Передача даних каналами тональної частоти

У різних організацій, віддалених один від одного на значній відстані (наприклад, різні міста), яким необхідно обмінюватися цифровою інформацією (медицина, банки, наукові установи та багато інших), може виникнути проблема вибору середовища передачі необхідної їм інформації. На сьогоднішній день найбільш поширеними є аналогові лінії, що позначається на постійному вдосконаленні модемів, призначених передачі даних саме з них. Наша країна також не є винятком у цьому питанні. Крім того, цифрові лінії істотно дорожчі за аналогові. Можна, звичайно, використовувати комутовану мережу загального користування (але немає гарантії, що буде якість, що задовольняє вас), або "Іскру", але при великому обсязі інформації, що передається, це неефективно. Таким чином, найзручнішою є оренда каналів тональної частоти (ТЧ). Але при цьому виникають проблеми.

Для організації виділених каналів між організаціями сильно рознесеними у просторі (розташованими у різних містах) використовуються канали ТЧ, утворені різними системами передачі, як аналоговими, і цифровими. У цій статті особливу увагу приділимо аналоговим системам передачі, оскільки вони в нашій країні мають більшість на магістральних та внутрішньозонових мережах.

Наприклад, пункт 3.8 [1] нормується відхилення величини групового часу проходження (ГВП) від значення, виміряного на частоті 1900 Гц. Ця величина характеризує ступінь фазових спотворень дискретної інформації, які затягують час перехідного процесу у встановленні амплітуди та частоти сигналу, що передається. Якщо час перехідного процесу перевищить допустиму величину, можуть з'явитися помилки в повідомленні.

У пунктах 3.10-3.13 [1] визначено норми насумарний та відносний час дії імпульсних перешкод та короткочасних перерв рівня сигналу в каналах ТЧ аналогових систем передачі. Імпульсна перешкода являє собою порівняно короткий і потужний сплеск напруги, що заважає, який може викликати порушення передачі інформації або помилки. Амплітуда такої перешкоди можна порівняти з амплітудою корисного сигналу, а час дії можна порівняти з тривалістю одиничного елемента сигналу дискретної інформації.

Джерелами перешкод можуть бути:

лінійні підсилювачі систем передачі як перевантаження;
погані контакти електричних кіл;
перемикання апаратури та інші роботи, що проводяться персоналом лінійних та стаціонарних споруд зв'язку;
вплив грозових розрядів, ліній електропередачі, радіостанцій та інше.

Вважають, що імпульсні перешкоди викликають до 20% всіх помилок під час передачі дискретної інформації каналами ТЧ.

Короткочасні перерви зв'язку - це стрибкоподібне зменшення рівня сигналу, що приймається нижче заданого значення, яке не може компенсувати система автоматичного регулювання рівня в приймачі модему.

Цей вид впливів, що заважають, може викликати до 80-90% від загальної кількості помилок.

У пункті 3.14 [1] нормується тремтіння фази (джиттер фази) із частотою 20-300 Гц для каналів ТЧ, утворених як аналоговими, так і цифровими системами передачі, а також змішаних каналів ТЧ. Норма становить трохи більше 15 градусів.

Джиттер - це зміна (тремтіння) фази несучих коливань в каналах систем передачі з частотним поділом каналів, що викликається природною нестабільністю частоти і фази генераторів, що задають перетворювального обладнання систем передачі, а також проникненням фону (гармонік) змінного струму зчастотами 50, 100, 300 Гц у ланцюзі живлення цього обладнання.

Але навіть за відрегульованих каналах ТЧ бувають неприємні казуси, пов'язані з особливостями деяких типів устаткування систем передачі. Наприклад, у К-60П є наступний недолік: у той момент, коли включається підігрів генераторів, що задають відбувається короткочасний стрибок фази на 4-5 градусів, який негативно позначається на модемах (деякі з них можуть розірвати з'єднання).

Міжміські канали є 4-провідними, а якщо використовуються 2-провідні модеми, то необхідне використання дифсистем, які вводить таку дію, що заважає, як луна, через свою неідеальність або поганий налаштування. Особливо цей вплив впливає на великі відстані. Багаторазово посилена дальня луна стає порівнянною з корисним сигналом і впливає на якість передачі даних. Найкращий вихід із цього положення - це застосування 4-провідних модемів.

Всі перелічені вище заважають чинники на каналах ТЧ переважно носять локальний характер, що дозволяє виявити і усунути їх при докладному дослідженні каналу, або замінити несправний канал на справний, якщо є резерв. Таким чином, в більшості випадків канали ТЧ можна використовувати для передачі даних, а перепробувавши модеми, можна підібрати такий, що забезпечує надійну роботу. Але є, на жаль, ділянка, яку набагато складніше налаштувати і яка є менш стаціонарною, ніж канал ТЧ, - це так звана остання миля (ділянка від міжміської станції до абонента) - прямі дроти, які часом зводять нанівець усі характеристики каналу.

Експерименти проводилися з такими модемами: UNICOM 1414 VQE 14400, ZyXEL 1496, ZyXEL 2864, US Robotics Courier V.34 (V.32terbo, V.32bis), Paradyne 33600 (28800).Рівень на вході в каналоутворюючу апаратуру встановлювався рівним -28 дБ для виділених каналів, 0 дБ для прямих проводів і для ліній від -6 до -11 дБ. Методи стиснення та корекції помилок не використовувалися. Сполучені модеми встановлювали асинхронному режимі. Модеми використовувалися як 2-провідні (в канал включалися через дифсистему, за потребою ставився подовжувач на передачу), так і 4-провідні. Комп'ютер використовувався 386DX-25, тому продуктивність була низькою (до 500 байт/секунду, 2-задачне середовище Windows 3.1). Для експерименту використовувалися канали, утворені апаратурою К-60П (до двох переприйомів), канали, загорнуті в Архангельську (до 6 переприйомів), канали, загорнуті, у Сєвєродвінську (до 10 переприйомів), прямі дроти, АТСК корабельного типу та АТС Panasonic EM Для передачі використовувалися пакети, утворені за допомогою генератора псевдовипадкових чисел довжиною 1024 байта (також використовувалися пакети довжиною до 16384 байта на каналах з хорошими характеристиками) з контролем CRC16. Модеми примусово працювали з певними протоколами та на певних швидкостях для дослідження впливу швидкості з'єднання на якість роботи.

Експерименти показали, що це модеми зв'язувалися через використовувані в експерименті АТС максимальної швидкості. Імовірність появи помилки становила 10-7. АТСК, що використовується в експерименті, не вносила в сигнал, що передається, ніяких спотворень. Panasonic EMSS 336 значно перекошувала амплітудно-частотну характеристику, вводячи згасання близько 6-15 дБ (на частотах 300 і 3400 Гц відповідно), але модеми працювали практично без помилок. Імовірність появи помилки не змінилася. Робота модемів через канал ТЧ, утворений апаратурою К-60П, показала, що максимальна швидкість встановленняз'єднання у модемів склала: для Paradyne – 31200 біт/с, для ZyXEL – 26400 біт/с, US Robotics – 28800 біт/с, UNICOM – 14400 біт/с. Швидкості надано для однотипних модемів. Paradyne та ZyXEL відмовилися зв'язуватися за протоколом V.34 і взагалі не встановили з'єднання. Імовірність помилки на досліджуваних каналах ТЧ коливалася між 10-3 та 10-4. На прямих проводах модеми з'єднувалися на максимальних швидкостях і без помилок.

Використання протоколів корекції помилок практично зводило нанівець їхню появу.

Були помічені такі закономірності:

Залежність між швидкістю з'єднання та ймовірністю появи помилок така, що зазвичай на швидкостях до 9600 біт/с помилок практично не було, ймовірність появи помилки становила 10-5-10-6.
Помилки мають тенденцію до групування, і тому при зменшенні довжини пакета даних ймовірність появи помилки зменшувалася приблизно на 20 - 50%, залежно від того, наскільки зменшувався пакет. У той самий час значне зменшення пакета позначалося продуктивності, і його зменшення недоцільно.
Зазвичай модеми мають рівень на передачу від -9 до -12 дБ, регулювання можливе не завжди. При роботі з такими рівнями аналогова каналоутворююча апаратура починає реагувати наступним чином: якщо рівень вище -13 дБ, відбувається обрізання передавального сигналу до цієї межі. Якщо рівень на передачу знаходиться в межах від 0 дБ до -22 дБ, то рідко можлива швидкість вище 9600 біт/с через те, що каналоутворююча апаратура починає збуджуватися і також не дає можливості роботи з високими швидкостями. Оптимальним є рівень від -25 до -28 дБ, у разі можлива робота на швидкостях до 31200 біт/с включно. Таким чином, чим нижчий рівень на передачу умодему, тим вища швидкість з'єднання.
Помилки рідко виникають на каналах зв'язку через перерви. Зазвичай вони пов'язані з такими параметрами, як сигнал/шум, тремтіння фази, спотворення частоти, підвищений рівень передачі, нелінійні спотворення.

Норми на електричні параметри каналів тональної частоти магістральної та внутрішньозонової первинних мереж. - Міністерство зв'язку України - Наказ N43, від 15.04.96.
Мухін С.В. Метод збору статистики під час роботи за стандартним каналом тональної частоти//Сб. наук. тр. – К.: 1999. – с. 84 – 97.

Мухін С.В. Передача даних каналами тональної частоти//Методи оцінки систем і передачі//Сб. наук. тр. – М: – 1999. – с. 79 – 84.