Компьютерные сети. Принц, техн, прот 1-303. Книга переведена на английский, испанский, китайский и португальский языки

• Название: Книга переведена на английский, испанский, китайский и португальский языки
• Дата: 26.10.2022
• Размер: 5.49 Mb.
• Имя файла: Компьютерные сети. Принц, техн, прот 1-303.doc
• Тип: Книга; #754706
• страница: 27 из 42

одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длиной волны света – от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Изготовление сверхтонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет собой сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра трудно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии. Одномодовый кабель обладает очень низким затуханием – примерно -0,2 дБ/км для окна прозрачности волны размером в 1550 нм.

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. В многомодовых кабелях с плавным изменением коэффициента преломления режим отражения лучей имеет сложный характер. Возникающая при этом интерференция ухудшает качество передаваемого сигнала, что приводит к искажениям передаваемых импульсов. По этой причине технические характеристики многомодовых кабелей хуже, чем одномодовых.

Учитывая это, многомодовые кабели применяют в основном для передачи данных на скоростях не более 10 Гбит/с на небольшие расстояния (до 300-2000 м), а одномодовые – для передачи данных со сверхвысокими скоростями до сотен гигабитов в секунду (при использовании технологии DWDM – до нескольких терабитов в секунду) на расстояния до нескольких десятков и даже сотен километров (дальняя связь).

В качестве источников света в волоконно-оптических кабелях применяются:

• 
  светодиоды, или светоизлучающие диоды (Light Emitted Diode, LED);
  
• 
  полупроводниковые лазеры, или лазерные диоды.
  

Для одномодовых кабелей применяются только лазерные диоды, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без



Рис. 6.20. Типы оптического кабеля
больших потерь направить в волокно – он имеет чересчур широкую диаграмму направленности излучения, в то время как лазерный диод – узкую. Более дешевые светодиодные излучатели используются только для многомодовых кабелей.

Стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, но проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из- за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования. Понятно, что несмотря на отличные характеристики передачи световых сигналов, волоконно-оптические кабели не являются идеальными средами и вносят искажения в передаваемый сигнал.

Искажения сигнала в волоконно-оптических кабелях имеют как линейный, так и нелинейный характер (линейность в данном случае определяется по отношению к интенсивности светового сигнала).

К линейным искажениям относятся:

• 
  Затухание оптического сигнала. Мощность сигнала уменьшается из-за поглощения света материалом волокна и примесями, рассеивания света из-за неоднородности плотности волокна, а также из-за кабельных искажений, обусловленных деформацией волокон при прокладке кабеля. Затухание измеряется в дБ/км, имеет типичные значения от -0,2 до -0,3 (диапазон 1550 нм), от -0,4 до -1 (диапазон 1310 нм) и от -2 до -3 (диапазон 880 нм).
  
• 
  Хроматическая дисперсия (Chromatic Dispersion, CD). Сигнал искажается из-за того, что волны различной длины распространяются вдоль волокна с различной скоростью. Так как прямоугольный импульс имеет спектр ненулевой ширины, из-за хроматической дисперсии составляющие его волны приходят на выход волокна с различной задержкой, и фронты импульса оказываются «размытыми». Две составляющие вносят свой вклад в хроматическую дисперсию: материальная, отражающая зависимость коэффициента преломления материала сердечника от длины волны, и волноводная, вызванная различным поведением волн различной длины на границе между сердечником и оболочкой, то есть там, где изменяется коэффициент преломления. Хроматическая дисперсия оценивается отношением разницы времени распространения двух волн (в пикосекундах) в волокне определенной длины, обычно 1 км, к разнице длин волн (в нанометрах), то есть в пк/нм х км. Материальная составляющая хроматической дисперсии является положительной для волн в окне прозрачности 880 нм (то есть в этом диапазоне длинные волны распространяются быстрее), и отрицательной для волн в окне прозрачности 1550 нм. В окне 1310 нм волны имеют близкую к нулю дисперсию, при этом нуль достигается непосредственно в окрестности волны 1310 нм (такая волна называется длиной волны нулевой дисперсии Хо данного кабеля). Типичные значения хроматической дисперсии для окна 1310 нм не превышают 3-5 пс/нм х км, а для окна 1550 нм – 20-25 пс/нм х км.
  

• 
  Поляризационная модовая дисперсия (Polarization Mode Dispersion, PMD). Световая мода имеет две взаимно перпендикулярные поляризационные составляющие. В волноводе с идеальным поперечным сечением, то есть представляющим собой окружность, эти составляющие распространяются с одинаковой скоростью. Так как реальные волноводы всегда имеют некоторую овальность, то скорости составляющих отличаются, что приводит к поляризационной дисперсии. Этот вид дисперсии растет пропорционально квадратному корню длины кабеля, поэтому измеряется в пикосекундах, отнесенных к квадратному корню длины кабеля, то есть в пс/Vkm. Типичные значения PMDлежат в диапазоне 0,1-0,5 пс/Vkm. Поляризационная дисперсия вносит меньший вклад в искажения оптических импульсов, чем хроматическая, но ее вклад возрастает при увеличении частоты модуляции сигнала.
  
• 
  Нелинейные искажения имеют различную природу и обусловлены зависимостью коэффициента преломления среды от интенсивности света (эффект Керра), а также эффектами рассеяния света в оптическом волокне (рассеяние Рамана, рассеяние Бриллюэна). Нелинейная зависимость таких эффектов от интенсивности светового потока затрудняет их компенсацию. На практике это проявляется в ограничении длины секций волоконно-оптических сетей без преобразования оптического сигнала в электрический и обратно (такая операция называется регенерацией оптического сигнала).
  

Стандарты волоконно-оптических кабелей разрабатываются в ITU-T. Рекомендации G.652, G.653, G.655 описывают характеристики одномодовых, a G.651.1 – многомодовых волоконно-оптических кабелей.

Структурированная кабельная система зданий

Структурированная кабельная система (Structured Cabling System) здания – это набор коммутационных элементов (кабелей, разъемов, коннекторов, кроссовых панелей и шкафов), а также методика их совместного использования, которая позволяет создавать регулярные легко расширяемые структуры связей в вычислительных сетях.

Структурированная кабельная система здания – это своего рода «конструктор», с помощью которого проектировщик сети строит нужную ему конфигурацию из стандартных кабелей, соединенных стандартными разъемами и коммутируемых на стандартных кроссовых панелях.

Здание представляет собой достаточно регулярную структуру – оно состоит из этажей, а каждый этаж, в свою очередь, состоит из определенного количества комнат, соединенных коридорами. Структура здания предопределяет структуру его кабельной системы (рис. 6.21).


Типичная структурированная кабельная система строится по иерархическому принципу, включая:

• 
  горизонтальные подсистемы, соответствующие этажам здания, – они соединяют кроссовые шкафы этажа с розетками пользователей;
  
• 
  вертикальные подсистемы, соединяющие кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания;
  
• 
  подсистему кампуса, объединяющую несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса или иного комплекса зданий (эта часть кабельной системы обычно называется магистралью).
  

Использование структурированной кабельной системы вместо хаотически проложенных кабелей дает предприятию много преимуществ – при продуманной организации она может стать универсальной средой передачи компьютерных данных в локальной вычислительной сети, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации и даже передачи сигналов от датчиков пожарной безопасности или охранных систем. Подобная универсализация позволяет автоматизировать многие процессы контроля, мониторинга и управления хозяйственными службами и системами жизнеобеспечения предприятия.

Кроме того, применение структурированной кабельной системы делает более экономичным добавление новых пользователей и изменение их мест размещения. Известно, что стоимость кабельной системы определяется в основном не стоимостью кабеля, а стоимостью работ по его прокладке. Поэтому выгоднее изначально провести однократную работу по прокладке кабеля, возможно, с большим запасом по длине, чем в дальнейшем несколько раз выполнять прокладку, наращивая длину кабеля. ГЛАВА 7 Кодирование и мультиплексирование данных

Виды кодирования

В предыдущей главе мы рассмотрели основные понятия кодирования информации при передаче через линии связи. Теперь изучим наиболее распространенные способы кодирования более детально, начав с краткой классификации видов кодирования. Эта классификация учитывает два фактора: характер передаваемой информации и характер сигналов, используемых для кодирования.

Информация может быть дискретной (двоичные данные компьютеров) или аналоговой (звуковые колебания, электромагнитные колебания, интенсивность света). Точно так же сигналы, используемые для кодирования исходной информации, могут иметь дискретную природу (например, электрические сигналы с несколькими значениями потенциала) или аналоговую (электрические сигналы, радиоволны, световые волны).



Рис. 7.1. Типы информации и сигналов при кодировании Если для представления информации на линии связи используются аналоговые сигналы, то применяют не только термин «кодирование», но и «модуляция». Эти термины можно считать синонимами, и в дальнейшем мы будем использовать термин «кодирование» как общий для любого типа сигналов, а «модуляция» – как частный случай кодирования, когда нужно подчеркнуть аналоговый характер применяемых для кодирования сигналов.

Кодирование дискретной информации

Этапы кодирования

Основные составляющие процесса кодирования дискретной информации показаны на рис. 7.2.


Рис. 7.2. Основные составляющие процесса кодирования

Информационный сигнал




На вход передатчика поступает дискретная информация, то есть последовательность нулей и единиц. Примером передатчика может быть сетевой адаптер компьютера, на который через внутреннюю шину компьютера поступают данные, выработанные некоторой программой.

Передатчик работает с определенной тактовой частотой, посылая приемнику тактовые импульсы с периодом Т. В нашем примере в каждом такте передается один бит информации, то есть выбранный информационный сигнал имеет два значения информационного параметра.

Передатчик генерирует несущий сигнал, который в нашем примере является синусоидальным электрическим сигналом с частотой f и периодом Т,.

В каждом такте передатчик изменяет (модулирует) несущий сигнал в соответствии со значением бита информации, передаваемого на этом такте. Информационным параметром в нашем примере является амплитуда синусоидального сигнала, которая может принимать два значения – А1 и А2. Значением А1 кодируется нуль, а А2 соответствует единице.

Такт несущей частоты Т, выбирается таким образом, чтобы информационный параметр сигнала, в данном случае его амплитуда, смог быть устойчиво распознан приемником (в нашем примере он в два раза меньше такта передачи информации).

Модулированный информационный сигнал передается по линии связи и принимается приемником.

Хотя в приведенной схеме используется кодирование аналоговым сигналом, ее основные элементы справедливы и для кодирования дискретными сигналами.

Спектр информационного сигнала

Для успешного распознавания приемником дискретной информации, переданной передатчиком (см. ранее), необходимо, чтобы спектр информационного сигнала укладывался в полосу пропускания линии связи.

Поэтому ширина спектра информационного сигнала и его положение на частотной оси являются одними из главных факторов, которые принимаются во внимание при создании некоторого метода кодирования.

Спектр результирующего информационного сигнала зависит от типа кодирования и частоты изменения информационного сигнала (напомним, она измеряется в бодах). Эта частота является тактовой частотой передатчика.

Сравним спектры дискретного и аналогового кодирования с одинаковой тактовой частотой и посмотрим, какие требования предъявляют эти типы кодирования к полосе пропускания канала.

Рассмотрим сначала спектр информационного сигнала при дискретном кодировании. В качестве типичного представителя этого типа кодов возьмем кодирование потенциалом электрического сигнала с двумя состояниями. Пусть логическая единица кодируется положительным потенциалом, а логический ноль – отрицательным потенциалом такой же величины. Для упрощения вычислений предположим, что передается информация, состоящая из бесконечной последовательности чередующихся единиц и нулей. Результирующий информационный сигнал имеет вид последовательности прямоугольных импульсов чередующейся полярности.

Для такого вида сигнала спектр может быть получен аналитически из формул Фурье для периодической функции. Пусть дискретные данные передаются с тактовой частотой А бод.

Так как потенциальный код имеет два состояния сигнала, то и битовая скорость передачи данных будет равна N бит/с. Спектр такого кода состоит из постоянной составляющей нулевой частоты и бесконечного ряда гармоник с частотами /₀, 3/₀, 5/₀- 7/₀, где/₀ = N/2. Амплитуды этих гармоник убывают достаточно медленно – с коэффициентами 1/3, 1/5, 1/7,... от амплитуды гармоники /о (рис. 7.3, а), а это означает, что для качественной передачи потенциального кода нужен канал с относительно широкой полосой пропускания. Например, для передачи данных, закодированных таким способом, со скоростью 100 Мбит/с канал должен иметь полосу пропускания от 50 МГц до 350 МГц, если считать, что основной вклад в форму сигнала вносят только первые четыре гармоники.

На рисунке показана полоса пропускания некоторого канала, которая хорошо пропускает только первые две гармоники потенциального сигнала. Значит, сигнал на выходе будет сильно искажен, то есть данный канал не подходит для выбранного типа кодирования и тактовой частоты. Заметим, что ширина спектра потенциального сигнала (N/2,7Л//2), равная ЗДГ, прямо пропорциональна тактовой частоте передатчика N. При невозможности заменить канал связи попробуем уменьшить тактовую частоту передатчика и добиться устойчивой передачи данных с меньшей скоростью. Для нашего примера уменьшение тактовой частоты в три раза приведет к желаемому результату, так как тогда первые четыре гармоники будут укладываться в полосу пропускания канала.