|
| ||||||||||||||
|
| |||||||||||||
|
Лекция 15 Системы и каналы передачи данных
«Если где-то в мире есть полезная информация, предназначенная для вас, она должна быть доставлена вам незамедлительно» — одно из условий успешной предпринимательской деятельности. Электронные коммуникации приобретают в современном мире все большее значение. Сегодня, в условиях ежегодного многократного увеличения информационных потоков, уже практически невозможно вообразить четкое взаимодействие предпринимательских фирм, банковских структур, государственных предприятий, других организаций и их сотрудников без современных средств телекоммуникации и связи. Без наличия таких средств никакая огромная армия канцелярских работников и курьеров не может обеспечить оперативность доставки необходимой информации в нужный момент в нужное место. А ведь часто даже минутная задержка в получении важной информации может вылиться в весьма ощутимые финансовые потери и имиджевые крахи.
Системы передачи данных и их характеристики
В системах административного управления информация передается как путем переноски (перевозки) информационных документов курьером (или по почте), так и с использованием систем автоматизированной передачи информации по каналам связи. Ручная переноска и механическая перевозка документов являются весьма распространенными способами передачи информации в учреждениях. Этот способ, при минимальных капитальных затратах, полностью обеспечивает достоверность передачи информации, предварительно зафиксированной на документах и проконтролированной непосредственно в пунктах ее регистрации. Оперативность (скорость) передачи низкая и может удовлетворить лишь очень непритязательного пользователя. Для оперативной доставки информации используют системы автоматизированной передачи информации. Совокупность средств, служащих для передачи информации, будем называть системой передачи информации (СП). На рис.1 представлена обобщенная блок-схема автоматизированной системы передачи информации.
Рис. 1. Блок схема автоматизированной системы передачи информации Источник и потребитель информации непосредственно в СП не входят — они являются абонентами системы передачи. Абонентами могут быть компьютеры, маршрутизаторы ЛВС, системы хранения информации, телефонные аппараты, пейджеры, различного рода датчики и исполнительные устройства, а также люди. В составе структуры СП можно выделить:
Передатчик служит для преобразования полученного от абонента сообщения в сигнал, передаваемый по каналу связи, приемник — для обратного преобразования сигнала в сообщение, поступающее абоненту. В идеальном случае при передаче должно быть однозначное соответствие между передаваемым и получаемым сообщениями. Однако под действием помех, возникающих в канале связи, в приемнике и передатчике, это соответствие может быть искажено, и тогда говорят о недостоверной передаче информации. Основными качественными показателями системы передачи информации являются:
Пропускная способность системы (канала) передачи информации — наибольшее теоретически достижимое количество информации, которое может быть передано по системе за единицу времени. Пропускная способность системы определяется физическими свойствами канала связи и сигнала. От пропускной способности канала зависит максимально возможная скорость передачи данных по этому каналу. Для определения максимально возможной скорости надо знать три основных параметра канала связи и три основных параметра сигнала, по нему передаваемого. Параметры канала:
Параметры сигнала:
Произведение трех названных параметров определяет, соответственно: Объем канала связи: Vк = Fк* Hк*Tк; Объем сигнала: Vс = Fс*Hс*Тс, Один из создателей теории информации К. Шеннон показал, что количество информации на синтаксическом уровне (по Шеннону), которое несет сигнал, пропорционально объему этого сигнала; с другой стороны, выполнение неравенства Vk>Vc является необходимым условием возможности неискаженной передачи данного сигнала по данному каналу, то есть в этом случае принципиально допустима такая передача. Для непосредственной реализации означенной возможности требуется выполнение необходимых и достаточных условий «неискаженной передачи»: Fk > Fc, Hk > Нс, Тk > Тс. Согласование сигнала с каналом связи и уплотнение каналов при передаче по ним сигналов от разных источников как раз и заключается в таком преобразовании параметров сигналов, чтобы необходимое условие возможности передачи превратить в достаточное. Существует еще одно доказанное Шенноном соотношение, вытекающее из вышеприведенных, оно позволяет рассчитать непосредственно максимально возмоясную скорость передачи данных по каналу: C = F*Log2(1 + Pc/Pш). где С — максимально возможная скорость в битах/с, F — ширина полосы пропускания канала связи в герцах, Рс — мощность сигнала, Рш — мощность шума. Из этого соотношения (так же как из предыдущих) следует, что увеличить скорость передачи данных в канале связи можно или увеличив мощность сигнала, или снизив мощность помех. Увеличение мощности сигнала ограничено величиной допустимого уровня мощности сигнала в канале и мощностью передатчика (мощные передатчики имеют большие габариты и стоимость). Уменьшения мощности помех можно достигнуть, применяя хорошо экранированные от помех кабели (что тоже не дешево). Но и это еще не все трудности — главное, что скорость зависит от логарифма соотношения сигнал/шум, поэтому, например, увеличение мощности передатчика в два раза при типичном соотношении Pc/Pш=100 даст увеличение максимально возможной скорости только на 15%. Скорость передачи информации измеряется в бит/с и в бодах. Количество изменений информационного параметра сигнала в секунду измеряется в бодах. Бод — это такая скорость, когда передается один сигнал (например, импульс) в секунду, независимо от величины его изменения. Единица измерения бит/с соответствует единичному изменению сигнала в канале связи и при простых методах кодирования сигнала; когда любое изменение бывает только единичным, можно принять, что: 1 бод = 1 бит/с; 1 Кбод = 103бит/с; 1 Мбод = 106 бит/с и т. д. В случае если элемент данных может быть представлен не двумя, а большим количеством значений какого-либо параметра сигнала, то есть изменение сигнала может быть не единичным, значение 1 бод > 1 бит в секунду. Например, если измеряемыми (информационными) параметрами сигнала являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются четыре значения фазы и два значения амплитуды, то информационный сигнал может иметь 23=8 различимых состояний. Тогда скорость передачи данных СП с тактовой частотой 9600 Гц будет 9600 бод, но 9600 • 3 = 28 800 бит/с. Достоверность передачи информации — передача информации без ее искажения. Надежность работы — полное и правильное выполнение системой всех своих функций. Передатчик и приемник, или иначе — аппаратура передачи данных (АПД), непосредственно связывают терминальные устройства — оконечные устройства (источник и приемник информации) с каналом связи. Примерами АПД могут служить модемы, терминальные адаптеры, сетевые карты и т. д. АПД работает на физическом уровне, отвечая за передачу и прием сигнала нужной формы и мощности в физическую среду (линию связи). В составе СП большой протяженности может использоваться и дополнительная аппаратура для улучшения качества сигнала («усиления» сигнала) и для формирования непрерывного физического или логического канала между абонентами. В качестве этой аппаратуры выступают повторители, коммутаторы, концентраторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. Промежуточная аппаратура иногда образует достаточно сложную так называемую первичную сеть, но никакой функциональной нагрузки не несет — она должна быть незаметна (прозрачна) для абонента.
Линии и каналы связи
Линия связи и канал связи — это не одно и то же. Линия связи (ЛС) — это физическая среда, по которой передаются информационные сигналы. В одной линии связи могут быть организованы несколько каналов связи путем временного, частотного кодового и других видов разделения — тогда говорят о логических (виртуальных) каналах. Если канал полностью монополизирует линию связи, то он может называться физическим каналом, и в этом случае совпадает с линией связи. Хотя допустимо, например, говорить об аналоговом или цифровом канале связи, но абсурдно заявлять об аналоговой или цифровой линии связи, раз линия — лишь физическая среда, в которой могут быть образованы каналы связи разного типа. Тем не менее, даже говоря о физической многоканальной линии, ее часто называют каналом связи. ЛС являются обязательным звеном любой системы передачи информации. Классификация каналов связи (КС) показана на рис. 2.
По физической природе ЛСи КС на их основе делятся на:
Электрические и оптические КС могут быть:
По форме представления передаваемой информации КС делятся на:
В зависимости от возможных направлений передачи информации различают:
Каналы связи могут быть, наконец:
Коммутируемые каналы создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации; по окончании сеанса связи такой канал ликвидируется (разрывается). Некоммутируемые (выделенные) каналы организуются на длительное время и имеют постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности. По пропускной способности их можно разделить на:
Следует особо отметить, что телефонный КС является более узкополосным, чем телеграфный, но скорость передачи данных по нему выше благодаря обязательному наличию модема, существенно снижающего Fc передаваемого сигнала. При простом кодировании максимально достижимая скорость передачи данных по аналоговым каналам не превосходит 9600 бод = 9600 бит/с. Применяемые в настоящее время сложные протоколы кодирования передаваемых данных используют не два, а несколько значений параметра сигнала для отображения элемента данных, и позволяют достичь скорости передачи данных по аналоговым телефонным линиям связи 56 Кбит/с = 9600 бод. По цифровым КС, организованным на базе телефонных линий, скорость передачи данных благодаря уменьшению Fc и увеличению Не оцифрованного сигнала также может быть выше (до 64 Кбит/с), а при мультиплексировании нескольких цифровых каналов в один в таком составном КС скорость передачи способна удваиваться, утраиваться и т. д.; существуют подобные каналы со скоростями в десятки и сотни мегабитов в секунду. Физической средой передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных («витая пара») проводов. Для организации широкополосных КС используются различные кабели, в частности:
Витая пара — это изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения перекрестных наводок между проводниками. Такой кабель, состоящий обычно из небольшого количества витых пар (иногда даже двух), характеризуется меньшим затуханием сигнала при передаче на высоких частотах и меньшей чувствительностью к электромагнитным наводкам, чем параллельная пара проводов. UTP-кабели чаще других используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях. Выделяют пять категорий витых пар UTP: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая — при скоростях передачи соответственно до 16, 25 и 155 Мбит/с (а при использовании стандарта технологии Gigabit Ethernet на витой паре, введенного в 1999 году, и до 1000 Мбит/с). При хороших технических характеристиках эти кабели сравнительно недороги, они удобны в работе, не нуждаются в заземлении. STP-кабели обладают хорошими техническими характеристиками, но имеют высокую стоимость, жестки и неудобны в работе и требуют заземления экрана. Они делятся на типы: Type 1А, Туре 2А, Туре ЗА, Туре 5А, Туре 9А. Из них Туре ЗА определяет характеристики неэкранированного телефонного кабеля, a Type 5А — волоконно-оптического кабеля. Наиболее популярен кабель Type 1А стандарта IBM, состоящий из двух пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которую положено заземлять. Его характеристики примерно соответствуют характеристикам UTP-кабеля категории 5. Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оплеткой. Коаксиальные кабели для телекоммуникаций делятся на две группы:
Толстый коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 12,5 мм и достаточно толстый проводник (2,17 мм), обеспечивающий хорошие электрические и механические характеристики. Скорость передачи данных по толстому коаксиальному кабелю достаточно высокая (до 50 Мбит/с), но, учитывая определенное неудобство работы с ним и его значительную стоимость, рекомендовать его для использования в сетях передачи данных можно далеко не всегда. Тонкий коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 5-6 мм, он дешевле и удобнее в работе, но тонкий проводник в нем (0,9 мм) обусловливает худшие электрические (передает сигнал с допустимым затуханием на меньшее расстояние) и механические характеристики. Рекомендуемые скорости передачи данных по «тонкому» коаксиалу не превышают 10 Мбит/с. Основу волоконно-оптического кабеля составляют «внутренние подкабели» — стеклянные или пластиковые волокна диаметром 8-10 (одномодовые — однолу-чевые) и 50-60 (многомодовые — многолучевые) микрон, окруженные твердым заполнителем и помещенные в защитную оболочку диаметром 125 мкм. В одном кабеле может содержаться от одного до нескольких сотен таких «внутренних подкабелей». Кабель, в свою очередь, окружен заполнителем и покрыт более толстой защитной оболочкой, между которыми проложены кевларовые волокна, принимающие на себя обеспечение механической прочности кабеля. По одномодовому волокну (диаметр их 8-10 мкм) оптический сигнал распространяется, почти не отражаясь от стенок волокна (входит в волокно параллельно его стенкам), чем обеспечивается очень широкая полоса пропускания (до сотен гигагерц на километр). По многомодовому волокну (его диаметр 40-100 мкм) распространяются сразу много волн различной длины, каждая из которых входит в волокно под своим углом и, соответственно, отражается от стенок волокна в разных местах (полоса пропускания многомодового волокна 500-800 МГц на километр). Источником распространяемого по оптоволоконному кабелю светового луча является преобразователь электрических сигналов в оптические, например светодиод или полупроводниковый лазер. Кодирование информации осуществляется изменением интенсивности светового луча. Физической основой передачи светового луча по волокну является принцип полного внутреннего отражения луча от стенок волокна, обеспечивающий минимальное затухание сигнала, наивысшую защиту от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи. По оптоволоконному кабелю, имеющему большое число волокон, можно передавать огромное количество сообщений. На другом конце кабеля принимающий прибор преобразует световые сигналы в электрические. Скорость передачи данных по оптоволоконному кабелю очень высока и достигает величины 1000 Мбит/с, но он очень дорог и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи. Такой кабель связывает столицы и крупные города большинства стран мира, а по дну Атлантического океана проложен кабель между Европой и Америкой. Оптоволоконный кабель соединяет Санкт-Петербург с Москвой, прибалтийскими и скандинавскими странами, кроме того, он проложен в тоннелях метро и проникает во все районы Санкт-Петербурга. В вычислительных сетях, и в частности, в сети Интернет оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных их участках. Возможности оптоволоконных каналов поистине безграничны: по одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сот тысяч телефонных каналов, несколько тысяч видеотелефонных каналов и около тысячи телевизионных каналов. Радиоканал — это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Система передачи данных (СПД) по радиоканалу включает в себя радиопередатчик и радиоприемник, настроенные на один и тот же радиоволновой диапазон, который определяется частотной полосой электромагнитного спектра, используемой для передачи данных. Часто такую СПД называют просто радиоканалом. Скорости передачи данных по радиоканалу практически не ограничены (они ограничиваются полосой пропускания приемо-передающей аппаратуры). Высокоскоростной радиодоступ предоставляет пользователям каналы со скоростью передачи 2 Мбит/с и выше. В ближайшем будущем ожидаются радиоканалы со скоростями 20-50 Мбит/с. В табл. 1 представлены названия радиоволн и соответствующие им частотные участки. Таблица 1. Диапазоны радиоволн
Для коммерческих телекоммуникационных систем чаще всего выделяются частотные диапазоны 902-928 МГц и 2,4-2,48 ГГц (в некоторых странах, например США, при малых уровнях мощности излучения — до 1 Вт — разрешено использовать эти диапазоны без государственного лицензирования). Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и оперативность связи. В вычислительных сетях беспроводные каналы связи для передачи данных используются чаще всего там, где применение традиционных кабельных технологий затруднено или просто невозможно. Но в ближайшем будущем ситуация может измениться — активно ведется разработка новой технологии беспроводной связи Bluetooth. Bluetooth — это технология передачи данных по радиоканалам на короткие расстояния, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии даже в тех случаях, когда нарушается требование прямой видимости. Общеупотребительными и уже достаточно известными являются соединения электронной аппаратуры между собой при помощи инфракрасного канала связи. Но эти соединения требуют прямой видимости. Например, пультом дистанционного управления телевизором невозможно воспользоваться, если между вами и телевизором оказался хотя бы лист газетной бумаги. Первоначально Bluetooth рассматривалась исключительно как альтернатива инфракрасным соединениям между различными портативными устройствами. Но сейчас специалисты предсказывают уже два направления широкого использования Bluetooth. Первое — это домашние сети, включающие в себя различную электронную технику, в частности компьютеры, телевизоры и т. п. Второе, гораздо более важное, направление — локальные сети офисов небольших фирм, где стандарт Bluetooth позиционируется как замена традиционных проводных технологий. Недостатком Bluetooth является сравнительно низкая скорость передачи данных — она не превышает 720 Кбит/с, поэтому эта технология не способна обеспечить передачу видеосигнала. Телефонные линии связи являются наиболее разветвленными и широко используемыми. По ним осуществляется передача звуковых (тональных) и факсимильных сообщений, они являются основой построения информационно-справочных систем, систем электронной почты и вычислительных сетей. По телефонным линиям могут быть организованы и аналоговые, и цифровые каналы передачи информации. Рассмотрим этот вопрос, ввиду его высокой актуальности, несколько подробнее. «Простая старая телефонная система», в англоязычной аббревиатуре POTS (Primitive Old Telephone System), состоит из двух частей: магистральной системы связи и сети доступа абонентов к ней. Самый обычный вариант доступа абонентов к магистральной системе — через абонентский аналоговый канал связи. Большинство телефонных аппаратов подключаются к автоматической телефонной станции (АТС), являющейся уже элементом магистральной системы. Телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который и передается по абонентской линии в АТС. Требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот составляет примерно 3 кГц, в диапазоне от 300 Гц до 3,3 кГц. При снятии телефонной трубки формируется сигнал off-hook, сообщающий АТС о вызове, и, если телефонная станция не занята, набирается нужный телефонный номер, который передается в АТС в виде последовательности импульсов (при импульсном наборе) или в виде комбинации сигналов звуковой частоты (при тональном наборе). Завершается разговор сигналом on-hook, формируемым при опускании трубки. Такой тип процедуры вызова называется in band, поскольку передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи.
| ||||||||||||||
|
| ||||||||||||||
| Сайт создан по технологии «Конструктор сайтов e-Publish» | ||||||||||||||
