Лінія зв'язку і канал зв'язку - це не одне і те ж.
Лінія звязку(ЛЗ) - це фізичне середовище, По якій передаються інформаційні сигнали. В одній лінії зв'язку може бути організовано декілька каналів зв'язку шляхом тимчасового, частотного кодового та інших видів поділу - тоді кажуть про логічних (віртуальних) каналах. Якщо канал повністю монополізує лінію зв'язку, то він може називатися фізичним каналом і в цьому випадку збігається з лінією зв'язку. Хоча можна, наприклад, говорити про аналогове мул л цифровому каналі зв'язку, але абсурдно говорити про аналогової або цифрової лінії зв'язку, бо лінія - лише фізичне середовище, в якій можуть бути утворені канали зв'язку різного типу. Проте, навіть говорячи про фізичну багатоканальної лінії, її часто називають каналом зв'язку. Л С є обов'язковою ланкою будь-якої системи передачі інформації.
Рис. 15. 2. Класифікація каналів Зв'язки
Класифікація каналів зв'язку (КС) показана на рис. 15. 2. За фізичну природу ЛЗ і КС на їх основі діляться на:
механічні - використовуються для передачі матеріальних носіїв інформації
акустичні - передають звуковий сигнал;
оптичні - передають світловий сигнал;
електричні - передають електричний сигнал.
Електричні і оптичніКС можуть бути:
дротовими, що використовують для передачі сигналів провідникові лінії зв'язку (електричні дроти, кабелі, світловоди і т. д.);
бездротовими (радіоканали, інфрачервоні канали і т. д.), що використовують для передачі сигналів електромагнітні хвилі, що поширюються по ефіру.
За формою подання інформації, що передається КС діляться на:
аналогові- по аналоговим каналам передається інформація, представлена \u200b\u200bв безперервній формі, тобто у вигляді безперервного ряду значень будь-якої фізичної величини;
цифрові- по цифрових каналах передається інформація, подана у вигляді цифрових (дискретних, імпульсних) сигналів тій чи іншій фізичної природи.
Залежно від можливих напрямків передачі інформації розрізняють:
сімплексніКС, що дозволяють передавати інформацію тільки в одному напрямку;
напівдуплексніКС, що забезпечують поперемінно передачу інформації в прямому і зворотному напрямках;
дуплексніКС, що дозволяють вести передачу інформації одночасно і в прямому, і в зворотному напрямках.
Канали зв'язку можуть бути, нарешті:
комутованими;
некомутованими.
комутованіканали створюються з окремих ділянок (сегментів) тільки на час передачі по ним інформації; після закінчення передачі такої канал ліквідується (роз'єднується).
Некомутовані(Виділені) канали створюються на тривалий час і мають постійні характеристики по довжині, пропускної здатності, помехозащищенности.
За пропускної спроможності їх можна розділити на:
низькошвидкісніКС, швидкість передачі інформації в яких від 50 до 200 біт / с; це телеграфні КС, як комутовані (абонентський телеграф), так і некомутовані;
середньошвидкісніКС, наприклад аналогові (телефонні) КС; швидкість передачі в них від 300 до 9600 біт / с, а в нових стандартах V 90-V. 92 Міжнародного консультативного комітету по телеграфії і телефонії (МККТТ) і до 56 000 біт / с
високошвидкісні(Широкосмугові) КС, що забезпечують швидкість передачі інформації вище 56 000 біт / с.
Слід особливо відзначити, що телефонний КС є більш вузькосмуговим, ніж телеграфний, але швидкість передачі даних по ньому вище завдяки обов'язковій наявності модему, істотно знижує F з переданого сигналу. При простому кодуванні максимально досяжна швидкість передачі даних по аналоговим каналам не перевищує 9600 бод \u003d 9600 бит / с. Застосовувані в даний час складні протоколи кодування переданих даних використовують не два, а кілька значень параметра сигналу для відображення елемента даних і дозволяють досягти швидкості передачі даних по аналогових телефонних лініях зв'язку 56 кбіт / с \u003d 9600 бод.
За цифровим КС, організованим на базі телефонних ліній, швидкість передача даних завдяки зменшенню F з і збільшення Н з оцифрованого сигналу також: може бути вище (до 64 кбіт / с), а при мультиплексировании кількох цифрових каналів в один в такому складеному КС швидкість передачі може подвоюватися, потроюватися і т. д.; існують подібні канали зі швидкостями десятки і сотні мегабіт в секунду.
фізичним середовищемпередачі інформації в низькошвидкісних і середньошвидкісних КС зазвичай є провідні лінії зв'язку: групи або паралельних, або скручених ( "вита пара") проводів.
Для організації широкосмугових КС використовуються різні кабелі, зокрема:
неекрановані з крученими парами з мідних проводів (Unshielded Twisted Pair - UTP);
екрановані з крученими парами з мідних проводів (Shielded Twisted Pair - STP);
волоконно-оптичні (Fiber Optic Cable - FOC);
коаксіальні (Coaxial Cable - CC);
бездротові радіоканали.
Кручена пара- це ізольовані провідники, попарно звиті між собою для зменшення перехресних наведень між провідниками. Такий кабель, що складається зазвичай з невеликої кількості кручених пар (іноді навіть двох), характеризується меншим загасанням сигналу при передачі на високих частотах і меншою чутливістю до електромагнітних наведень, ніж паралельна пара проводів.
UTP-кабелічастіше за інших використовуються в системах передачі даних, зокрема в обчислювальних мережах. Виділяють п'ять категорій кручених пар UTP: перша і друга категорії використовуються при низкоскоростной передачі даних; третя, четверта і п'ята - при швидкостях передачі відповідно до 16, 25 і 155 Мбіт / с (а при використанні стандарту технології Gigabit Ethernet на кручений парі, введеного в 1999 році, і до 1000 Мбіт / с). При хороших технічних характеристиках ці кабелі порівняно недорогі, вони зручні в роботі, не вимагають заземлення.
STP-кабеліволодіють хорошими технічними характеристиками, але мають високу вартість, жорсткі і незручні в роботі, вимагають заземлення екрана. Вони діляться на типи: Турі 1, Турі 2, Туре 3, Туре 5, Туре 9. З них Туре 3 визначає характеристики неекранованого телефонного кабелю, а Туре 5 - волоконно-оптичного кабелю. Найбільш популярний кабель Турі 1 стандарту IBM, що складається з двох пар скручених проводів, екранованих провідною оплеткой, яку належить заземлювати. Його характеристики приблизно відповідають характеристикам UTP-кабелю категорії 5.
Коаксіальний кабельявляє собою мідний провідник, покритий діелектриком і оточений свитою з тонких мідних провідників екрануючої захисної оболонкою. Коаксіальні кабелі для телекомунікацій діляться на дві групи:
товсті коаксіали;
тонкі коаксіали.
товстийкоаксіальний кабель має зовнішній діаметр 12, 5 мм і досить товстий провідник (2, 17 мм), що забезпечує хороші електричні і механічні характеристики. Швидкість передачі даних по товстому коаксіальному кабелю досить висока (до 50 Мбіт / с), але, з огляду на певну незручність роботи з ним і його значну вартість, рекомендувати його для використання в мережах передачі даних можна далеко не завжди. тонкийкоаксіальний кабель має зовнішнє діаметр 5-6 мм, він дешевше і зручніше в роботі, але тонкий провідник в ньому (0, 9 мм) обумовлює гірші електричні (передає сигнал з допустимим загасанням на меншу відстань) і механічні характеристики. Рекомендовані швидкості передачі даних по "тонкому" коаксіалі не перевищують 10 Мбіт / с.
основу волоконно-оптичного кабелюскладають "внутрішні подкабелі" - скляні або пластикові волокна діаметром від 5 (одномодові) до 100 (багатомодові) мікрон, оточені твердим заповнювачем і поміщені в захисну оболонку діаметром 125-250 мкм. В одному кабелі може міститися від одного до декількох сотень таких "внутрішніх подкабелей". Кабель, в свою чергу, оточений заповнювачем і покритий більш товстої захисною оболонкою, всередині якої прокладений один або кілька силових елементів, які беруть на себе забезпечення механічної міцності кабелю.
За одномодовому волокну (діаметр їх 5-15 мкм) оптичний сигнал поширюється, майже не відбиваючись від стінок волокна (входить в волокно паралельно його стінок), чим забезпечується дуже широка смуга пропускання (до сотень гігагерц на кілометр). За многомодовому волокну (діаметр його 40-100 мкм) поширюються відразу багато сигналів, кожен з яких входить в волокно під своїм кутом (своєї модою) і, відповідно, відбивається від стінок волокна в різних місцях (смуга пропускання багатомодового волокна 500-800 МГц / км).
Джерелом розповсюджуваного по оптоволоконному кабелю світлового променя є перетворювач електричних сигналів в оптичні, наприклад світлодіод або напівпровідниковий лазер. Кодування інформації здійснюється зміною інтенсивності світлового променя. Фізичною основою передачі світлового променя по волокну є принцип повного внутрішнього відображення променя від стінок волокна, що забезпечує мінімальне загасання сигналу, найвищий захист від зовнішніх електромагнітних полів і високу швидкість передачі. По оптоволоконному кабелю, що має велике число волокон, можна передавати величезну кількість повідомлень. На іншому кінці кабелю приймає прилад перетворює світлові сигнали в електричні. Швидкість передачі даних по оптоволоконному кабелю дуже висока і досягає величини 1000 Мбіт / с, але він дуже дорогий і використовується зазвичай лише для прокладки відповідальних магістральних каналів зв'язку. Такий кабель пов'язує столиці і великі міста більшості країн світу, а прокладений по дну Атлантичного океану кабель пов'язує Європу з Америкою. Оптоволоконний кабель з'єднує Санкт-Петербург з Москвою, прибалтійськими та скандинавськими країнами, крім того, він прокладений в тунелях метро і пов'язує всі райони міста. В обчислювальних мережах оптоволоконний кабель використовується на найбільш відповідальних їх ділянках, зокрема в мережі Інтернет. Можливості оптоволоконних каналів воістину безмежні: по одному товстому магістральному оптоволоконному кабелю можна одночасно організувати кілька сот тисяч телефонних каналів, кілька тисяч відеотелефонії каналів і близько тисячі телевізійних каналів.
радіоканал- це безпровідний канал зв'язку, що прокладається через ефір. Система передачі даних (СПД) по радіоканалу включає в себе радіопередавач і радіоприймач, налаштовані на один і той же радіохвильової діапазон, який визначається частотною смугою електромагнітного спектра, використовуваної для передачі даних. Часто таку СПД називають просто радіоканалом. Швидкості передачі даних по радіоканалу практично не обмежені (вони обмежуються смугою пропускання приймально-передавальної апаратури). Високошвидкісний радіодоступ надає користувачам канали зі швидкістю передачі 2 Мбіт / "с і вище. В найближчому майбутньому очікуються радіоканали зі швидкостями 20-50 Мбіт / с. У табл. 15. 1 представлені назви радіохвиль і відповідні їм частотні смуги.
Таблиця 15. 1. діапазони радіохвиль
Для комерційних телекомунікаційних систем найчастіше використовуються частотні діапазони 902-928 МГц і 2, 4-2, 48 ГГц (в деяких країнах, наприклад США, при малих рівнях потужності випромінювання - до 1 Вт - дозволено використовувати ці діапазони без державного ліцензування).
Бездротові канали зв'язку мають погану помехозащищенностью, але забезпечують користувачеві максимальну мобільність і оперативність зв'язку. В обчислювальних мережах бездротові канали зв'язку для передачі даних використовуються найчастіше там, де застосування традиційних кабельних технологій утруднено або просто неможливо. Але в найближчому майбутньому ситуація може змінитися - активно ведеться розробка нової технології бездротового зв'язку Bluetooth.
Bluetooth- це технологія передачі даних по радіоканалах на короткі відстані, що дозволяє здійснювати зв'язок бездротових телефонів, комп'ютерів і різної периферії навіть в тих випадках, коли порушується вимога прямої видимості.
Загальновживаними і вже досить відомими є з'єднання електронної апаратури між собою за допомогою інфрачервоного каналу зв'язку. Але ці сполуки вимагають прямої видимості. Наприклад, пультом дистанційного керування телевізором неможливо скористатися, якщо між вами і телевізором виявився хоча б лист газетного паперу.
спочатку Bluetoothрозглядалася виключно як альтернатива використанню інфрачервоних з'єднань між різними портативними пристроями. Але зараз експерти прогнозують вже два напрямки широкого використання Bluetooth. Перший напрямок - це домашні мережі, що включають в себе різну електронну техніку, зокрема комп'ютери, телевізори і т. П. Друге, набагато більш важливий напрямок - локальні мережі офісів невеликих фірм, де стандарт Bluetooth може прийти на зміну традиційним провідним технологіям.
Недоліком Bluetooth є порівняно низька швидкість передачі даних - вона не перевищує 720 кб / с, тому ця технологія не здатна забезпечити передачу відеосигналу.
Телефонні лінії зв'язкує найбільш розгалуженими і широко використовуваними. По телефонних лініях зв'язку здійснюється передача звукових (тональних) і факсимільних повідомлень, вони є основою побудови інформаційно-довідкових систем, систем електронної пошти і обчислювальних мереж.
По телефонних лініях можуть бути організовані і аналогові, і цифрові канали передачі інформації. Розглянемо це питання, зважаючи на його високу актуальність, трохи докладніше.
"Проста стара телефонна система", в англомовній абревіатурі POTS (Primitive Old Telephone System), складається з двох частин: магістральної системи зв'язку та мережі доступу абонентів до неї. Найбільш простий варіант доступу абонентів до магістральної системи - використання абонентського аналогового каналу зв'язку. Більшість телефонних апаратів підключаються до автоматичної телефонної станції (АТС), що є вже елементом магістральної системи, саме так.
Телефонний мікрофон перетворює звукові коливання в аналоговий електричний сигнал, який і передається по абонентської лінії в АТС. Необхідна для передачі людського голосу смуга частот становить приблизно 3 кГц, в діапазоні від 300 Гц до 3, 3 кГц. При знятті телефонної трубки формується сигнал "off-hook", повідомляє АТС про виклик, і, якщо телефонна станція не зайнята, набирається потрібний телефонний номер, який передається в АТС у вигляді послідовності імпульсів (при імпульсному наборі) або у вигляді комбінації сигналів звукової частоти (при тональному наборі). Завершується розмова сигналом "on-hook", який формується при опусканні трубки. Такий тип процедури виклику називається "in band", оскільки передача сигналів виклику проводиться по тому ж каналу, що і передача мови.
Для оцінки якості каналів передачі даних можна використовувати такі характеристики:
швидкість передачі даних по каналу зв'язку;
пропускну здатність каналу зв'язку;
достовірність передачі інформації;
надійність каналу зв'язку.
Швидкість передачі даних. Розрізняють Бодов (модуляційну) і інформаційну швидкості (bit rate). Інформаційна швидкість - визначається кількістю бітів, що передаються по каналу зв'язку за одну секунду біт / с, що в англомовному варіанті позначається як bps.
Бодов швидкість вимірюється в бодах (baud). Ця одиниця швидкості отримала свою назву за прізвищем французького винахідника телеграфного апарату Emilie Baudot - Е. Бодо. Бод - це число змін стану середовища передачі в секунду (або числом змін сигналу в одиницю часу). Саме Бодов швидкість визначається смугою пропускання лінії. Швидкість передачі інформації 2400 бод означає, що стан переданого сигналу змінювалося 2400 разів в секунду, що еквівалентно частоті 2400 Гц.
Для ілюстрації цих понять звернемося до передачі цифрових даних по звичайних телефонних каналах зв'язку. У самих ранніх моделях модемів, ці дві швидкості збігалися. Сучасні модеми кодують кілька бітів даних в одну зміну стану аналогового сигналу і очевидно, що швидкість передачі даних і швидкість роботи каналу в цьому випадку не збігаються. Якщо на бодовом інтервалі (між сусідніми змінами сигналу) передається N біт, то число значень модулируемого параметра несучої (переносника) дорівнює 2 N. Наприклад, при числі градацій 16 і швидкості 1200 бод одному боду відповідає 4 біт / с і інформаційна швидкість складе 4800 біт / с, тобто бітрейтом в секунду перевищує швидкість в бодах. Зокрема, модеми на 2 400 і 1 200 біт / с передають 600 бод, а модеми на 9 600 і 14 400 біт / с- 2 400 бод.
В аналогових телефонних мережах швидкість передачі даних визначається типом протоколу який підтримують обидва модему, що беруть участь в з'єднанні. Так, сучасні модеми працюють по протоколах V.34 + зі швидкістю до 33600 біт / с або по протоколу асиметричного обміну даними V.90 зі швидкістю передачі до 56 Kbps.
Стандарт V.34 + дозволяє працювати по телефонних лініях практично будь-якої якості. Первісне з'єднання модемів відбувається по асинхронному інтерфейсу на мінімальній швидкості 300 біт / с, що дозволяє працювати на найгірших лініях. Після тестування лінії вибираються основні параметри передачі (частота несучої 1,6-2,0 КГц, спосіб модуляції, перехід в синхронний режим) які в наслідку можуть динамічно змінюватися без розриву зв'язку, адаптуючись до зміни якості лінії.
Протокол V.90 був прийнятий Міжнародним Союзом Електрозв'язку (МСЕ) в лютому 1998 р Відповідно до цього стандарту модеми, встановлені у користувача, можуть приймати дані від провайдера мережі (вхідний потік - Downstream) на швидкості 56 Kbps, а посилати (вихідний потік - Upstream) - на швидкості до 33,6 Kbps. Досягається це за рахунок того, що дані на вузлі мережі, підключеного до цифрового каналу, піддаються тільки цифровому кодуванню, а не аналого-цифровому перетворенню, яке завжди вносить шум дискретизації і квантування. На стороні користувача через "останньої аналогової милі" відбувається і цифро-аналогове (в модемі) і аналого-цифрове перетворення (на АТС), тому збільшення швидкості неможливо. Очевидно, що застосувати таку схему вдається тільки там, де один з модемів має доступ до цифрового каналу. Практично тільки провайдер мережі Інтернет може бути пов'язаний з АТС користувача цифровим каналом.
Для з'єднань типу абонент-абонент по комутованої телефонної мережі загального користування нова технологія непридатна і робота можлива тільки на швидкості не вище 33,6 Kbps.
Швидкості передачі цифрової інформації для ЛВС різних типів приведені в таблиці 2.1, а для глобальних мереж в таблиці 2.2.
Таблиця 2.1
|
Тип мережі (протокол канального рівня) |
Вид лінії передачі даних | |
|
Товстий коаксіальний кабель (10Base-5) Тонкий коаксіальний кабель (10base-2) Неекранована кручена пара UTP категорії 3 (10Base-T) Оптоволокно (10Base-F) | ||
|
Оптоволокно (100Base-FX) | ||
|
Gigabit Ethernet |
Багатомодове оптоволокно (1000Base-SX) Одномодовое оптоволокно (1000Base-LX) Твінаксіальний кабель (1000Base-СX) | |
|
Token Ring (High Speed \u200b\u200bToken Ring) |
оптоволокно | |
|
FDDI (Fiber Distributed Data Interface) |
оптоволокно |
Таблиця 2.2
Ієрархія швидкостей цифрових каналів глобальних мереж
|
Тип мережі |
Тип інтерфейсу і лінії передачі даних |
Швидкість передачі даних, Мбіт / с |
|
|
T1 / E1, кабель з 2-ух кручених пар T2 / E2, коаксіальний кабель T3 / E3, коаксіальний і оптичний кабель або радіолінії СВЧ | |||
|
STS-3, OC-3 / STM-1 STS-9, OC-9 / STM-3 STS-12, OC-12 / STM-4 STS-18, OC-18 / STM-6 STS-24, OC-24 / STM-8 STS-36, OC-36 / STM-12 STS-48, OC-48 / STM-16 | |||
|
BRI (базовий) PRI (спеціальний) | |||
|
Абонент-мережу (Upstream) Мережа-абонент (Downstream) |
На ВОЛЗ досягнуті рекордні швидкості передачі інформації. В експериментальній апаратурі з використанням методу мультиплексування з поділом каналів по довжинах хвиль (WDM - Wavelengths Division Multiplexing) досягнута швидкість 1100 Гбіт / с на відстані 150 км. В одній з діючих систем на основі WDM передача йде зі швидкістю 40 Гбіт / с на відстані до 320 км. У методі WDM виділяється кілька несучих частот (каналів). Так, в останній згаданій системі є 16 таких каналів поблизу частоти 4 * 10 5 ГГц, віддалених один від одного на 10 3 ГГц, в кожному каналі досягається швидкість 2,5 Гбіт / с.
Максимально можлива інформаційна швидкість, пропускна здатністьC (bandwidth) пов'язана з пропускною здатністю F (точніше з верхньої частотою смуги пропускання) каналу зв'язку формулою Хартлі-Шеннона. Нехай N - число можливих дискретних значень сигналу, наприклад число різних значень модулируемого параметра. Тоді на одну зміну величини сигналу, відповідно до формули Хартлі, доводиться не більше I \u003d log 2 N біт інформації.
Максимальну інформаційну швидкість передачі можна визначити як
С \u003d log 2 N / t,
де t - тривалість перехідних процесів, приблизно рівна (3-4) Т В, а Т В \u003d 1 / (2πF). тоді
біт / с,(2.1)
У разі каналу з перешкодами кількість помітних значень модульованого сигналу N повинно бути ≤ 1 + A, де A - відношення потужностей сигналу і перешкоди.
Для користувачів обчислювальних мереж значення мають не абстрактні біти в секунду, а інформація, одиницею виміру якої є байти або знаки. Тому більш зручною характеристикою каналу є його реальна або ефективна швидкість, Яка оцінюється кількістю знаків (символів), переданих по каналу за секунду (cps, character per second), не включаючи службову (наприклад, біти початку і кінця блоку, заголовки блоків і контрольні суми).
Ефективна швидкість залежить від ряду факторів, серед яких не тільки швидкість передачі даних, але і спосіб передачі, і якість каналу зв'язку, і умови його експлуатації, і структура повідомлень. Наприклад, так як в середньому, при асинхронному методі передачі даних через модем кожним 10 переданим бітам відповідає 1 байт або 1 символ повідомлення, то 1 cps \u003d 10 bps. Для підвищення ефективної швидкості передачі використовуються різні методи стиснення інформації, що реалізуються як самими модемами, так і комунікаційним ПО.
Істотною характеристикою будь-якої комунікаційної системи є достовірність переданої інформації. Достовірність передачі інформації або рівень помилок (Error ratio) оцінюють або як ймовірність безпомилкової передачі блоку даних, або як відношення кількості помилково переданих бітів до загальної кількості переданих бітів (одиниця виміру: кількість помилок на знак - помилок / знак) Наприклад, ймовірність 0,999 відповідає 1 помилку на 1000 біт (дуже поганий канал). Необхідний рівень достовірності повинні забезпечувати як апаратура каналу, так і стан лінії зв'язку. Недоцільно використовувати дорогу апаратуру, якщо лінія зв'язку не забезпечує необхідних вимог по завадостійкості.
При передачі даних в обчислювальних мережах цей показник повинен лежати в межах 10 -8 -10 -12 помилок / знак, тобто допускається не більше однієї помилка на 100 мільйонів переданих бітів. Для порівняння, допустима кількість помилок при телеграфного зв'язку становить приблизно 3 · 10 -5 на знак.
Нарешті, надійність комунікаційної системи визначається або часткою часу справного стану в загальному часу роботи, або середнім часом безвідмовної роботи в годинах. Друга характеристика дозволяє більш ефективно оцінити надійність системи.
Для обчислювальних мереж середній час безвідмовної роботи має бути досить великим і складати, як мінімум, кілька тисяч годин
Існує безліч видів каналів зв'язку, які, в залежності від типу середовища поширення прийнято ділити на провідні, акустичні, інфрачервоні і радіоканали. Залежно від видів сигналів канали зв'язку можна розрізняють
Безперервні (на вході і виході каналу - безперервні сигнали);
Дискретні або цифрові (на вході і виході каналу - дискретні сигнали);
Безперервно-дискретні (на вході каналу - безперервні сигнали, а на
виході - дискретні сигнали);
Дискретно-безперервні (на вході каналу - дискретні сигнали, а на виході -
безперервні сигнали).
За часом існування виділяють комутовані і некомутовані канали. Комутовані (тимчасові), створюються тільки на час передачі інформації. Некомутовані канали (виділені) - створюються на тривалий час з певними постійними характеристиками. Канали також можна класифікувати по швидкості передачі інформації, діапазону частот, зміни параметрів у часі (з постійними і змінними параметрами) і т.д.
У загальному випадку, канал зв'язку-це система технічних засобів і середовище поширення сигналів для передачі повідомлень (не тільки даних) від джерела до одержувача (і навпаки). До складу каналу зв'язку входять лінії зв'язку (фізичний рівень передачі), основні параметри яких можна розділити на дві групи / 12 /: параметри поширення, характеризують процес поширення корисного сигналу, і параметри впливу, що описують ступінь впливу на корисний сигнал інших сигналів і перешкод. У кожній з цих груп можна виділити первинні і вторинні параметри. Первинні параметри характеризують фізичну природу лінії, наприклад погонну ємність або індуктивність електричного кабелю, ступінь неоднорідності оптичного волокна, а вторинні відображають певний узагальнений результат проходження сигналу по лінії зв'язку. На вторинні параметри впливають як первинні параметри, так і перешкоди. Наприклад, при передачі по провідній лінії сигналів різних частот через наявність розподіленого комплексного опору лінії коефіцієнт передачі для гармонійних коливань з різними частотами буде різним. Це призводить до викривлення форми сигналу.
Основними вторинними характеристиками лінії зв'язку є: -амплітудно-частотна характеристика (АЧХ);
Смуга пропуску;
загасання;
перешкодостійкість;
Пропускна здатність;
Достовірність передачі даних.
АЧХ показує, як змінюється амплітуда сигналу на виході лінії зв'язку по порівняння з амплітудою на вході для різних частот переданого сигналу (рис.9).
Малюнок 9-Амплітудно-частотна характеристика
АЧХ дає повну картину про лінії зв'язку з точки зору проходження сигналів різних частот, однак отримати її досить важко. Для цього потрібно провести тестування лінії еталонними синусоїдами по всьому діапазону частот від нуля до деякого максимального значення, яке може зустрітися у вхідних сигналах. Причому міняти частоту вхідних синусоїд потрібно з невеликим кроком, а значить, кількість експериментів має бути дуже великим. Тому на практиці замість амплітудно-частотної характеристики застосовуються інші, спрощені характеристики- смуга пропускання і загасання.
Смуга пропускання є похідною характеристикою від АЧХ. Вона являє собою безперервний діапазон частот, для яких відношення амплітуди вихідного сигналу до вхідного перевищує деякий заздалегідь задану межу.
Фактично смуга пропускання визначає частотний діапазон сигналу, при якому він передається по каналу зв'язку без значних спотворень. Зазвичай смуга пропускання відраховується на рівні 0,7 від максимального значення АЧХ. На рис.10 показані смуги пропускання для різних ліній зв'язку.
Малюнок 10 Смуги пропускання різних ліній зв'язку
Загасання визначається як відносне зменшення амплітуди або потужності сигналу при передачі по каналу сигналу певної частоти. Часто при експлуатації каналу заздалегідь відома основна частота сигналу, що передається, тобто та частота, гармоніка якої має найбільшу амплітуду і потужність. Тому досить знати загасання на цій частоті, щоб приблизно оцінити спотворення переданих по каналу сигналів. більш
точні оцінки можливі при знанні загасання на декількох частотах, що відповідають декільком основним гармоникам переданого сигналу. Загасання обчислюється за такою формулою:
де Рвих - потужність сигналу на виході каналу, Рвх - потужність сигналу на вході каналу.
Загасання завжди розраховується для певної частоти і співвідноситься з довжиною каналу. На практиці користуються поняттям "погонное загасання", тобто загасання сигналу на одиницю довжини каналу, наприклад, загасання 0.3 дБ / метр. Чим менше загасання, тим вище якість лінії зв'язку. Зазвичай загасання визначають для пасивних ділянок лінії зв'язку, що складаються з кабелів і кросових секцій, без підсилювачів і регенераторів. Наприклад, кабель з крученими парами категорії 5 для внутрішньої проводки в будинках, що застосовується для локальних мереж, характеризується загасанням не нижче -23.6 дБ для частоти 100 МГц при довжині кабелю 100 м. У оптичного кабелю загасання помітно нижче, і зазвичай лежить в діапазоні від 0.2 до 3 дБ при довжині кабелю в 1000 м. Слід зазначити, що практично всім оптичних волокнах властива складна залежність загасання від довжини хвилі, з трьома так званими «вікнами прозорості» - 850, 1300 і 1550 нм. найменші втрати
забезпечуються на довжині хвилі 1550 нм, що дозволяє досягти максимальної дальності при фіксованій потужності передавача та фіксованого чутливості приймача. Багатомодовий кабель володіє двома першими вікнами прозорості, т. Е. 850 і 1300 нм, а одномодовий кабель- двома вікнами прозорості на довжинах хвиль 1310 і 1550 нм.
Перешкодостійкість лінії визначає її здатність виконувати свої
функції під впливом перешкод з боку зовнішнього середовища або провідників
самого кабелю. Перешкодостійкість можна оцінити максимальною
інтенсивністю перешкод, при якій порушення функцій ще не перевищує
допустимих меж. Перешкодостійкість залежить від типу використовуваної
фізичне середовище, від екранують і пригнічують перешкоди коштів самої
лінії. Найменш перешкодостійкими є радіолінії, наіболее-
волоконно-оптичні, малочутливі до зовнішнього електромагнітного випромінювання. Перешкодостійкість може бути підвищена за рахунок використання для передачі сигналу перешкодостійких кодів і спеціальних алгоритмів обробки.
Пропускна здатність лінії характеризує максимально можливу швидкість передачі даних по лінії зв'язку. Пропускна здатність вимірюється в бітах в секунду. Це пов'язано з тим, що дані в лініях зв'язку передаються послідовно, тобто побитно. Теоретично максимально можлива пропускна здатність незалежно від способу кодування визначається теоремою Шеннона-Хартлі:
відношення потужностей сигналу до потужності білого гауссовского шуму. SNR - визначає число рівнів сигналу, які може розрізнити приймач. Так, якщо SNR\u003e 3, то одиничний сигнал може переносити два біти інформації. Типові швидкості передачі для найбільш поширених ліній зв'язку наведені в таблиці 1.
Таблиця 1 Швидкість передачі даних по каналах зв'язку
Достовірність передачі визначається ступенем спотворення сигналу, тобто тим, наскільки прийнятий сигнал відповідає переданому. У цифрових системах передачі інформації достовірність передачі даних характеризує
Для прискорення розробки телемедичних систем і оцінки впливу параметрів каналу на якість передачі сигналу зручно використовувати для моделювання середу MATLAB і Simulink, яка, надаючи готові до використання моделі каналів, дозволяє інтегрувати їх в модель системи для оцінки впливу різних спотворень на якість передачі сигналу. Що входить до складу Simulink Communication Blockset пропонує моделі таких каналів, як канал з адитивним білим гауссовским шумом, двійковий симетричний канал, многолучевой релєєвського канал із завмиранням, райсовскій канал із завмиранням і ін. Змінюючи параметри каналу можна оцінювати похибка передачі для різних видів модуляції, типу перешкодостійкого кодування і способів обробки сигналу.
Тема 1.4: Основи локальних мереж
Тема 1.5: Базові технології локальних мереж
Тема 1.6: Основні програмні і апаратні компоненти ЛВС
локальні мережі
1.2. Середовище і методи передачі даних в обчислювальних мережах
1.2.2. Лінії зв'язку і канали передачі даних
Для побудови комп'ютерних мереж застосовуються лінії зв'язку, що використовують різну фізичну середу. Як фізичне середовище в комунікаціях використовуються: метали (в основному мідь), надпрозоре скло (кварц) або пластик і ефір. Фізичне середовище передачі даних може являти собою кабель "вита пара", коаксіальні кабель, волоконно-оптичний кабель і навколишній простір.
Лінії зв'язку або лінії передачі даних - це проміжна апаратура і фізичне середовище, по якій передаються інформаційні сигнали (дані).
В одній лінії зв'язку можна утворити кілька каналів зв'язку (віртуальних або логічних каналів), наприклад шляхом частотного або тимчасового поділу каналів. Канал зв'язку - це засіб односторонньої передачі даних. Якщо лінія зв'язку монопольно використовується каналом зв'язку, то в цьому випадку лінію зв'язку називають каналом зв'язку.
Канал передачі даних - це засоби двостороннього обміну даними, які включають в себе лінії зв'язку та апаратуру передачі (прийому) даних. Канали передачі даних пов'язують між собою джерела інформації та приймачі інформації.
Залежно від фізичного середовища передачі даних лінії зв'язку можна розділити на:
- провідні лінії зв'язку без ізолюючих і екрануючих оплеток;
- кабельні, де для передачі сигналів використовуються такі лінії зв'язку як кабелі "кручена пара", коаксіальні кабелі або оптоволоконні кабелі;
- бездротові (радіоканали наземного і супутникового зв'язку), що використовують для передачі сигналів електромагнітні хвилі, які розповсюджуються по ефіру.
Провідні лінії зв'язку
Провідні (повітряні) лінії зв'язку використовуються для передачі телефонних і телеграфних сигналом, а також для передачі комп'ютерних даних. Ці лінії зв'язку застосовуються в якості магістральних ліній зв'язку.
По провідних лініях зв'язку можуть бути організовані аналогові і цифрові канали передачі даних. Швидкість передачі по провідних лініях "простий старої телефонної лінії" (POST - Primitive Old Telephone System) є дуже низькою. Крім того, до недоліків цих ліній відносяться перешкодозахищеність і можливість простого несанкціонованого підключення до мережі.
Кабельні лінії зв'язку
Кабельні лінії зв'язку мають досить складну структуру. Кабель складається з провідників, укладених в кілька шарів ізоляції. У комп'ютерних мережах використовуються три типи кабелів.
Кручена пара (Twisted pair) - кабель зв'язку, який представляє собою виту пару мідних проводів (або кілька пар проводів), укладених в екрановану оболонку. Пари проводів скручуються між собою з метою зменшення наведень. Вита пара є досить перешкодостійкою. Існує два типи цього кабелю: неекранована кручена пара UTP і екранована кручена пара STP.
Характерним для цього кабелю є простота монтажу. Даний кабель є найдешевшим і поширеним видом зв'язку, який знайшов широке застосування в найпоширеніших локальних мережах з архітектурою Ethernet, побудованих по топології типу "зірка". Кабель підключається до мережевих пристроїв за допомогою з'єднувача RJ45.
Кабель використовується для передачі даних на швидкості 10 Мбіт / с і 100 Мбіт / с. Вита пара зазвичай використовується для зв'язку на відстань не більше кількох сотень метрів. До недоліків кабелю "вита пара" можна віднести можливість простого несанкціонованого підключення до мережі.
Коаксіальний кабель (Coaxial cable) - це кабель з центральним мідним дротом, який оточений шаром ізолюючого матеріалу для того, щоб відокремити центральний провідник від зовнішнього провідного екрану (мідної обплетення або шар алюмінієвої фольги). Зовнішній провідний екран кабелю покривається ізоляцією.
Існує два типи коаксіального кабелю: тонкий коаксіальний кабель діаметром 5 мм і товстий коаксіальний кабель діаметром 10 мм. У товстого коаксіального кабелю загасання менше, ніж у тонкого. Вартість коаксіальногокабелю перевищує номінальну вартість кручений пари і виконання монтажу мережі складніше, ніж кручений парою.
Коаксіальний кабель застосовується, наприклад, в локальних мережах з архітектурою Ethernet, побудованих по топології типу "загальна шина".
Коаксіальний кабель більш перешкодозахищений, ніж кручена пара і знижує власне випромінювання. Пропускна здатність - 50-100 Мбіт / с. Допустима довжина лінії зв'язку - кілька кілометрів. Несанкціоноване підключення до коаксіального кабелю складніше, ніж до кручений парі.
Кабельні оптоволоконні канали зв'язку. Оптоволоконний кабель (fiber optic) - це оптичне волокно на кремнієвій або пластмасовій основі, укладену в матеріал з низьким коефіцієнтом заломлення світла, який закритий зовнішньою оболонкою.
Оптичне волокно передає сигнали тільки в одному напрямку, тому кабель складається з двох волокон. На передавальному кінці оптоволоконного кабелю потрібно перетворення електричного сигналу в світловий, а на приймальному кінці зворотне перетворення.
Основна перевага цього типу кабелю - надзвичайно високий рівень перешкодозахищеності і відсутність випромінювання. Несанкціоноване підключення дуже складно. Швидкість передачі даних 3Гбіт / c. Основні недоліки оптоволоконного кабелю - це складність його монтажу, невелика механічна міцність і чутливість до іонізуючих випромінювань.
Бездротові (радіоканали наземного і супутникового зв'язку) канали передачі даних
Радіоканали наземного (радіорелейного і стільникового) і супутникового зв'язку утворюються за допомогою передавача і приймача радіохвиль і відносяться до технології бездротової передачі даних.
Радіорелейні канали передачі даних
Радіорелейні канали зв'язку складаються з послідовності станцій, які є ретрансляторами. Зв'язок здійснюється в межах прямої видимості, дальності між сусідніми станціями - до 50 км. Цифрові радіорелейні лінії зв'язку (ЦРРС) застосовуються в якості регіональних і місцевих систем зв'язку і передачі даних, а також для зв'язку між базовими станціями стільникового зв'язку.
Супутникові канали передачі даних
У супутникових системах використовуються антени СВЧ-діапазону частот для прийому радіосигналів від наземних станцій і ретрансляції цих сигналів назад на наземні станції. У супутникових мережах використовуються три основні типи супутників, які знаходяться на геостаціонарних орбітах, середніх або низьких орбітах. Супутники запускаються, як правило, групами. Рознесені один від одного вони можуть забезпечити охоплення майже всієї поверхні Землі. Робота супутникового каналу передачі даних представлена \u200b\u200bна малюнку
Рис. 1.
Доцільніше використовувати супутниковий зв'язок для організації каналу зв'язку між станціями, розташованими на дуже великих відстанях, і можливості обслуговування абонентів в самих важкодоступних точках. Пропускна здатність висока - кілька десятків Мбіт / c.
Стільникові канали передачі даних
Радіоканали стільникового зв'язку будуються за тими ж принципами, що і стільникові телефонні мережі. Стільниковий зв'язок - це бездротова телекомунікаційна система, що складається з мережі наземних базових приймально-передавальних станцій і стільникового комутатора (або центру комутації мобільного зв'язку).
Базові станції підключаються до центру комутації, який забезпечує зв'язок, як між базовими станціями, так і з іншими телефонними мережами і з глобальною мережею Інтернет. По виконуваних функцій центр комутації аналогічний звичайної АТС провідного зв'язку.
LMDS (Local Multipoint Distribution System) - це стандарт стільникових мереж бездротової передачі інформації для фіксованих абонентів. Система будується за стільниковим принципом, одна базова станція дозволяє охопити район радіусом кілька кілометрів (до 10 км) і підключити декілька тисяч абонентів. Самі БС об'єднуються один з одним високошвидкісними наземними каналами зв'язку або радіоканалами. Швидкість передачі даних до 45 Мбіт / c.
Радіоканали передачі даних WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) аналогічні Wi-Fi. WiMAX, на відміну від традиційних технологій радіодоступу, працює і на відбитому сигналі, поза прямою видимістю базової станції. Експерти вважають, що мобільні мережі WiMAX відкривають набагато цікавіші перспективи для користувачів, ніж фіксований WiMAX, призначений для корпоративних замовників. Інформацію можна передавати на відстані до 50 км зі швидкістю до 70 Мбіт / с.
Радіоканали передачі даних MMDS (Multichannel Multipoint Distribution System). Ці системи здатна обслуговувати територію в радіусі 50-60 км, при цьому пряма видимість передавача оператора є не обов'язковою. Середня гарантована швидкість передачі даних складає 500 Кбіт / с - 1 Мбіт / с, але можна забезпечити до 56 Мбіт / с на один канал.
Радіоканали передачі даних для локальних мереж. Стандартом безпровідного зв'язку для локальних мереж є технологія Wi-Fi. Wi-Fi забезпечує підключення в двох режимах: точка-точка (для підключення двох ПК) і інфраструктурне з'єднання (для підключення кілька ПК до однієї точки доступу). Швидкість обміну даними до 11 Мбіт / с при підключенні точка-точка і до 54 Мбіт / с при інфраструктурному з'єднанні.
Радіоканали передачі даних Bluetooht - це технологія передачі даних на короткі відстані (не більше 10 м) і може бути використана для створення домашніх мереж. Швидкість передачі даних не перевищує 1 Мбіт / с.
На рис. 1 прийняті наступні позначення: X, Y, Z, W - сигнали, повідомлення ; f- перешкода; ЛЗ- лінія звязку; ІІ, ПІ - джерело і приймач інформації; П - перетворювачі (кодування, модуляція, декодування, демодуляція).
Існують різні типи каналів, які можна класифікувати за різними ознаками:
1.За типом ліній зв'язку: провідні; кабельні; оптико-волоконні;
лінії електропередач; радіоканали і т.д.
2. За характером сигналів: безперервні; дискретні; дискретно-безперервні (сигнали на вході системи дискретні, а на виході безперервні, і навпаки).
3. За помехозащищенности: канали без перешкод; з перешкодами.
Канали зв'язку характеризуються:
1. ємність каналу визначається як проізведеніевремені використання каналу T до, ширини спектра частот, що пропускаються каналом F доі динамічного діапазону D до . , Який характеризує здатність каналу передавати різні рівні сигналів
V к \u003d T до F до D к.(1)
Умова узгодження сигналу з каналом:
V c£ V k ; T c£ T k ; F c£ F k ; V c£ V k ; D c£ D k.
2.Швидкість передачі інформації - середня кількість інформації, що передається в одиницю часу.
3.
4. надмірність - забезпечує достовірність інформації, що передається ( R \u003d 0¸1).
Одним із завдань теорії інформації є визначення залежності швидкості передачі інформації і пропускної здатності каналу зв'язку від параметрів каналу і характеристик сигналів і перешкод.
Канал зв'язку образно можна порівнювати з дорогами. Вузькі дороги - мала пропускна здатність, але дешево. Широкі дороги - гарна пропускна здатність, але дорого. Пропускна здатність визначається самим «вузьким» місцем.
Швидкість передачі даних в значній мірі залежить від середовища передачi в каналах зв'язку, в якості яких використовуються різні типи ліній зв'язку.
провідні:
1. провідні- кручена пара (що частково пригнічує електромагнітне випромінювання інших джерел). Швидкість передачі до 1 Мбіт / с. Використовується в телефонних мережах і для передачі даних.
2. Коаксіальний кабель.Швидкість передачі 10-100 Мбіт / с - використовується в локальних мережах, кабельному телебаченні і т.д.
3. Оптико-волоконна.Швидкість передачі 1 Гбіт / с.
У середовищах 1-3 загасання в дБ лінійно залежить від відстані, тобто потужність падає по експоненті. Тому через певну відстань необхідно ставити регенератори (підсилювачі).
радіолінії:
1.Радіоканал.Швидкість передачі 100-400 Кбіт / с. Використовує радіочастоти до 1000 МГц. До 30 МГц за рахунок відображення від іоносфери можливе поширення електромагнітних хвиль за межі прямої видимості. Але цей діапазон сильно зашумлен (наприклад, аматорської радіозв'язком). Від 30 до 1000 МГц - іоносфера прозора і необхідна пряма видимість. Антени встановлюються на висоті (іноді встановлюються регенератори). Використовуються в радіо і телебаченні.
2.Мікрохвильові лінії.Швидкості передачі до 1 Гбіт / с. Використовують радіочастоти вище 1000 МГц. При цьому необхідна пряма видимість і гостронаправлені параболічні антени. Відстань між регенераторами 10-200 км. Використовуються для телефонного зв'язку, телебачення і передачі даних.
3. Супутниковий зв'язок. Використовуються мікрохвильові частоти, а супутник служить регенератором (причому для багатьох станцій). Характеристики ті ж, що у мікрохвильових ліній.
2. Пропускна здатність дискретного каналу зв'язку
Дискретний канал являє собою сукупність засобів, призначених для передачі дискретних сигналів.
Пропускна здатність каналу зв'язку - найбільша теоретично досяжна швидкість передачі інформації за умови, що похибка не перевищує заданої величини. Швидкість передачі інформації - середня кількість інформації, що передається в одиницю часу. Визначимо вирази для розрахунку швидкості передачі інформації і пропускної здатності дискретного каналу зв'язку.
При передачі кожного символу в середньому по каналу зв'язку проходить кількість інформації, що визначається за формулою
I (Y, X) \u003d I (X, Y) \u003d H (X) - H (X / Y) \u003d H (Y) - H (Y / X), (2)
де: I (Y, X) -взаємна інформація, т.е.колічество інформації, що міститься в Yщодо X; H (X) - ентропія джерела повідомлень; H (X / Y) - умовна ентропія, що визначає втрату інформації на один символ, пов'язану з наявністю перешкод і спотворень.
Надсилаючи звіт про проблеми X Tтривалості T, що складається з n елементарних символів, середня кількість інформації, що передається з урахуванням симетрії взаємного кількості інформації одно:
I (Y T, X T) \u003d H (X T) - H (X T / Y T) \u003d H (Y T) - H (Y T / X T) \u003d n. (4)
Швидкість передачі інформації залежить від статистичних властивостей джерела, методу кодування і властивостей каналу.
Пропускна здатність дискретного каналу зв'язку
. (5)Максимально-можливе значення, тобто максимум функціоналу шукається на всій множині функцій розподілу ймовірності p (X).
Пропускна здатність залежить від технічних характеристик каналу (швидкодії апаратури, виду модуляції, рівня перешкод і спотворень і т.д.). Одиницями виміру пропускної здатності каналу є:,,,.
2.1 Дискретний канал зв'язку без перешкод
Якщо перешкоди в каналі зв'язку відсутні, то вхідні і вихідні сигнали каналу пов'язані однозначною, функціональною залежністю.
При цьому умовна ентропія дорівнює нулю, а безумовні ентропії джерела і приймача рівні, тобто середня кількість інформації в прийнятому символі щодо переданого одно
I (X, Y) \u003d H (X) \u003d H (Y); H (X / Y) \u003d 0.
якщо Х Т - кількість символів за час T, То швидкість передачі інформації для дискретного каналу зв'язку без перешкод дорівнює
(6)де V = 1/ - середня швидкість передачі одного символу.
Пропускна здатність для дискретного каналу зв'язку без перешкод
(7)Оскільки максимальна ентропія відповідає для рівноймовірно символів, то пропускна здатність для рівномірного розподілу і статистичної незалежності переданих символів дорівнює:
. (8)Перша теорема Шеннона для каналу: Якщо потік інформації, що виробляється джерелом, досить близький до пропускної здатності каналу зв'язку, тобто
то завжди можна знайти такий спосіб кодування, який забезпечить передачу всіх повідомлень джерела, причому швидкість передачі інформації буде досить близькою до пропускної здатності каналу.
Теорема не відповідає на питання, яким чином здійснювати кодування.
Приклад 1. Джерело виробляє 3 повідомлення з можливостями:
p 1 = 0,1; p 2 \u003d 0,2 іp 3 = 0,7.
Повідомлення незалежні і передаються рівномірним двійковим кодом ( m = 2 ) З тривалістю символів, що дорівнює 1 мс. Визначити швидкість передачі інформації по каналу зв'язку без перешкод.
Рішення: Ентропія джерела дорівнює
[Біт / с].
Для передачі 3 повідомлень рівномірним кодом необхідно два розряду, при цьому тривалість кодової комбінації дорівнює 2t.
Середня швидкість передачі сигналу
V =1/2 t = 500 .
Швидкість передачі інформації
C = vH = 500 × 1,16 \u003d 580 [біт / с].
2.2 Дискретний канал зв'язку з перешкодами
Ми будемо розглядати дискретні канали зв'язку без пам'яті.
Каналом без пам'яті хтось називає каналом, в якому на кожен переданий символ сигналу, перешкоди впливають, не залежно від того, які сигнали передавалися раніше. Тобто перешкоди не створюють додаткові корелятивні зв'язки між символами. Назва «без пам'яті» означає, що при черговій передачі канал як би не пам'ятає результатів попередніх передач.
