Информационные характеристики каналов связи реферат

10.5. Беспроводные каналы связи

Кроме кабельных каналов в компьютерных сетях также используются беспроводные каналы. Их главное преимущество состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов. К тому же компьютеры сети можно легко перемещать в пределах комнаты или здания, так как они ни к чему не привязаны.

Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров. Скорость передачи достигает десятков мегабит в секунду (здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).

Главным недостатком радиоканала является его плохая защита от прослушивания, так как радиоволны распространяются неконтролируемо. Другой большой недостаток радиоканала – слабая помехозащищенность.

Для локальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (обычно до 100 м) и в пределах прямой видимости. Чаще всего используются два частотных диапазона – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с (стандарт WiFi IEEE 802.11 g).

Использование радиоканалов связи осложняется недостаточностью частотного диапазона, особенно в России (рис. 10.17), а так же ограниченностью видов сигналов используемых при передаче (таблица 10.3). Недостаточный частотный ресурс порождает проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) радиосредств.

В современных системах радиосвязи используются адаптивные системы сигналов, позволяющие организовать связь с максимальной для данных погодных и радиоусловий скоростью (рис. 10.19-10.20). Кроме того, в настоящее время широко внедряются системы радиосвязи с широкополосными сигналами (ШПС) и системы с ортогональными поднесущими (OFDM), которые позволяют снизить остроту проблемы ЭМС и оптимизировать использование полосы частот (рис. 10.17-10.18).

Рисунок 10.17 – Использование адаптивной модуляции сигналов в интересах обеспечения максимальной скорости передачи в заданных условиях

Таблица 10.3 ‑ Краткие обозначения вида модуляций и классов излучений радиопередатчиков

Обозначение класса излучения	Вид модуляции, соответствующий классу излучения
А0	Немодулированная несущая
А1	Амплитудная манипуляция
А2	Амплитудная тональная манипуляция
А3	Амплитудная модуляция
А3А	Однополосная модуляция ослабленной несущей
А3Н	Однополосная модуляция с полной несущей
А3J	Однополосная модуляция с подавленной несущей
F1	Частотная манипуляция
F2	Частотная тональная манипуляция
F3	Частотная модуляция
F6(2F1)	Двойная частотная манипуляция
F9	Относительная фазовая манипуляция
P0	Импульсы с высокочастотным заполнением без модуляции
P3D	Амплитудно-импульсная модуляция
P3E	Широтно-импульсная модуляция
P3F	Фазоимпульсная модуляция
P3G	Импульсно-кодовая модуляция

Рисунок 10.18 – Распределение частотного диапазона в РФ для радиосредств


Рисунок 10.19 – Использование ШПС	Рисунок 10.20 – Использование OFDM

Принцип действия

Информационные данные проходят путь меж локациями, преодолевая среду. Траекторию принято называть каналом связи. Современная техника пользуется последним типом классификации, рассматривая методы:

Проводные (витая пара, кабель, оптическое волокно, медный провод).
Беспроводные (спутники, радио, тепловое излучение, свет).

Модуляция

Изначально форма сигналов была максимально простой, чаще дискретной (азбука Морзе, код Шиллинга, визуальные знаки семафоров). Исследователи быстро осознали неэффективность элементарных приёмов. Уже Попов догадался применять амплитудную модуляцию несущей. Частотная рождена Эдвином Армстронгом (30-е годы). Инженеры Дженерал Электрик убедительно показали отличную устойчивость приёма вещания в условиях вспышек молний.

Цифровая эра

Вторая мировая война принесла миру более изощрённые варианты, включая кодирование псевдошумовыми сигналами, частотную манипуляцию. Предпринятые меры позволили сильно снизить спектральную плотность сигнала. Засечь передачу стало невероятно сложно, расшифровать – практически невозможно. Достижения военных лет развивались следующие несколько десятилетий. Ныне господствуют цифровые технологии, завтрашние шаги капризной истории сложно предсказать.

Сети

Основные современные каналы касаются непосредственно сегмента сетей, то есть линий, объединяющих активно взаимодействующие электронные объекты: компьютеры, телефоны, модемы. Ранее создания ARPANET обменом информации заведовал человек. Бурный рост сетевых технологий сделал возможным создание глобальных конформаций: интернет, услуги сотовых операторов. Международное взаимодействие сделало возможным тотальная стандартизация протоколов. В частности, первоначально (RFC 733) интернет получил определение сети, пользующейся стеком TCP/IP. Сегодня понятие стало намного шире, подразумевая планетарную систему взаимосвязанных хостов, несущих программное обеспечение HTTP-серверов.

Персональные компьютеры

Отдельной строкой выступают шины персональных компьютеров. Эре зарождения многоядерных процессоров предшествовали такие сегодня малознакомые аббревиатуры, как PCI, ISA. Своему рождению Фидонет обязан карте расширения S-100. Неправильно – забывать исторические предпосылки. Пример – развал Фидонета, брошенного собственным разработчиком, обосновавшим ранее экономическую целесообразность применения телефонных линий. Ушёл создатель – развалилась система, лишённая опоры в виде уместности технологии, соответствия растущим требованиям, взвинченным конкурирующими методами интернета. Технический уровень юзеров являлся недостаточным, был бессилен продлить агонию умирающей концепции.

Отсутствие информационной поддержки

Западные телекоммуникационные средства образуют совокупность экономически обоснованных типов передачи информации. Не существует отечественных эквивалентов терминов, переданных англоязычным доменом паутины. По телекоммуникационным технологиям, параметрам приходится брать зарубежную справку. Отсутствие информационной поддержки назовём очередным слабым звеном, мешающим развитию индустрии.

10.3. Коаксиальные кабельные каналы

Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку.


Рисунок 10.6 — Разъем подключения коаксиального кабеля	Рисунок 10.7 — Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель до недавнего времени был очень популярен, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), более широкими, чем в случае витой пары, полосами пропускания (свыше 1 ГГц), а также большими допустимыми расстояниями передачи (до километра). К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также заметно меньше электромагнитных излучений вовне. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше (он дороже примерно в 1,5 – 3 раза). Сложнее и установка разъемов на концах кабеля. Сейчас его применяют существенно реже, чем витую пару. Волновое сопротивление кабеля указывается в сопроводительной документации. Чаще всего в локальных сетях применяются 50-омные (RG-58, RG-11, RG-8) и 93-омные кабели (RG-62). Распространенные в телевизионной технике 75-омные кабели в локальных сетях не используются.

10.1. Общая характеристика каналов связи телекоммуникационных систем

Физический уровень отвечает за транспортировку информации непосредственно через физическую среду передачи.

Средой передачи информации называются те линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.

Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей. Но все кабели можно разделить на три большие группы:

— электрические (медные) кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на:

— экранированные (shielded twisted pair, STP);

— неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);

— электрические (медные) коаксиальные кабели (coaxial cable);

— оптоволоконные кабели (fiber optic).

Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.

Можно выделить следующие основные параметры кабелей, принципиально важные для использования в локальных сетях:

— Полоса пропускания кабеля (частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем) и затухание сигнала в кабеле. Два этих параметра тесно связаны между собой, так как с ростом частоты сигнала растет затухание сигнала. Надо выбирать кабель, который на заданной частоте сигнала имеет приемлемое затухание.

— Помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им секретность передачи информации. Эти два взаимосвязанных параметра показывают, как кабель взаимодействует с окружающей средой, то есть, как он реагирует на внешние помехи, и насколько просто прослушать информацию, передаваемую по кабелю.

— Скорость распространения сигнала по кабелю или, обратный параметр – задержка сигнала на метр длины кабеля. Этот параметр имеет принципиальное значение при выборе длины сети. Типичные величины скорости распространения сигнала – от 0,6 до 0,8 от скорости распространения света в вакууме. Соответственно типичные величины задержек – от 4 до 5 нс/м.

— Для электрических кабелей очень важна величина волнового сопротивления кабеля

Волновое сопротивление важно учитывать при согласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от концов кабеля. Типичные значения волнового сопротивления – от 50 до 150 Ом

Таблица 10.1 – Характеристики основных каналов связи

Типовой канал связи	Расстояние	Скорость
Неэкранированная витая пара	до 90 м	10-155 Мбит/с
Коаксиальный кабель	до 2 км	2-44 Мбит/с
Телефонная линия	—	56,6 Кбит/с
Оптоволоконный	до 10 км	до 10 Гбит/с
Радиоканал	до 70 км	до 400 Кбит/с
Экранированная витая пара	до 300 м	16Мбит/с

10.2. Кабельные каналы связи на основе витых пар

Витые пары проводов (особенно UTP) используются в дешевых и сегодня, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов.


Рисунок 10.1 — Структура кабеля UTP	Рисунок 10.2 — Кабель STP	Рисунок 10.3 — Кабель UTP 5 с разъемом RJ‑45

Неэкранированные витые пары (Unshielded twisted pair — UTP) характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также от подслушивания.


Рисунок 10.4 — Вилка RJ-45	Рисунок 10.5 — Гнездо RJ-45

В случае экранированной витой пары (Shielded twisted pair — STP) каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk – перекрестные наводки). Для того чтобы экран защищал от помех, он должен быть обязательно заземлен. Естественно, экранированная витая пара заметно дороже, чем неэкранированная. Ее использование требует специальных экранированных разъемов. Поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.

Классификация

Сегодня вся информация распространяется посредством колебаний – единственный способ существования материи, воспринимаемый человеком, приборами. Тесла считал мироздание сотканным из вибраций. Сложно ошибиться, назвав каналы связи колебательными. Классификация тесно касается исследований гармонических процессов. Фурье показал – волна любой формы представима суммой элементарных колебаний.

По природе волн

Напрашивается первая классификация:

Механические:
- Акустические. Канал использует сарафанное радио.
- Твердотельные. Активно эксплуатируется жестяным телефоном (tin can).
- Жидкие среды. Первая рабочая модель Белла заставляла посредством воды вибрировать омический преобразователь.
Электромагнитные:
- Инфракрасные. Знакомо строителям, постоянно ищущим методики сберечь тепло здания.
- Световые. Первый семафор использовал визуально различимые сигналы.
- Ультрафиолетовые. Загар лучше всего покажет наличие невидимого излучения Солнца.
- Радиочастоты. Доносят информацию миллионам телезрителей.
- Рентгеновское излучение. Позволяет проверить целостность скелета.
- Радиация. Жители Чернобыля горько сожалеют об отсутствии счётчиков Гейгера.

Мысли также могут быть периодичными. Установлением природы возникающих сигналов сегодня занимается наука. Приведённые выше примеры составляют малую толику достижений человеческой цивилизации. Проявив минимум умственного напряжения, читатели поймут: электромагнитные, механические волны распространяются повсеместно. Постепенно угасая. Электромагнитным обычно удаётся проникнуть дальше. Естественным ограничителем механических выступает окружающий планеты вакуум.

Электромагнитное излучение принято классифицировать согласно типу модуляции несущей:

Амплитудная.
Частотная.
Фазовая.
Однополосная.
Кодово-импульсная.
Манипуляция:

Частоты.
Фазы.
Амплитуды.

По форме волн

Человек изначально пытался использовать электричество. Задача передачи информации требовала менять форму сигналов:

Аналоговые, изменяющиеся плавно.
Импульсные, отличающиеся короткой длительностью.
Дискретные искусственно разорваны. Цифровой сигнал отличается нормированием уровней символов 0, 1.

Требования минимизации стоимости, энергозатрат постоянно рождают методики улучшения качества. Сегодня высшим достижением человеческой мысли считают цифровой сигнал, ставший отдельной отраслью сегмента передачи информации. Сказанное позволяет классифицировать каналы:

Шифрованный – открытый.
Кодированный (например, псевдошумовым сигналом) – некодированный.
Широкополосный – узкополосный.
Дуплексный – односторонний.
Мультиплексный – без сжатия.
Скоростной – обычный.
Восходящий – нисходящий.
Широковещательный – индивидуальный.
Прямой – обратный (возвратный).

Вдобавок сетевые протоколы образуют иерархию OSI, каждый уровень можно представить каналом. Возможны другие критерии разбиения.

По корректирующему действию

Каналы изменяют проходящую информацию. Иногда намеренно:

Линейные. Исходный сигнал легко восстановить, зная характеристики канала.
Нелинейные. Часть информации безвозвратно теряется.
Стохастические. Помехи реальных каналов редко поддаются предсказанию, даже статистическими методами.

Принцип устройств и характеристики проводных каналов связи

Проводные каналы связи предстают в виде параллельно размещенных или скрученных элементов из меди.

В них используют такие разновидности кабеля:

витая пара;
коаксиальный тип;
оптоволоконный образец.

В зависимости от используемого типа, варьируется скорость передачи потока с данными. Так, в первом варианте она составляет 1 Мбит/сек, во втором – 15 Мбит/сек. Оптоволоконный кабель передает потоки со скоростью 400 Мбит/сек.

Каждый образец представляет из себя:

Витая пара – это проводники с изоляцией, которые скручиваются из двух элементов. Они содержат 2 или даже 4 комбинации. Также может быть предусмотрен экран из фольги.
Коаксиальный кабель – элемент из меди, который размещается внутри цилиндрической экранирующей защитной оболочки, скрученной из достаточно тонких медных проводников. От традиционного телевизионного образца, он отличается волновым сопротивлением.
Оптоволоконный кабель включает кварцевый сердечник, диаметр которого составляет 10мкм. Вокруг располагается предохранительная отражающая оболочка. Ее внешний диаметр равен 125-200мкм.

Эта классификация разновидностей характеризует проводные каналы связи максимально точно.

Классификация проводных каналов связи

Такая система технических средств представлена следующей классификацией:

воздушные;
кабельные;
световодные и т.д.

Предназначение канала связи данного типа заключается в передаче сигналов от одного устройства к другому, что находятся на расстоянии. Физические проводные каналы формируются за счет кабелей связи.

В системах передачи информационных потоков проводного типа они образуются посредством использования установок уплотнения. Они позволяют единовременно на протяжении длительного или короткого периода транспортировать по линии связи информацию большого количества источников.

Такие системы включают одну или сразу несколько пар проводов, предназначение которых – обеспечивать передачу информационных потоков на расстояния различного диапазона.

1.1. Понятие системы и сети связи

Основу теории и техники электросвязи составляет передача на расстояние различного рода сообщений (информации). Под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо предметах, событиях, процессах чьей-либо деятельности и т.д. Форма представления информации называется сообщением. Это может быть речь или музыка, рукописный или машинописный текст, чертежи, рисунки, телевизионное изображение.

Для передачи по каналам связи каждое сообщение преобразуется в электрический сигнал. Сигнал – физический процесс, отображающий передаваемое сообщение (физический носитель сообщения). Физическая величина изменением, которой обеспечивается отображение сообщений, называется информационным или представляющим параметром сигнала.

Перенос сообщений из одной точки пространства в другую осуществляет система электросвязи. Система электросвязи (телекоммуникационная система) – комплекс технических средств, обеспечивающий передачу сообщений от источника к получателю на расстояние (рисунок 1.1).

Система электросвязи в целом решает две задачи:

1) доставка сообщений – функции системы электросвязи;

2) формирование и распознавание сообщений – функции оконечного оборудования.

Трактом передачи называют совокупность приборов и линий, обеспечивающих передачу сообщений между пользователями.

Канал передачи (связи) – часть тракта передачи между двумя любыми точками. В канал передачи не входят оконечные устройства.

Рисунок 1.1 – Структурная схема системы электросвязи (телекоммуникационной системы)

Принцип передачи сигналов электросвязи показан на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Принцип передачи сигналов электросвязи

На входе и на выходе тракта передачи сообщений включаются оконечные устройства, обеспечивающие преобразование сообщений в электрические сигналы и обратное преобразование. Данные устройства называются первичными преобразователями и сформированные ими сигналы также называются первичными. Например, при передаче речи первичным преобразователем является микрофон, при передаче изображения – электронно-лучевая трубка, при передаче телеграммы – передающая часть телеграфного аппарата.

Источник сообщения формирует сообщение a(t), которое преобразуется в электрический сигнал s(t). В системе электросвязи происходят вторичные преобразования сигналов и они транспортируются в форме, отличной от первоначальной.

Сеть электросвязи (телекоммуникационная сеть) — совокупность линий (каналов) связи коммутационных станций, оконечных устройств, на определенной территории, обеспечивающая передачу и распределение сообщений (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Обобщенная структурная схема сети электросвязи (телекоммуникационной сети)

На входе и на выходе сети связи включаются оконечные устройства, обеспечивающие преобразование сообщений в электрические сигналы и обратное преобразование. Оконечные устройства соединяются с коммутационной станцией абонентскими линиями. Коммутационные станции между собой связаны соединительными линиями. Коммутационные станции осуществляют соединение входящих линий с исходящими линиями по соответствующему адресу.

В общем виде, сообщение, передаваемое от источника к получателю состоит из двух частей: адресной и информационной. По содержимому адресной части коммутационная станция определяет направление связи и осуществляет выбор конкретного получателя сообщения. Информационная часть содержит само сообщение.

Совокупность процедур и процессов, в результате выполнения которых обеспечивается передача сообщений, называется сеансом связи, а набор правил в соответствии, с которыми организуется сеанс связи, называется протоколом.

1.3. Основные способы построения телекоммуникационных сетей связи

Одним из основных требований, предъявляемых к сетям передачи индивидуальных сообщений (телефонные, телеграфные, факсимильные, передачи данных), является то, что сеть должна обеспечить каждому пользователю возможность связаться с другим пользователем. Для выполнения этого требования сеть связи строится по определенному принципу в зависимости от условий функционирования. Следовательно, сети связи могут иметь различную структуру, т. е. отличаться числом и расположением узловых и оконечных пунктов (станций), а также характером их взаимосвязи . На рисунке 1.6 показаны способы построения сетей связи.

При полносвязанном способе построения (принцип «каждый с каждым») между узлами существует непосредственная связь. Используется при небольшом количестве узлов на сети (рисунок 1.6 а).

При радиальном способе построения сети связь между узлами осуществляется через центральный узел (рисунок 1.6 б). Используется при построении сети на сравнительно небольшой территории.

На большой территории сеть связи строится по радиально-узловому способу (рисунок 1.6 в).

Кольцевой способ построения сети предусматривает возможность осуществления связи как по часовой, так и против часовой стрелки (рис. 1.6 г). В этом случае при повреждении на определенном участке сеть сохраняет свою работоспособность.

При комбинированном способе построения сети узлы на верхнем иерархическом уровне связываются по полносвязанной схеме рисунок 1.6 д). В этом случае выход одного из узлов не нарушает работу всей сети.

Рисунок 1.6 – Способы построения сетей связи