абонента. В этом случае медные провода (витая пара или коаксиальный кабель) обеспечивают достаточно высокую скорость на последнем коротком участке. Насколько далеко прокладывать оптоволокно — вопрос экономический, выбор зависит от соотношения затрат и ожидаемой прибыли. В любом случае смысл в том, чтобы оптоволоконный кабель перешел границу «последней мили». В нашем обсуждении мы сосредоточимся на технологии FTTH.

Как и медные провода, оптоволоконный абонентский шлейф пассивен, то есть не требует никакого оборудования для усиления или другой обработки сигналов. Оптоволокно просто переносит сигналы между жилищем абонента и оконечной станцией, снижая таким образом затраты и повышая надежность. Как правило, ведущие из домов кабели объединяются, так что от группы из 100 зданий к оконечной станции доходит только один оптоволоконный кабель. В исходящем направлении передаваемый из коммутатора сигнал разбивается оптическими разделителями, чтобы попасть во все дома. Если сигнал предназначается только для одного абонента, в целях безопасности используется шифрование. Во входящем направлении оптические сумматоры соединяют сигналы от всех домов в один, который и поступает в оконечную станцию.

Подобная архитектура, представленная на илл. 2.31, называется пассивной оптической сетью (Passive Optical Network, PON). Обычно для входящей передачи данных все дома совместно используют одну длину волны, а для исходящей — другую.

Илл. 2.31. Пассивная оптическая сеть для технологии FTTH

Даже при разделении колоссальная пропускная способность и незначительное затухание оптоволоконного кабеля позволяют PON работать на высоких скоростях при расстоянии до 20 км. Фактическая скорость передачи данных и другие нюансы зависят от типа PON. Наиболее распространены два вида: гигабитные PON (GPON) и Ethernet PON (EPON). GPON пришли из мира электросвязи, а потому описаны в стандарте МСЭ. EPON больше связаны с компьютерными сетями и описываются стандартом IEEE. Обе разновидности работают на скорости около гигабита и могут передавать трафик для различных нужд, включая интернет, видео и голосовые сервисы. Например, сети GPON обеспечивают входящую скорость 2,4 Гбит/с и исходящую — 1,2 или 2,4 Гбит/с.

Чтобы несколько зданий могли совместно использовать возможности одного оптоволоконного кабеля, идущего из оконечной станции, необходимы дополнительные протоколы. Во входящем направлении проблем нет. Оконечная станция может отправлять сообщения в разные дома в любом порядке. А вот одновременная передача данных из нескольких домов в исходящем направлении приведет к конфликту сигналов. Вдобавок различные дома не могут принимать передаваемые другими домами сигналы, а значит, и не могут прослушивать, прежде чем передавать, не передает ли кто-то еще. Для решения этой проблемы устройства оконечной станции выделяют домовому оборудованию, по запросу последнего, интервалы времени для работы. Для успешного функционирования такой схемы необходимо выстроить хронометраж передачи данных от различных домов, чтобы синхронизировать все получаемые на оконечной станции сигналы. Такая архитектура аналогична архитектуре кабельных модемов, которую мы рассмотрим далее в этой главе. Больше информации о PON можно найти в работах Гроуба и Элберса (Grobe and Elbers, 2008), а также Де Андраде и др. (De Andrade et al., 2014).

2.5.3. Соединительные линии и мультиплексирование

Соединительные линии в телефонных сетях не только работают намного быстрее абонентских шлейфов, но и отличаются от последних еще двумя нюансами. В основной телефонной сети передается цифровая, а не аналоговая информация, то есть биты, а не голос. Из-за этого в оконечной станции нужна конвертация в цифровую форму для передачи по междугородним соединительным линиям. По соединительным линиям передаются тысячи, иногда миллионы звонков одновременно. Такое совместное использование позволяет значительно сэкономить, ведь проведение и обслуживание высокоскоростной и низкоскоростной линий стоят примерно одинаково. Совместное использование обеспечивается при помощи различных вариантов TDM и FDM.

Ниже мы кратко поговорим о преобразовании голосовых сигналов в цифровую форму для их передачи по телефонной сети. После этого мы рассмотрим применение TDM для отправки битов по соединительным линиям, включая систему TDM, используемую для оптоволокна (SONET). Затем мы обсудим применение FDM для оптоволокна: мультиплексирование по длинам волн.

Преобразование голосовых сигналов в цифровую форму

На начальном этапе существования телефонных сетей голосовые звонки передавались в виде аналоговой информации. В течение долгих лет для мультиплексирования голосовых каналов по 4000 Гц каждый (3100 Гц плюс защитные полосы) в большие блоки использовались методики FDM. Например, 12 звонков в полосе от 60 до 108 кГц называются группой, пять групп (всего 60 звонков) — супергруппой и т.д. Эти методы FDM до сих пор иногда применяются для медных проводов и микроволновых каналов. Впрочем, FDM требует аналоговых электрических схем и не подходит для компьютерной обработки. TDM, напротив, можно полностью отдать на откуп цифровой электронике, поэтому в последние годы эта система получила широкое распространение. TDM работает только с цифровыми данными, а абонентские шлейфы генерируют аналоговые сигналы. Поэтому на оконечной станции, где все отдельные шлейфы сходятся и формируют исходящие соединительные линии, аналоговые сигналы преобразуются в цифры.

Преобразование происходит с помощью специального устройства — так называемого кодека (сокращение от «кодировщик/декодировщик»), который применяет методику импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation, PCM). Эта методика — основа современной телефонной системы. Кодек создает 8000 сэмплов в секунду (по 125 мкс на сэмпл). Согласно теореме Найквиста этого достаточно для захвата всей информации от телефонного канала с полосой пропускания в 4 кГц. При меньшей частоте сэмплирования часть данных будет утрачена, при более высокой — дополнительных данных все равно получить нельзя. Практически все интервалы времени в любой телефонной системе кратны 125 мкс. Таким образом, стандартная скорость передачи несжатых данных для голосового телефонного звонка равна 8 битам каждые 125 мкс, то есть 64 Кбит/с.

Каждый сэмпл амплитуды сигнала квантуется до 8-битного целого. Чтобы снизить погрешность, шаги квантования выбираются неравномерно. При этом используется логарифмическая шкала, вследствие чего на малые амплитуды сигналов приходится относительно больше битов, а на большие амплитуды — относительно меньше. Таким образом, погрешность пропорциональна амплитуде сигнала. Широко применяются два варианта квантования: µ-закон в Северной Америке и Японии и A-закон в Европе и остальном мире. Оба варианта описаны в стандарте МСЭ G.711. Этот процесс можно представить так: динамический диапазон сигнала (отношение между минимальными и максимальными значениями) сжимается перед его квантованием (равномерным), а после восстановления аналогового сигнала — расширяется. По этой причине данный метод называют компандированием (companding). Можно также сжимать сэмплы после их оцифровки, так что для них потребуется куда меньшая скорость канала данных, чем 64 Кбит/с. Впрочем, мы отложим этот вопрос до обсуждения аудиоприложений, например передачи голоса по IP.

На другой стороне звонка аналоговый сигнал восстанавливается из цифровых сэмплов путем их воспроизведения (и сглаживания). В точности соответствовать исходному аналоговому сигналу он, конечно,