС относятся к аппаратуре морской техники (класс 2). Однако водозащищенные коммутаторы аппаратуры ГГС имеют сложную механическую конструкцию переключателей типа П2К, надежность и живучесть которых очень низкая, а стоимость высокая из-за применения в каждом переключателе дорогостоящих сальников. Так, например, переключатель П2К имеет по ТУ число Рис. 2.31. Структурная схема упрощенной конструкции абонентского прибора системы ГГС Рис. 2.32. Ввод кабеля через вводное отверстие срабатываний всего 10 000. Для увеличения надежности и живучести аппаратуры все переключатели на коммутаторах в соответствии с J10] могут быть заменены ячейкой коммутации, выполненной на базе гезаконов. В результате число срабатываний переключателей повышается в 10 раз. Структурная схема такого устройства (рис. 2.33) содержит: ячейку коммутации /, состоящую из двух встречно включенных гезаконов 2А и 2Б с контактами 1Ч2; 2Ч1, светодиоды 3, резисторы 4, дифференциальные системы 5, микрофонный усилитель 6, усилитель принимаемых передач 7, микрофон <, в котором встроен постоянный магнит, и водо? защищенный громкоговоритель 9. На рис. 2.34 показана ячейка коммутации /, которая представляет собой углубление в виде призмы. В ее нижней части размещены два встречно расположенных гезакона 2А и 2Б, которые с целью увеличения степени водозащиты передней панели коммутаторов залиты композицией холодного отверждения. Гезаконовые контакты включены встречно, т. е. при воздействии магнитных силовых линий один конец замкнут (2А), второй размокнут (2Б), при смене направления магнитных силовых линий первый контакт будет разомкнут (2А), второй (2Б) замыкается. Разноименные контакты (/, 2) соединены вместе и подключены к средней точке дифференциальной системы, а через светодиод и резистор соединены с плюсом батареи; контакт 2(2А) через светоизлучающий диод 3, резистор 4 подключен к полюсу батареи, а контакт / (2Б) Ч к минусу батареи. При необходимости ведения связи абонент подносит микрофон, в котором встроен постоянный магнит, к ячейке коммутации с гезаконами 2А, 2Б. В результате этого контакты гезаконов 2А размыкаются, а контакты 2Б замыкаются. Создается вызывная иепь абонента № 2 (минус батареи): замкнутые контакты 2Б Ч средняя точка дифференциальной системы Члиния Ч средняя точка дифференциальной системы абонент № 2 Ч контакты 2А Ч светодиод 3 Ч резистор 4 Ч плюс батареи. Абонент № 2 получает световой вызов и вступает в связь. У вызывающего абонента горит светодиод 3, сигнализирующий о посылке вызова. По окончании разговора абонент подносит к ячейке коммутации, т. е. к гезаконам, микрофон с постоянным магнитом, повернутым на 180. При этом контакты 2Б размыкаются, прерывая вызывную цепь. Светодиод 3 вызывающего абонента и светодиод вызываемого абонента гаснут. Если абонент № 2 производит вызов, то создается цепь (минус батареи) от абонента № 1: соединительная линия Ч средняя точка дифференциальной системы Ч контакт (1Ч2) 2А Ч светодиод Ч резистор, минус батареи. Горит светодиод J, показывая, что абонент № 2 желает вступить в связь. Зажигание светодиодов происходит путем подачи напряжения от вызывающего абонента. В этом случае загораются светодиоды у вызывающего и вызываемого абонентов. При замыкании контактов гезакона у вызываемого абонента напряжение питания поступает на светодиоды дополнительно и от другого источника. Так как источники питания у вызываемого и вызывающего абонентов равны по напряжению и по Рис. 2.33. Структурная схема блока коммутации абонентского прибора Рис. 2.34. Ячейка коммутации лярности, они будут подключен!! параллельно. Таким образом, питание на светодиоды поступает от дифференциальной системы вызываемого и вызывающего абонентов. Применение этого технического предложения позволит создать достаточно простые и технологичные оконечные приборы для системы ВКС, которые обладают большей надежностью и живучестью, чем существующие. Значительный эффект в повышении помехозащищенности абонентских приборов системы ВКС в диапазоне УКВ и KB может дать использование вместо динамического микрофона типа ДЭМШ и электрического микрофонного шнура соответствующего оптического микрофона [19] и волоконно-оптического кабеля, так как в этом случае полностью исключаются электромагнитные наводки, действующие на микрофонный кабель. На рис. 2.35 показана структурная схема включения оптического микрофона и волоконно-оптического кабеля. Известно, что в существующих системах внутрикорабельной ГГС при выходе из строя управляющего устройства или отсутствии электрического питания всего коммутационного устройства связь между любыми абонентами системы ВКС невозможна. Для повышения живучести работы системы ВКС при выходе из строя управляющего устройства или отсутствии питания коммутационного блока может быть использована структурная схема (рис. 2.36) [12], содержащая следующие устройства: / Ч блок сопряжения с абонентскими линиями передачи управляющих сигналов; 2 Ч устройство управления; 3 Ч блок обнаружения аварии; 4Ч блок ключей с фиксацией состояния: 5Ч блоки сопряжения с абонентскими линиями передачи речевых сигналов; 6Ч коммутационный блок; 7Ч блок обеспечения конференц-связи. В исходном состоянии подвижные контакты ключей блока 4 находятся в верхнем по схеме положении, соединяя выходы блока сопряжения с абонентскими линиями речевых сигналов 5 с горизонталями коммутационного блока схемы 6. На выходе устройства управления 2 установлены сигналы лог. О и лог. л1, и в соответствии с состояниями этих выходов в коммутационном блоке схемы 6 реализованы соединения между абонентами согласно заявкам, поступившим в виде кодовых сигнальных посылок от абонентов по линиям передачи управляющих сигналов через блоки сопряжения с абонентскими линиями передачи управляющих сигналов / в устройство управления 2. Признаками аварии служит появление специальной кодовой комбинации сигналов на выходе блока 2 или пропадание сигналов на ею выходе в случае отсутствия питания. По этим признакам на одном из выходов блока 3 формируются импульсы, которые поступают в блок 4, в результате чего происходит переключение и фиксация ключей в нижнем по схеме положении. В соответствии с расположением заранее фиксированных соединений между горизонтальными и вертикальными линиями блока обеспечения конференцсвязи образуются группы конференц-связи абонентов. После устранения аварии блок 3 формирует импульс по другому выходу и ключи блока 4 Рис. 2.35. Структурная схема включения оптического микрофона Рис. 2.36. Структурная схема коммутационного устройства устанавливаются в верхнее положение, при этом соединение абонентов производится через ключи коммутационного блока схемы 6. Применение такой схемы в новых системах ВКС позволит значительно повысить их живучесть при авариях и при отсутствии электропитания на корабле. Ремонтопригодность системы ВКС достигается за счет того, что аппаратура системы строится по функционально-блочному принципу, что позволяет проводить восстановительный ремонт агрегатным способом. Среднее время восстановления модуля абонентского прибора (коммутатора) и коммутационного центра системы при использовании ЗИП Ч не более 30 мин [32]. При ремонте модуля ячейки необходимо выполнить съемными посредством разъемов. Время замены ячейки в конструкции должно составлять не более 10 мин. В модуле абонентского прибора и К - аппаратуры системы ВКС необходимо реализовать автоматизированную систему контроля. При этом возникает задача выбора наиболее эффективного метода контроля и условий его проведения с учетом режима эксплуатации с целью достижения наивысшей готовности аппаратуры системы ВКС в целом. Как известно, в настоящее время существует несколько методов контроля: 1) функциональное диагностирование системы связи при отсутствии встроенных средств контроля; 2) функциональное диагностирование с помощью автоматизированной системы контроля (АСК) и др.; 3) функциональное диагностирование непрерывно работающих элементов системы связи с помощью АСК. Сравнение вариантов диагностирования можно провести с помощью коэффициента ухудшения готовности реальной системы связи (2.5) где К. Ч коэффициент простоя при /-методе контроля; Кп Ч коэффициент простоя идеальной модели системы связи с мгновенным обнаружением отказа. Такой анализ позволяет сделать вывод, что для системы ВКС максимальная готовность достигается при непрерывном функционировании контроля ее технического состояния с помощью АСК, при этом использование функциональной диагностики с помощью АСК только в моменты сеансов связи практически не дает выигрыша в готовности системы ВКС по сравнению с комплексами, в которых объективный контроль за техническим состоянием аппаратуры системы ВКС отсутствует. Готовность системы ВКС в целом характеризуется (2.6) где АГф1 и Кга Ч коэффициенты множества элементов, контролируемых соответственно по методу функционального и тестового диагностирования. Выбор структуры электрооптического преобразователя для системы внут рикорабельной ГГС и трансляции. В настоящее время волоконные световоды нашли широкое применение на кораблях, судах и подводных лодках [6]. Важной проблемой, возникающей при внедрении внутрикорабельных световодных систем связи, является преобразование акустических сигналов в электрические. Используемые обычно электроакустические преобразователи Ч микрофоны типа ДЭМШ в аппаратуре внутрикорабельной связи типа Каштан, Лиственница, Крапива и т.д. обладают, однако, недостаточной защищенностью (защитой) от радиопомех (выдерживают наводки от корабельных радиостанций порядка 40 В/м). Существующие оптоэлектронные преобразователи [27] имеют большие потери световой энергии и малый диапазон преобразования акустического сигнала в электрический, а также невысокую надежность при внешних воздействиях (ударах, вибрации корабля и т. д.). Поэтому они не нашли применения на практике. Дальнейшее совершенствование электрооптических преобразователей будет идти по пути упрощения конструкции и технологии электронно-оптических преобразователей, а также повышения их надежности и чувствительности. Рассмотрим один из вариантов усовершенствованного электроннооптического преобразователя (рис. 2.37), который содержит: / Ч монохроматический источник света; 2 Ч фокусную линзу; 3 Ч волоконнооптический световод; 4 Ч пазы, выполненные в виде спирали; 5 Ч мембрану; 6Ч пленку; 7Чфотоприемник; 8~ корпус. Преобразователь находится в корпусе S, имеющем отверстия, и защищен декоративной решеткой. Световой пучок от монохроматического источника света фокусируется линзой и направляется перпендикулярно торцу волоконно-оптического световода, установленного в пазах мембраны по спирали. Такое размещение световода позволяет увеличивать его рабочую длину на мембране, что обеспечивает максимальную глубину модуляции интенсивности светового потока. В исходном состоянии при отсутствии воздействия акустического шума или речевого сигнала среднее значение текущего радиуса световодной спирали R (L), где L Ч минимальная длина спирали. При этом потери в тракте имеют Рис. 2.37. Электронномаксимальное значение. оптический преобразователь Под воздействием акустических колебаний мембрана начинает изменять свою форму. При колебаниях на первой моде ее форма соответствует части сферической поверхности (рис. 2.38). В этом случае площадь поверхности мембраны расширяется, что при сохранении количества витков спирали означает увеличение ее шага, а следовательно, увеличение текущего радиуса витков и уменьшение потерь в световодном тракте оптического преобразователя. Таким образом, при прогибах мемпоказателя ослабления излучения браны световой поток в оптическом альфа от радиуса изгибов волокна, уложенного в кольца с радиусом тракте оптического преобразователя кривизны Л( оказывается промодулированным по интенсивности. При этом в получении эффекта модуляции участвует значительная часть световода, свитого в спираль, что обеспечивает высокую чувствительность преобразователя. Эффективность устройства может быть определена следующим образом. Для оценки влияния излучений света на положения мембраны на изменение текущего радиуса Rj(L) и проходящего светового потока (т. е. чувствительность преобразователя) аппроксимируем форму мембраны при колебаниях на первой моде конусной (сферической) поверхностью. При этом полагаем, что основание корпуса представляет собой окружность с радиусом, равным радиусу круглой мембраны преобразователя (рис. 2.38), а боковая поверхность касательна к поверхности соответствующей части сферы. Тогда при рассмотрении сечения изогнутой мембраны видно, что каждый из витков претерпевает относительное изменение радиуса на величину (2.7) где а Ч угол наклона боковой поверхности конуса к его основанию. Оценку чувствительности выполним с помощью графиков рис. 2.39, на которых представлены зависимости показателя ослабления излучения а [1/мм] от радиуса изгибов волокна, уложенных в кольца с радиусом кривизны /?.. При этом воспользуемся аппроксимацией спиральных витков световодного тракта круговыми витками, что справедливо при малых амплитудах колебаний мембраны. Предположим, что спираль световодного тракта преобразователя имеет четыре витка со средними диаметрами 50, 40, 30 и 20 мм. При реальных значениях угла а = 1Ч3 относительное изменение радиуса будет находиться в пределах 0,001Ч0,0001. Рис. 2.38. График зависимости Тогда, принимая крутизну графиков для R. = 25, 20, 15, 10 мм минимально возможной а* = 0,01 1/мм, определим потери в световодном тракте при прогибах мембраны диаметром 50 мм, например на 0,5 мм. Эта величина прогиба характерна для обычных электродинамических микрофонов. Согласно [33], относительное изменение потерь будет определяться соотношением (2.8) (2.9) Таким образом, колебания мембраны 0,5 мм вызовут изменение потерь до 9,8 дБ, что легко фиксируется трактом регистрации. Современные измерители оптических трактов потерь позволяют определять потери с точностью до 0,01 дБ. Поэтому такая структура и принцип построения электронно-оптического преобразователя обеспечивают его высокую чувствительность. Частотные свойства такого преобразователя могут быть оценены следующим образом. Верхняя и нижние граничные частоты мембраны преобразователя связаны с ее массой и гибкостью соотношением [19]: (2.10) где С, Ч гибкость мембраны; Со Ч гибкость воздушного объема; т Ч масса мембраны. Круговая мембрана диаметром 5Ч6 см при изготовлении ее из металла или синтетического материала будет иметь массу 1Ч3 г. Масса свето Рис. 2.39. К оценке чувствительности оптического микрофона вода диаметром 100Ч120 мкм и длиной до 50 см около 0,05 г, что составляет 0,5% массы диафрагмы. Наличие пазов на мембране не изменит существенно ее гибкость и специально применяется для корректировки частотных характеристик мембраны. Таким образом, оптический тракт в отличие от существующих преобразователей представляет собой единую конструкцию, обеспечивает высокую чувствительность и диапазонные свойства и вместе с тем не требует установки в корпусе дополнительных оптических или механических элементов, что повышает надежность его функционирования на кораблях 119]. Глава 3 СИСТЕМА КОМАНДНОЙ БЕЗБАТАРЕЙНОЙ ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ Система командной безбатарейной телефонной связи (КТС) предназначена для парного и избирательного циркулярного телефонного соединения между командными и исполнительными постами. Система КТС комплектуется из следующих основных приборов [6]: Ч коммутаторов телефонных командных СТК; Ч аппаратов телефонных СТА; Ч штепселей параллельного включения ШПВ; Ч головных телефонов ТГФ, ТЛШ Ф и ТЗШ Ф; Ч микротелефонов МТ Б, МТ Ф, ДТ Ф; Ч усилителей УМТ; Ч прерывателей светового сигнала П2Р; Ч специального трансформатора для питания СТ; Ч коммутационных секций КС10; Ч переговорно-вызывных устройств ПВУ; Ч футляров ФТ-Ф. Имеются различные варианты исполнения каждого из этих типов приборов, которые отличаются между собой. Конструкция и схемы приборов систем допускают возможность использования для питания цепей вызова, отбоя и усилителей, источников переменного тока частотой 50 Гц через силовой трансформатор. Принцип телефонной связи заключается в том, что в пункте передачи речи звуковая энергия посредством микрофона преобразуется в электрическую, которая передается по проводам связи в пункт приема, где преобразуется посредством телефона в звуковую энергию. Принципиально любой электромагнитный телефон может работать в качестве микрофона. Наличие высокочувствительных электромагнитных телефонов и микрофонов позволило разработать телефонные системы, не требующие источников постоянного тока для питания микрофонных цепей. Книги, научные публикации