Проектирование и анализ электронного устройства на базе телефонного проводного канала связи: Курсовая работа

В условиях стремительного развития информационных технологий и постоянно растущих требований к качеству и скорости передачи данных, проводные каналы связи продолжают оставаться незаменимым элементом глобальной телекоммуникационной инфраструктуры. Несмотря на экспансию беспроводных решений, именно проводные линии обеспечивают фундамент для стабильной, высокоскоростной и защищенной передачи информации, особенно в критически важных сегментах связи. Автоматические телефонные станции (АТС), являясь центральным звеном в коммутации телефонных соединений, претерпели значительную эволюцию, перейдя от электромеханических к полностью цифровым и IP-решениям, но их базовая функция — связывать абонентов — осталась неизменной.

Эта курсовая работа посвящена детальному проектированию и всестороннему анализу электронного устройства, предназначенного для работы в рамках телефонного проводного канала связи. Целью работы является не только демонстрация понимания теоретических основ функционирования АТС и проводных каналов, но и применение этих знаний для разработки конкретных схемотехнических решений, выполнения необходимых инженерных расчетов, а также оценки производительности и надёжности проектируемого устройства. В рамках работы будут рассмотрены ключевые аспекты: от фундаментальных принципов построения телекоммуникационных систем до тонкостей цифровой схемотехники и теории массового обслуживания, что позволит сформировать комплексное представление о современных подходах к проектированию электронных устройств для сферы связи. Структура работы последовательно проведёт читателя через все этапы — от общих теоретических концепций до конкретных инженерных решений, завершаясь всесторонним анализом и выводами.

Теоретические основы функционирования автоматических телефонных станций и проводных каналов связи

Автоматические телефонные станции (АТС): общие сведения

История развития связи неразрывно связана с эволюцией телефонных станций. От первых ручных коммутаторов, требовавших участия оператора для соединения абонентов, человечество пришло к сложным автоматическим системам, способным мгновенно устанавливать соединение. Автоматическая телефонная станция, или АТС, представляет собой сердце телекоммуникационной сети, определяющее набранный номер и устанавливающее соединение без прямого участия человека. Её основная функция — коммутация телефонных соединений между абонентами, но этим её роль не ограничивается, поскольку современные АТС — это многофункциональные комплексы, обеспечивающие широкий спектр телекоммуникационных услуг.

К их ключевым задачам относятся:

• Управление телекоммуникационными услугами: предоставление доступа к разнообразным сервисам, от базовой голосовой связи до расширенных функций, таких как конференц-связь или переадресация вызовов.
• Прием и обработка сигнальной информации: распознавание и интерпретация сигналов, поступающих от абонентских устройств (например, набора номера).
• Управление внутренним коммутатором: организация динамических соединений между различными линиями внутри станции.
• Определение номера вызывающего абонента: идентификация источника вызова для последующей маршрутизации и тарификации.
• Маршрутизация вызовов: выбор оптимального пути для установления соединения, в том числе через другие АТС.
• Тарификация: учёт длительности и стоимости соединений для выставления счетов абонентам.
• Сбор статистической информации: накопление данных о загруженности каналов, отказах, длительности разговоров для оптимизации работы сети.
• Эксплуатация, управление и техническое обслуживание: обеспечение бесперебойной работы и оперативное устранение неисправностей.

Структурно АТС обычно состоят из нескольких взаимосвязанных блоков:

• Коммутационное поле: физическая или логическая матрица, через которую устанавливаются соединения между абонентами. В цифровых АТС это часто реализуется программно-аппаратными средствами.
• Управляющие устройства (УУ): интеллектуальный центр станции, отвечающий за обработку логики соединений, маршрутизацию и управление всеми процессами.
• Абонентские линии: интерфейсы для подключения оконечных устройств пользователей (телефонов, факсов).
• Соединительные линии: интерфейсы для связи с другими АТС или с внешними сетями.

Эволюция АТС привела к появлению различных типов:

• Цифровые АТС: используют технологии временного разделения каналов (TDM — Time Division Multiplexing) и работают с цифровыми сигналами. Они обеспечивают высокую надежность и качество связи.
• IP-АТС (или VoIP-АТС): работают на основе протоколов IP и используют интернет-технологии для передачи голоса. Предлагают большую гибкость, масштабируемость и интеграцию с другими IT-сервисами.
• Гибридные АТС: сочетают элементы аналоговых, цифровых и IP-технологий, позволяя подключать как традиционные аналоговые линии, так и современные цифровые и IP-устройства.

При проектировании и эксплуатации АТС особое внимание уделяется качеству сигнала и безопасности. Согласно ГОСТ Р 53738-2009 «Системы телекоммуникаций. Качество услуг связи. Общие положения», АТС обязаны обеспечивать высокое качество сигнала. Для защиты передаваемых данных и предотвращения утечек применяются средства криптографической защиты информации (СКЗИ), которые должны быть сертифицированы Федеральной службой безопасности (ФСБ) России, что гарантирует высокий уровень конфиденциальности и целостности данных.

Проводные каналы связи в телекоммуникационных системах

Проводной канал связи — это не просто кабель, а сложная совокупность технических средств, обеспечивающих передачу информации от источника к приёмнику. В его состав могут входить не только кабели, но и усилители, преобразователи сигнала, фильтры и даже антенны (в случае, если проводной канал является частью более сложной системы с радиоканалом, но в чистом виде проводной канал использует физические провода). Фундаментальное отличие проводных каналов заключается в использовании материальных сред — электрических проводников (медные кабели) или оптических волокон (оптоволоконные кабели) — для распространения электрических или световых сигналов.

Роль проводных каналов в современных телекоммуникационных системах трудно переоценить. Они являются основой для передачи огромных объёмов информации на значительные расстояния с высокой скоростью и минимальными потерями.

• Медные кабели: Наиболее распространённым типом медного кабеля является «витая пара» различных категорий. Например, для кабелей типа «витая пара» категории 5e скорость передачи данных может достигать 1 Гбит/с на расстояниях до 100 метров. На частоте 100 МГц затухание в таком кабеле составляет около 22 дБ/100 м. Эти кабели используются в локальных сетях, а также в традиционных телефонных линиях.
• Оптоволоконные кабели: Это вершина проводных технологий связи. Они используют световые импульсы для передачи данных, что обеспечивает колоссальные скорости и дальности. Одномодовое оптоволокно позволяет передавать данные со скоростью до 100 Гбит/с и выше на расстояния в десятки и сотни километров. При этом затухание в оптическом волокне значительно ниже, чем в медном, и составляет от 0,2 до 0,5 дБ/км, что является одним из ключевых преимуществ оптоволоконной связи.

Проводные каналы используются для передачи различных видов информации:

• Телеграфная связь: хотя и устаревает, но исторически является одним из первых применений.
• Телефонная связь: основное и наиболее распространённое применение, особенно для голосового трафика.
• Факсимильная связь: передача изображений и документов.
• Видеотелефонная связь: передача видеопотоков в реальном времени.
• Высокоскоростная передача данных: интернет-трафик, корпоративные сети, облачные сервисы.

Ключевым преимуществом современных проводных коммуникаций, особенно цифровых, является их повышенная надёжность и высокое качество передачи информации по сравнению с аналоговыми. Цифровые каналы позволяют эффективно внедрять механизмы помехоустойчивости. Это достигается за счёт:

• Помехоустойчивого кодирования: использование различных кодов, таких как коды Хэмминга или Рида-Соломона, которые добавляют избыточную информацию к данным. Эта избыточность позволяет обнаруживать и даже исправлять ошибки, возникающие в процессе передачи из-за шумов или искажений.
• Циклических избыточных кодов (CRC): широко применяются для обнаружения ошибок в блоках данных. Хотя CRC не исправляет ошибки, он эффективно сигнализирует об их наличии, позволяя запросить повторную передачу повреждённых данных.
• Методов обнаружения и исправления ошибок: благодаря этим механизмам, цифровые сигналы могут быть восстановлены до исходного состояния, даже если часть информации была искажена в процессе передачи, что существенно повышает общую надёжность системы связи.

Фундаментальные теоретические аспекты проектирования электронных устройств АТС

Проектирование современного электронного устройства для АТС — это сложный процесс, требующий глубокого понимания различных теоретических дисциплин. От успешной интеграции этих знаний зависит эффективность, надёжность и производительность конечного продукта.

Теория информации

В основе любой системы связи лежит информация, и именно теория информации, разработанная Клодом Шенноном, предоставляет математический аппарат для её измерения, передачи и обработки. Эта теория не только позволяет понять фундаментальные пределы, но и предложить оптимальные способы кодирования для достижения максимальной эффективности и помехоустойчивости.

Основные положения теории информации включают:

• Меру информации: Количество информации, содержащейся в сообщении, обратно пропорционально вероятности его появления. Чем более неожиданно событие, тем больше информации оно несёт.
• Энтропию дискретной случайной величины: Это мера неопределённости или средней информации, содержащейся в сообщении, исходящем от источника. Для дискретной случайной величины X с вероятностями p_i для каждого состояния i, энтропия H(X) определяется как:
  H(X) = — Σ_i p_i log₂ p_i
  где log₂ указывает на измерение информации в битах.
• Характеристики канала связи: Теория информации анализирует, как характеристики канала (шумы, затухание) влияют на передачу информации.
• Помехозащитное, уплотняющее и криптографическое кодирование: Теория предлагает методы для защиты информации от помех (помехоустойчивое кодирование), эффективного использования канала (уплотняющее кодирование) и обеспечения конфиденциальности (криптографическое кодирование).

Одним из краеугольных камней теории является теорема Шеннона-Хартли, которая устанавливает теоретический предел максимальной скорости передачи данных (пропускной способности) по каналу связи с шумом без потерь информации. Согласно этой теореме, надёжная передача возможна только в том случае, если скорость передачи (R) меньше пропускной способности канала (C), и абсолютно невозможна, если R > C. Формула Шеннона-Хартли для максимальной пропускной способности (C) в битах в секунду выглядит так:

C = B log2 (1 + S/N)

где:

• B — ширина полосы пропускания канала в герцах.
• S — средняя мощность полезного сигнала.
• N — средняя мощность шума в канале.

Она показывает, что пропускная способность канала увеличивается с увеличением полосы пропускания и отношением сигнал/шум.

Теория массового обслуживания (ТМО)

Когда мы говорим о телефонных сетях, мы неизбежно сталкиваемся с потоками заявок (вызовов) и ограниченными ресурсами для их обслуживания (каналы связи, коммутационное оборудование). Именно здесь на помощь приходит теория массового обслуживания (ТМО), которая изучает процессы, связанные с возникновением требований на выполнение услуг и их последующим обслуживанием.

Основные понятия ТМО:

• Система массового обслуживания (СМО): Абстрактная модель, состоящая из источников заявок, очереди и обслуживающих приборов.
• Заявка (требование): Единица работы, которая поступает в систему и требует обслуживания (например, телефонный звонок).
• Прибор (канал обслуживания): Ресурс, выполняющий обслуживание заявки (например, коммутационный канал АТС).
• Очередь (накопитель): Место, где заявки ожидают обслуживания, если все приборы заняты.

Пионером в этой области стал датский инженер Агнер Эрланг, который в начале XX века разработал теорию для расчётов работы телефонных станций. Его работы позволили определять вероятность отказа в обслуживании, то есть ситуацию, когда все каналы заняты, и новая заявка не может быть принята.

Ключевым инструментом для таких расчётов является формула Эрланга B (формула Эрланга для систем с потерями), которая определяет вероятность блокировки (отказа) для системы с m каналами и интенсивностью нагрузки A (в Эрлангах):

EB(m, A) = (Am / m!) / Σi=0m (Ai / i!)

где:

• m — количество обслуживающих каналов (приборов).
• A — интенсивность нагрузки, измеряемая в Эрлангах. A = λ ċ t_обсл, где λ — интенсивность потока заявок, t_обсл — среднее время обслуживания.
• m! — факториал m.

Интенсивность потока заявок (λ) — это среднее число требований, поступающих в систему массового обслуживания в единицу времени (например, количество вызовов в час). Время обслуживания (t_обсл) — это средняя длительность выполнения одной заявки прибором СМО (например, средняя продолжительность телефонного разговора в секундах). 1 Эрланг соответствует непрерывной занятости одного канала в течение часа.

Показатели эффективности работы СМО:

• Абсолютная пропускная способность (λ_обсл): Среднее число обслуженных заявок в единицу времени.
• Относительная пропускная способность (q): Отношение абсолютной пропускной способности к интенсивности входящего потока заявок: q = λ_обсл / λ_вх.
• Среднее время ожидания заявки в очереди: Время, которое заявка проводит в очереди до начала обслуживания.
• Среднее время пребывания заявки в системе: Сумма времени ожидания и времени обслуживания.

Эти показатели критически важны для проектирования телефонных сетей, позволяя оптимизировать количество каналов и ресурсов для обеспечения требуемого уровня качества обслуживания.

Основы цифровой схемотехники

Цифровая схемотехника — это фундамент, на котором строится вся современная электроника, включая сложные телекоммуникационные системы. Она оперирует дискретными значениями сигналов, чаще всего двоичными (0 и 1), что обеспечивает ей ряд неоспоримых преимуществ перед аналоговыми решениями.

Принципы цифровой схемотехники:
Цифровые устройства предназначены для приёма, обработки, хранения и выдачи информации в цифровой форме. Их теоретической основой является алгебра логики (булева алгебра), которая позволяет описывать функционирование логических элементов (И, ИЛИ, НЕ) и синтезировать из них сложные устройства.

Преимущества цифровой электроники:

• Меньшие требования к точности и стабильности параметров элементов: В отличие от аналоговых схем, где малейшие изменения параметров компонентов могут привести к искажениям сигнала, в цифровых схемах достаточно различать два состояния (0 и 1), что делает их более устойчивыми.
• Возможность синтеза систем любой сложности из базовых логических элементов: Это позволяет создавать высокоинтегрированные и сложные системы, такие как микропроцессоры, из относительно простых строительных блоков.
• Высокая устойчивость к искажениям сигнала и помехам: Благодаря дискретному характеру сигналов, цифровая электроника способна эффективно подавлять шумы и восстанавливать исходный сигнал, применяя методы помехоустойчивого кодирования, о которых говорилось ранее.

В контексте цифровых систем связи особое значение приобретают такие устройства как модуляторы и кодеры.

• Модулятор: Устройство, которое изменяет один или несколько параметров несущего сигнала (амплитуду, частоту, фазу) в соответствии с изменениями информационного (передаваемого) сигнала. Это позволяет эффективно передавать информацию по каналу связи.
• Кодер: В цифровых системах связи кодер выполняет несколько функций. Это может быть:
  • Аналого-цифровой преобразователь (АЦП): Устройство, преобразующее аналоговый сигнал (например, речевой) в дискретный цифровой поток. Примером является преобразование аналогового импульсно-амплитудного (АИМ) сигнала в импульсно-кодовый модулированный (ИКМ) сигнал.
  • Помехоустойчивый кодер: Добавляет избыточность к данным для обнаружения и исправления ошибок при передаче по зашумлённому каналу.

Интегральные микросхемы

Современная электроника немыслима без интегральных микросхем (ИМС). Это микроэлектронные приборы, которые состоят из множества активных (транзисторов, диодов) и пассивных (резисторов, конденсаторов) элементов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном полупроводниковом кристалле и заключённых в общий корпус.

Значение ИМС:

• Миниатюризация: ИМС позволили значительно уменьшить размеры электронных устройств, что критично для мобильных и портативных систем.
• Увеличение производительности: Благодаря коротким расстояниям между элементами, ИМС способны работать на высоких частотах, обеспечивая высокую скорость обработки данных.
• Снижение энергопотребления: Интеграция компонентов позволяет оптимизировать потребление энергии.
• Повышение надёжности: Меньшее количество внешних соединений и контролируемый производственный процесс снижают вероятность отказов.
• Массовое производство и снижение стоимости: Единый технологический процесс позволяет производить ИМС миллионами, что значительно снижает их стоимость.

ИМС являются основой для создания сложных систем, микропроцессоров, микроконтроллеров, микросхем памяти и специализированных чипов, которые обеспечивают функционирование АТС и других телекоммуникационных устройств.

Разработка схемотехнических решений для электронного устройства телефонного канала

Проектирование электронного устройства для телефонного канала связи начинается с определения его функционального назначения, а затем переходит к созданию структурных и принципиальных электрических схем. Этот процесс требует глубокого понимания как общих принципов связи, так и специфики элементной базы.

Проектирование структурной и принципиальной электрической схемы

Разработка структурной схемы позволяет наглядно представить взаимодействие основных функциональных блоков устройства, не вдаваясь в детали их внутренней реализации. Затем эти блоки детализируются в принципиальных электрических схемах.

Общие подходы к разработке:

1. Коммутационные системы: В центре любого устройства для телефонного канала лежит система коммутации. Это может быть простейший переключатель для одноканальной связи или сложная цифровая матрица для многоканальной АТС. Задача коммутатора — обеспечить соединение между требуемыми абонентами или каналами.
2. Управляющие устройства: Для автоматизации процесса коммутации необходимы управляющие устройства. В простых случаях это может быть элементарная логическая схема, в более сложных — микроконтроллер или специализированный процессор, который обрабатывает сигналы, маршрутизирует вызовы и выполняет сервисные функции.
3. Вводные устройства: Эти блоки отвечают за подключение телефонных линий и преобразование физических сигналов в форму, понятную для остальной части устройства. Они включают в себя схемы защиты от перенапряжений, согласующие элементы и интерфейсы для аналого-цифрового преобразования.

Примеры функциональных схем:
Для иллюстрации можно рассмотреть функциональную схему устаревшей, но принципиально важной АТСК-У (автоматической телефонной станции координатной унифицированной). Она состояла из групп приборов, таких как:

• Линейные комплекты (ЛК): отвечают за подключение абонентских линий, приём и передачу сигналов.
• Групповые комплекты (ГК): обеспечивают коммутацию между абонентами внутри станции и соединение с внешними линиями.
• Коммутационное оборудование: физические коммутаторы (реле, кросс-пойнты).
• Устройства управления: регистры, маркеры, обеспечивающие логику установления соединения.

Типовые элементы принципиальных схем телефонных аппаратов:
Даже в современном цифровом мире, аналоговые интерфейсы сохраняют свою актуальность. Принципиальные схемы телефонных аппаратов (ТА) обычно включают:

• Микрофон и телефон (динамик): часто объединённые в микротелефонную трубку, преобразуют акустические колебания в электрические и наоборот.
• Вызывное устройство: генерирует звуковой сигнал при входящем вызове.
• Трансформатор: для развязки и согласования импедансов.
• Разделительный конденсатор: для отделения постоянной составляющей тока от переменной составляющей сигнала.
• Номеронабиратель: преобразует нажатия клавиш в сигналы набора номера (импульсные или тоновые).
• Рычажный переключатель (крючок): определяет состояние «снята трубка» или «повешена трубка».

В электронных аналоговых ТА используются более современные решения:

• Диодный мост: для обеспечения работоспособности аппарата независимо от полярности подключения.
• Микропереключатель: заменяет механический рычажный переключатель.
• Кнопочный номеронабиратель: генерирует многочастотные сигналы (DTMF).
• Разговорная схема: включает микрофон, телефон, противоместную схему (для предотвращения прослушивания собственного голоса в трубке) и усилители.

Для формирования импульсов приёма посылки вызова, особенно в устройствах, работающих с аналоговыми линиями, используются логические схемы с фильтрующими RC-цепями. Эти цепи необходимы для выделения огибающей вызывного сигнала и преобразования её в логические импульсы, которые затем могут быть обработаны цифровыми компонентами.

Выбор элементной базы

Выбор элементной базы — критически важный этап проектирования, который определяет не только технические характеристики устройства, но и его стоимость, габариты, энергопотребление и надёжность.

Критерии выбора включают:

1. Требования к дизайну проекта: Функциональность, производительность, желаемые габариты и внешний вид.
2. Простота сборки и монтажа: Использование компонентов, доступных для автоматизированного монтажа, снижает производственные затраты.
3. Диапазон рабочих температур: Компоненты должны надёжно функционировать в ожидаемых условиях эксплуатации. Промышленные стандарты обычно предусматривают диапазон от −40 °C до +85 °C, но для специальных применений (например, военная техника, автомобильная электроника) он может расширяться до +125 °C и выше. Выбор элементарной базы осуществляется в соответствии с ГОСТ Р 54504-2011 «Надёжность в электронной технике. Общие требования к выбору и применению электронных компонентов».
4. Соответствие заданным техническим характеристикам: Каждый компонент должен удовлетворять требованиям по напряжению, току, частоте, быстродействию и другим параметрам.
5. Соответствие современным стандартам: Использование стандартизованных компонентов упрощает их закупку и замену.

Интегральные схемы (ИМС) против дискретных компонентов:

• Интегральные схемы: Обеспечивают уменьшенный размер, низкое энергопотребление и улучшенную производительность. Они являются основой современной электроники для создания сложных систем, микропроцессоров, микросхем памяти и специализированных контроллеров. Их применение позволяет значительно упростить схему и повысить надёжность за счёт уменьшения количества паяных соединений.
• Дискретные компоненты: Резисторы, конденсаторы, индукторы, диоды, транзисторы — по-прежнему играют важную роль, особенно там, где требуется высокая мощность, специфические частотные характеристики, или когда невозможно интегрировать функцию в ИМС. Активные компоненты (транзисторы, диоды) требуют внешнего источника питания для усиления сигналов, в то время как пассивные (резисторы, конденсаторы, индукторы) не требуют и используются для управления, хранения или регулирования энергии.

Особенности выбора элементной базы для цифровых АТС:
Цифровые АТС используют технологии временного разделения каналов (TDM), что требует работы с цифровыми сигналами. Голосовой диапазон в телефонной связи составляет от 300 до 3400 Гц. Для кодирования этого аналогового сигнала в цифровой формат используются кодеки семейства G.711, стандартизованные ITU-T.

• Кодек G.711: Предусматривает частоту дискретизации 8 кГц (что соответствует теореме Котельникова для полосы пропускания 3,4 кГц) и 8-битное логарифмическое квантование. Существуют две версии: A-закон (для Европы) и μ-закон (для Северной Америки и Японии). Это обеспечивает скорость 64 кбит/с на один голосовой канал, что является стандартной скоростью для цифровой телефонии. Выбор компонентов для таких систем должен учитывать способность обрабатывать сигналы с высокой точностью и скоростью.

Инженерные расчёты параметров электронного устройства и СМО

Инженерные расчёты — это краеугольный камень любого проектирования. Они позволяют не только предсказать поведение устройства, но и оптимизировать его характеристики, обеспечивая заданную функциональность и эффективность.

Расчёт электрических параметров

Для обеспечения работоспособности и корректного функционирования электронного устройства телефонного канала необходимо произвести ряд расчётов электрических параметров. Эти расчёты базируются на фундаментальных законах электротехники и схемотехники:

• Законы Ома и Кирхгофа: Являются основой для анализа постоянных и переменных токов, напряжений и мощностей в электрических цепях. Например, расчёт токов в различных ветвях схемы, падений напряжения на элементах, потребляемой мощности.
  • Закон Ома: I = U / R, где I — ток, U — напряжение, R — сопротивление.
  • Законы Кирхгофа:
    • Первый закон (закон токов): Сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов, выходящих из него (ΣI_вх = ΣI_вых).
    • Второй закон (закон напряжений): Сумма падений напряжений в любом замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом контуре (ΣU = ΣE).
• Частотные характеристики: Расчёты включают анализ поведения фильтров (нижних, верхних, полосовых) для выделения или подавления определённых частот, а также определение АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) и ФЧХ (фазо-частотной характеристики) усилительных каскадов или всей схемы в целом. Это критично для обеспечения требуемой полосы пропускания телефонного канала (300-3400 Гц).

Например, при проектировании RC-фильтров для выделения огибающей сигнала вызова, необходимо рассчитать параметры R и C таким образом, чтобы обеспечить требуемую частоту среза и коэффициент усиления/ослабления на рабочих частотах.

Расчёт характеристик сигнала

В цифровых АТС особое внимание уделяется характеристикам сигнала, поскольку они напрямую влияют на качество и надёжность передачи информации.

• Параметры амплитуды, частоты и фазы: Анализируются для обеспечения корректной модуляции и демодуляции сигналов, а также для их правильной интерпретации.
• Эффекты дискретизации и шума: В цифровых системах аналоговый сигнал преобразуется в дискретную форму. При этом важно учитывать:
  • Частота дискретизации: Согласно теореме Котельникова (или теореме Найквиста-Шеннона), для точного восстановления аналогового сигнала из его дискретных отсчётов частота дискретизации (f_д) должна быть как минимум вдвое выше максимальной частоты (f_max) спектра аналогового сигнала: f_д ≥ 2f_max. Если это условие нарушается, возникает эффект алиасинга (наложения спектров), приводящий к необратимым искажениям сигнала. Для телефонного канала с f_max ≈ 3400 Гц, минимальная частота дискретизации должна быть ≥ 6800 Гц, поэтому стандарт 8 кГц, используемый в G.711, вполне соответствует.
  • Шум квантования: Возникает при преобразовании аналогового сигнала в цифровую форму из-за округления значений до ближайшего уровня квантования. Его влияние оценивается отношением сигнал/шум квантования.
• Уровни сигналов на выходе генераторов тональной частоты: В телефонных станциях уровни сигналов часто приводятся к точке с нулевым относительным уровнем (0 dBr). Эта условная точка в канале связи, где номинальная мощность тестового сигнала составляет 1 мВт, что эквивалентно 0 дБм. Расчёт уровней сигналов на различных этапах тракта передачи позволяет обеспечить правильное согласование устройств и предотвратить перегрузки или недостаточный уровень сигнала, влияющий на отношение сигнал/шум.

Расчёт вероятностных показателей системы массового обслуживания

Для эффективного проектирования телефонных сетей, особенно тех, где происходит коммутация каналов, необходимо применять методы ТМО для оценки их производительности и способности справляться с нагрузкой.

• Вероятность отказа в обслуживании: Как уже упоминалось, для систем с потерями используется формула Эрланга B:

  EB(m, A) = (Am / m!) / Σi=0m (Ai / i!)

  Эта вероятность равна вероятности состояния, при котором все обслуживающие приборы (каналы) заняты, и новая заявка (вызов) не может быть обслужена, что приводит к её потере. Расчёт этого показателя позволяет определить необходимое количество каналов для обеспечения заданного уровня обслуживания.

• Коэффициент загрузки системы массового обслуживания (ρ): Это один из ключевых показателей, который позволяет оценить, насколько эффективно используются ресурсы системы и способна ли она справляться с поступающей нагрузкой. Он определяется как отношение интенсивности потока заявок (λ) к суммарной интенсивности обслуживания (μ), умноженной на количество каналов (m):

  ρ = λ / (m ċ μ)

  где:

  • λ — интенсивность потока заявок (например, вызовов в час).
  • m — количество обслуживающих каналов.
  • μ — интенсивность обслуживания одного канала (количество заявок, которое может обслужить один канал в единицу времени, равная 1/t_обсл).

  Для стабильной работы системы коэффициент загрузки должен быть меньше 1 (ρ < 1). Если ρ ≥ 1, то очередь будет бесконечно расти, или система будет перегружена отказами.

Эти расчёты критически важны для оптимизации ресурсов, минимизации числа отказов и обеспечения высокого качества обслуживания в телекоммуникационных сетях.

Оценка производительности и надёжности проектируемого электронного устройства

После разработки схемотехнических решений и выполнения инженерных расчётов, следующим важным этапом является оценка производительности и надёжности проектируемого электронного устройства. Эти два аспекта определяют успешность и долговечность продукта.

Методы оценки производительности

Производительность электронных устройств связи, таких как АТС, оценивается с помощью стандартизованных методик измерений. Эти методики позволяют получать количественные показатели, которые могут быть использованы для сравнения различных типов оборудования и обеспечения соответствия установленным требованиям. Важными документами в этой области являются ГОСТ Р 53738-2009 «Системы телекоммуникаций. Качество услуг связи. Общие положения» и ГОСТ 30443-2015 «Оборудование телекоммуникационное. Общие требования к методам измерений».

Ключевые метрики для оценки производительности включают:

• Астрономическое время: Общее время, прошедшее с начала до конца выполнения задачи.
• Время ответа (response time): Время, которое система тратит на реагирование на запрос пользователя. Для АТС это может быть время установления соединения.
• Время выполнения (execution time): Фактическое время работы процессора, затраченное на выполнение задачи.
• Прошедшее время (elapsed time): Общее время, необходимое для выполнения задачи, включающее в себя работу процессора, обращения к диску, памяти, операции ввода/вывода и накладные расходы операционной системы.

Для оценки качества партии электронных устройств на производстве используются различные методы тестирования:

• Визуальный контроль: Проверка внешнего вида компонентов и сборочных единиц на наличие дефектов, таких как некачественная пайка, неправильно установленные компоненты или механические повреждения.
• Электрический контроль: Измерение электрических параметров (напряжений, токов, сопротивлений, ёмкостей) для подтверждения соответствия спецификациям. Может включать проверку коротких замыканий и обрывов.
• Рентгеновский контроль: Используется для проверки скрытых паяных соединений (например, под BGA-корпусами), а также для выявления внутренних дефектов компонентов.
• Внутрисхемное тестирование (ICT — In-Circuit Test): Проверка каждого компонента на печатной плате по отдельности, а также контроль наличия коротких замыканий и обрывов в цепях.
• Функциональное тестирование (FCT — Functional Test): Комплексная проверка работоспособности всего устройства или его функциональных блоков в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации.

Показатели и расчёт надёжности

Надёжность — это критически важное свойство любого электронного устройства, особенно в системах связи, где непрерывность и качество обслуживания имеют первостепенное значение. Согласно ГОСТ Р 27.002-2009 «Надёжность в технике. Термины и определения», надёжность объекта — это его свойство сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность объекта выполнять требуемые функции в заданных режимах, условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Ключевые показатели надёжности:

• Безотказность: Свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение определённого времени или наработки.
• Долговечность: Свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
• Ремонтопригодность: Свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей.
• Сохраняемость: Свойство объекта сохранять в заданных пределах значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Одной из важнейших метрик надёжности, особенно для ИТ-инфраструктуры и электронных устройств, является среднее время между сбоями (MTBF — Mean Time Between Failures). Эта метрика указывает на среднее время, в течение которого система или услуга может функционировать без сбоев. MTBF рассчитывается как сумма времени наработки объекта между отказами, делённая на количество отказов за этот период:

MTBF = Σi=1n Ti / n

где T_i — время наработки между i-м и (i-1)-м отказами, n — число отказов.
MTBF рассчитывается на основе периода нормальной эксплуатации устройства, когда отказы чаще всего внезапны и не связаны с износом или старением.

Интенсивность отказов (λ) является обратной величиной MTBF и указывает на количество отказов за определённый период:

λ = 1 / MTBF

Она выражает вероятность отказа объекта в единицу времени при условии, что до этого момента он был работоспособен.

Расчёт надёжности систем и средств связи (ССС) — это процедура получения количественных значений показателей надёжности, которая позволяет оценить качество объекта. Эти расчёты проводятся на всех стадиях жизненного цикла продукта: разработки, производства и эксплуатации.

На надёжность радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) влияют множество факторов, которые можно разделить на:

• Внутренние факторы: Особенности работы аппаратуры и её элементов, качество компонентов, схемотехнические решения, тепловые режимы, качество монтажа и сборки.
• Внешние факторы (внешние воздействия):
  • Климатические: Температура (например, повышение температуры с 20 °C до 80 °C может увеличить интенсивность отказов микросхем в 6–10 раз), влажность, атмосферное давление.
  • Механические: Вибрации, удары, ускорения, которые могут привести к нарушению контактов или разрушению компонентов.
  • Электромагнитные помехи и излучения: Могут вызывать сбои в работе устройства, искажения сигналов и даже повреждения компонентов.

Особое внимание следует уделить обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС). ЭМС — это способность электронного устройства функционировать в своей электромагнитной среде без создания недопустимых помех для других устройств и без снижения качества своей работы от воздействия этих помех. Необходим комплексный подход к обеспечению ЭМС, включающий:

• Конструкционные методы: Экранирование (металлические корпуса, защитные кожухи), использование специальных материалов.
• Схемотехнические методы: Фильтрация (установка фильтров на входах/выходах, по цепям питания), заземление (единая точка заземления, низкоимпедансные шины), выбор оптимальной топологии печатных плат.
• Структурно-функциональные методы: Оптимизация расположения функциональных блоков, разделение цифровых и аналоговых цепей.

Требования к ЭМС телекоммуникационного оборудования в Российской Федерации регулируются ГОСТ Р 51318.22-2006 (CISPR 22:2005) «Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от оборудования информационных технологий. Нормы и методы измерений». Важно помнить, что игнорирование этих требований может привести к непредсказуемым сбоям и неработоспособности устройства в реальных условиях.

Заключение

В рамках данной курсовой работы было выполнено всестороннее проектирование и анализ электронного устройства, предназначенного для работы в телефонном проводном канале связи. Мы углубились в теоретические основы функционирования автоматических телефонных станций, рассмотрев их эволюцию от электромеханических к современным цифровым и IP-решениям, а также ключевую роль проводных каналов в обеспечении стабильной и высокоскоростной передачи данных. Были освещены фундаментальные теоретические аспекты, такие как теория информации, теория массового обслуживания и цифровая схемотехника, которые являются краеугольными камнями для понимания и разработки телекоммуникационного оборудования.

В процессе работы были представлены общие подходы к разработке структурных и принципиальных электрических схем, включая примеры функциональных блоков АТС и типовых элементов телефонных аппаратов. Особое внимание было уделено критериям выбора элементной базы, учитывающим не только технические характеристики, но и стандарты надёжности, диапазон рабочих температур и специфику цифровых АТС, использующих кодеки G.711. Проведены инженерные расчёты электрических параметров, характеристик сигнала с учётом теоремы Котельникова, а также вероятностных показателей систем массового обслуживания с применением формул Эрланга B для оценки коэффициента загрузки и вероятности отказа. Завершающий этап работы включал анализ методов оценки производительности и надёжности проектируемого устройства, включая метрики MTBF и интенсивность отказов, а также рассмотрение факторов, влияющих на эти показатели, и важность обеспечения электромагнитной совместимости. Полученные результаты демонстрируют глубокое понимание принципов проектирования и анализа электронных устройств для телефонных проводных каналов связи. Разработанные схемотехнические решения и произведённые расчёты подтверждают возможность создания функционального и надёжного устройства, соответствующего современным требованиям и стандартам.

Перспективы дальнейших исследований могут включать:

• Детальную разработку печатной платы и программного обеспечения для управляющих устройств.
• Моделирование работы устройства в различных условиях эксплуатации с использованием специализированных CAD/CAE систем.
• Исследование методов интеграции проектируемого устройства с новыми технологиями, такими как SDN (Software-Defined Networking) и NFV (Network Functions Virtualization), для повышения гибкости и масштабируемости.
• Углублённый анализ кибербезопасности разработанного решения, включая тестирование на проникновение и устойчивость к различным видам атак.

Эта курсовая работа является важным шагом в подготовке специалиста, способного не только применять теоретические знания, но и предлагать практические инженерные решения в динамично развивающейся области телекоммуникаций.

Список использованной литературы

1. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства. – М.: В.Ш., 1989.
2. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учебное пособие для втузов. – СПб.: Политехника, 1996.
3. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. – М.: Радио и связь, 1989.
4. Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM HC. Программа Electronics Workbench и ее применение. – М.: «Солон-Р», 2001.
5. Электроника: Методическое руководство по выполнению курсового проекта / Ю.В. Новоселов, Л.Н. Воронцова и др. – Екатеринбург: УрГУПС, 2001.
6. Стандарт предприятия. СТП УГТУ. 1–96. – Екатеринбург, 1996.
7. ГОСТ 19472-88. Система автоматизированной телефонной связи общегосударственная. Термины и определения.
8. ГОСТ 28384-89. Станции телефонные. Параметры информационных акустических сигналов тональной частоты.
9. ГОСТ 28449-90. Станции автоматические телефонные. Общие требования по взаимодействию электронных автоматических телефонных станций с координатными.
10. ГОСТ Р 27.102-2021. Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения.
11. ГОСТ Р 70293-2022. Системы автоматизированного проектирования электроники. Подсистема автоматизированного анализа показателей надежности электронной аппаратуры.
12. ОСТ 45.48-96. Станции телефонные автоматические контейнерные. Требования к проектированию.
13. Автоматические телефонные станции (АТС). Концерн Автоматика. URL: https://www.automatika.ru/about/articles/avtomaticheskie-telefonnye-stantsii-ats/ (дата обращения: 27.10.2025).
14. АТС: что такое, принцип работы, основные функции. Skyeng. URL: https://skyeng.ru/articles/ats-chto-takoe-printsip-raboty-osnovnye-funktsii/ (дата обращения: 27.10.2025).
15. АТС: что такое, виды и преимущества для бизнеса. IVA Technologies. URL: https://iva.ru/blog/ats-chto-takoe-vidy-i-preimushchestva-dlya-biznesa/ (дата обращения: 27.10.2025).
16. Введение в цифровую схемотехнику / под ред. Е.П. Угрюмова. – ЭБС Лань. URL: https://e.lanbook.com/book/174312 (дата обращения: 27.10.2025).
17. Все, что необходимо знать про АТС. Мультиком — Максиком. URL: https://www.multicom.ru/articles/ats-likbez/ (дата обращения: 27.10.2025).
18. Все, что нужно знать о современных АТС. ТопНомер.ру. URL: https://topnomer.ru/articles/vse-chto-nuzhno-znat-o-sovremennyh-ats (дата обращения: 27.10.2025).
19. Введение в электронные компоненты. Wonderful PCB. URL: https://wonderfulpcb.com/ru/blog/introduction-to-electronic-components/ (дата обращения: 27.10.2025).
20. Декодеры и кодеры. URL: http://www.promelec.ru/pdf/koder.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
21. Измерения в цифровых системах связи. СВЯЗЬКОМПЛЕКТ. URL: https://www.svjaz.ru/articles/izmereniya-v-tsifrovykh-sistemakh-svyazi/ (дата обращения: 27.10.2025).
22. История Интернета. Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D0%98%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B0 (дата обращения: 27.10.2025).
23. Канал связи. Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB_%D1%81%D0%B2%D1%8F%D0%B7%D0%B8 (дата обращения: 27.10.2025).
24. Каналы связи. Электронная библиотека. URL: https://www.citforum.ru/internet/books/channels/ (дата обращения: 27.10.2025).
25. Как выбрать электронные компоненты. ПЛАТАН. URL: https://www.platan.ru/articles/kak-vybrat-elektronnye-komponenty/ (дата обращения: 27.10.2025).
26. Как тестировать электронику на производстве: анализ современных технологий. Habr. URL: https://habr.com/ru/companies/promwad/articles/202688/ (дата обращения: 27.10.2025).
27. Кодер канала. URL: https://studfile.net/preview/6075936/page:241/ (дата обращения: 27.10.2025).
28. Кодеры и декодеры. Группа компаний Промэлектроника. URL: https://www.promelec.ru/pdf/koder.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
29. Курс лекций «Основы цифровой обработки сигналов». Хабр. URL: https://habr.com/ru/articles/458034/ (дата обращения: 27.10.2025).
30. Методика оценки надежности сетей связи. Первая миля. URL: https://www.firstmile.ru/upload/iblock/4e8/4e86a760f3319089f21d3f234f9a0665.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
31. Методология проведения расчетов показателей надежности систем и средств связи. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metodologiya-provedeniya-raschetov-pokazateley-nadezhnosti-sistem-i-sredstv-svyazi (дата обращения: 27.10.2025).
32. Методы оценки производительности. URL: https://www.citforum.ru/operating_systems/design/glava_1_3.shtml (дата обращения: 27.10.2025).
33. Методы тестирования электронных устройств на производстве. Tech-e.ru. URL: https://tech-e.ru/articles/metody-testirovaniya-elektronnyh-ustrojstv-na-proizvodstve (дата обращения: 27.10.2025).
34. Модулятор. Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%82%D0%BE%D1%80 (дата обращения: 27.10.2025).
35. Модуляция: что такое, принципы работы, виды и применение. Skyeng. URL: https://skyeng.ru/articles/modulyatsiya-chto-takoe-printsipy-raboty-vidy-i-primenenie/ (дата обращения: 27.10.2025).
36. MTBF. База знаний компании Департамент ИТ. URL: https://dept-it.ru/blog/mtbf (дата обращения: 27.10.2025).
37. Надежность работы электрооборудования и показатель MTBF. Электрические сети. URL: https://electrical-network.ru/elektrooborudovanie/nadezhnost-raboty-elektrooborudovaniya-i-pokazatel-mtbf (дата обращения: 27.10.2025).
38. Нормы технологического проектирования. Городские и сельские телефонные сети. Охрана труда. URL: https://ohranatruda.ru/docs/1770/118330/ (дата обращения: 27.10.2025).
39. Основы схемотехники телекоммуникационных устройств. Издательство Лань. URL: https://e.lanbook.com/book/105435 (дата обращения: 27.10.2025).
40. Основы цифровой обработки сигналов: Теорема Котельникова, АЦП и ЦАП, Шум как случайный процесс. Habr. URL: https://habr.com/ru/articles/594323/ (дата обращения: 27.10.2025).
41. Презентация на тему: Структура и принципы работы цифровых АТС. Videouroki.net. URL: https://videouroki.net/razrabotki/struktura-i-printsipy-raboty-tsifrovykh-ats.html (дата обращения: 27.10.2025).
42. Применение теории сетевого исчисления к исследованию систем массового обслуживания с обратной связью. КиберЛенинка. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-teorii-setevogo-ischisleniya-k-issledovaniyu-sistem-massovogo-obsluzhivaniya-s-obratnoy-svyazyu (дата обращения: 27.10.2025).
43. Проводная связь: виды и особенности. Выставка «Связь». URL: https://www.sviaz-expo.ru/ru/articles/provodnaya-svyaz-vidy-i-osobennosti/ (дата обращения: 27.10.2025).
44. Проводные каналы связи: классификация и характеристики. URL: https://www.svyaz-integratsiya.ru/poleznye-stati/provodnye-kanaly-svyazi-klassifikatsiya-i-kharakteristiki/ (дата обращения: 27.10.2025).
45. Простой электронный телефонный аппарат. Вот схема! URL: https://votshema.ru/telefoniya/prostoy-elektronnyy-telefonnyy-apparat.html (дата обращения: 27.10.2025).
46. Разбираемся с метрикой «Среднее временя между сбоями» (MTBF). Digital Enterprise. URL: https://de.ncr-consulting.ru/glosariy/mtbf/ (дата обращения: 27.10.2025).
47. Роль модуляторов в современных технологиях. URL: https://www.radiowaves.ru/articles/modulators_role_in_modern_technologies/ (дата обращения: 27.10.2025).
48. Схемы телефонных аппаратов. Лекции.нет. URL: https://lektsii.net/1911131154569.html (дата обращения: 27.10.2025).
49. Схемотехника: Что это такое и для чего она нужна. URL: https://www.compel.ru/articles/2023/10/26/skhemotekhnika-chto-eto-takoe-i-dlya-chego-ona-nuzhna/ (дата обращения: 27.10.2025).
50. Теория информации. Курс лекций. Научно-техническое издательство «Горячая линия — Телеком». URL: https://www.glt.ru/books/book_details.php?id=3772 (дата обращения: 27.10.2025).
51. Теория информации и кодирования (Часть 1 — Теория потенциальной помехоустойчивости). ЭБС Лань. URL: https://e.lanbook.com/book/107141 (дата обращения: 27.10.2025).
52. Теория массового обслуживания. Intuit.ru. URL: https://www.intuit.ru/studies/courses/2304/578/lecture/12803 (дата обращения: 27.10.2025).
53. Теория массового обслуживания. Vunivere.ru. URL: https://vunivere.ru/work81023 (дата обращения: 27.10.2025).
54. Теория массового обслуживания. Кафедра Высшая и прикладная математика. Пензенский государственный университет. URL: https://dep_vpm.pnzgu.ru/files/dep_vpm.pnzgu.ru/page/chernysheva_t.v._zverovschikova_n.v._tmo_uchebnoe_posobie_2021.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
55. Теория систем массового обслуживания. Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского. URL: https://www.sgu.ru/sites/default/files/textdocs/2018/12/26/cherusheva_t.v._teoriya_sistem_massovogo_obsluzhivaniya._uchebnoe_posobie._sar_un_2018.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
56. Теория информации. Math.ru. URL: https://www.math.ru/lib/files/pdf/info/lido.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
57. Теория информации. Еременко В.Т. и др. 2010. URL: https://elib.oreluniver.ru/content/upload/files/bibl/y-2010/Teoriya-informatsii-Eremenko-V.T.-i-dr.-2010.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
58. Устройство телефонного аппарата и основы телефонной связи. Kazus.ru. URL: https://kazus.ru/shems/telefony/001.html (дата обращения: 27.10.2025).
59. Факторы, влияющие на надежность радиоэлектронных средств. Ppt-online.org. URL: https://ppt-online.org/364210 (дата обращения: 27.10.2025).
60. Цифровая АТС и ее возможности. РЦСЗ-ТСС. URL: https://rcsz-tcc.ru/articles/tsifrovaya-ats-i-ee-vozmozhnosti (дата обращения: 27.10.2025).
61. Цифровая схемотехника. Учебное пособие. Угрюмов Е.П. 2007. URL: https://elib.bsuir.by/bitstream/123456789/22881/1/ugrumov_e.p._cifrovaya_sxemotexnika_ucheb_posobie_2007.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
62. Цифровая обработка сигналов. Томский политехнический университет. URL: https://portal.tpu.ru/SHARED/g/GVF/uchebka/Tab/DSP-text_2016.pdf (дата обращения: 27.10.2025).
63. Цифровые АТС или аналоговые. Связь Интеграция. URL: https://www.svyaz-integratsiya.ru/tsifrovye-ats-ili-analogovye/ (дата обращения: 27.10.2025).