СЕТИ ЭВМ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ. Министерствообразованияинаукироссийскойфедерации
 Скачать 4.29 Mb.
|
|
Раздел 2. СРЕДСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ 2.1. Основные понятия техники связи 2.1.1. Телекоммуникация Телекоммуникация (греч. tele – вдаль, далеко и лат. communicatio – общение) – передача данных на большие расстояния. Средства телекоммуникации – совокупность технических, программных и организационных средств для передачи данных на большие расстояния. Телекоммуникационная сеть – множество средств телекоммуникации, связанных между собой и образующих сеть определённой топологии (конфигурации). Телекоммуникационными сетями являются (рис.2.1): • телефонные сети для передачи телефонных данных (голоса); • радиосети для передачи аудиоданных; • телевизионные сети для передачи видеоданных; • цифровые (компьютерные) сети или сети передачи данных (СПД) для передачи цифровых (компьютерных) данных. Данные в цифровых телекоммуникационных сетях формируются в виде сообщений, имеющих определенную структуру и рассматриваемых как единое целое. Данные (сообщения) могут быть: • непрерывными; • дискретными. Непрерывные данные могут быть представлены в виде непрерывной функции времени, например, речь, звук, видео. Дискретные данные состоят из знаков (символов). Передача данных в телекоммуникационной сети осуществляется с помощью их физического представления – сигналов. В компьютерных сетях для передачи данных используются следующие типы сигналов (рис.2.2): • электрический (электрический ток); • оптический (свет); • электромагнитный (электромагнитное поле излучения – радиоволны). Телекоммуникационные сети 2.1 Телефонная Радиосеть Телевизионная Цифровая (СПД) Раздел 2. Средства телекоммуникаций 81 Для передачи электрических и оптических сигналов применяются кабельные линии связи соответственно (рис.2.2): • электрические (ЭЛС); • волоконно-оптические (ВОЛС). Передача электромагнитных сигналов осуществляется через радиолинии (РЛС) и спутниковые линии связи (СЛС). Сигналы, как и данные, могут быть: • непрерывными; • дискретными. При этом, непрерывные и дискретные данные могут передаваться в телекоммуникационной сети либо в виде непрерывных, либо в виде дискретных сигналов. Процесс преобразования (способ представления) данных в вид, требуемый для передачи по линии связи и позволяющий, в некоторых случаях, обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие из-за помех при их передаче, называется кодированием. Примером кодирования является представление данных в виде двоичных символов. В зависимости от параметров среды передачи и требований к качеству передачи данных могут использоваться различные методы кодирования. Линия связи – физическая среда, по которой передаются информационные сигналы, формируемые специальными техническими средствами, относящимися к линейному оборудованию (передатчики, приемники, усилители и т.п.). Линию связи часто рассматривают как совокупность физических цепей и технических средств, имеющих общие линейные сооружения, устройства их обслуживания и одну и ту же среду распространения. Сигнал, передаваемый в линии связи, называется линейным (от слова линия). Линии связи можно разбить на 2 класса (см. рис.2.2): • кабельные (электрические и волоконно-оптические линии связи); • беспроводные (радиолинии). Типы сигналов Электрический Оптический Электромагнитный 2.2 Линии связи ЭЛС ВОЛС РЛС СЛС Кабельные Беспроводные Раздел 2. Средства телекоммуникаций 82 На основе линий связи строятся каналы связи. Канал связи представляет собой совокупность одной или нескольких линий связи и каналообразующего оборудования, обеспечивающих передачу данных между взаимодействующими абонентами в виде физических сигналов, соответствующих типу линии связи. Канал связи может состоять из нескольких последовательных линий связи, образуя составной канал, например, как это показано на рис.2.3: между абонентами А1 и А2 сформирован канал связи, включающий телефонные (ТфЛС) и волоконно-оптическую (ВОЛС) линии связи. В то же время, в одной линии связи, как будет показано ниже, может быть сформировано несколько каналов связи, обеспечивающих одновременную передачу данных между несколькими парами абонентов. 2.1.2. Сигналы При передаче сигнала через некоторую среду передачи (линия связи, некоторое устройство) происходит изменение сигнала (усиление или ослабление), обусловленное техническими и физическими свойствами среды передачи (рис.2.4.). Усиление и ослабление (отношение энергий или мощностей) некоторой физической величины – сигнала (напряжения, тока, мощности, энергии поля и т.д.) в электротехнике, радиотехнике, электросвязи и акустике измеряют в децибелах (дБ) – логарифмических единицах усиления (ослабления): где вх P и вых P – значения мощности (энергии) соответственно входного и выходного сигналов. Отношение вх вых P P K / = называется коэффициентом передачи , lg 10 ] дБ [ вх вых P P d = А 1 У 1 У 2 ТфЛС ТфЛС ВОЛС Составной канал связи 2.3 А 2 Среда передачи ( ЛС , устройство ) P вх P вых 2.4 Раздел 2. Средства телекоммуникаций 83 Величина d , выраженная в децибелах, называется коэффициентом усиления , если 0 > d , и коэффициентом затухания , если 0 < d На практике обычно знак минус перед коэффициентом затухания опускают и определяют часто коэффициент затухания как положительную величину Соответствие между значением коэффициента затухания ( усиления ), вычисленного в децибелах , и значением коэффициента передачи иллюстрируется следующей таблицей : d , дБ 1 2 3 5 10 13 16 17 20 25 30 K 1,26 1,59 2,0 3,16 10 19,95 39,8 50,1 100 316,2 1000 В децибелах также может быть выражено отношение двух напряжений U или токов I : = вх вых U U d lg 20 ] дБ [ или = вх вых I I d lg 20 ] дБ [ Например , ослабление d =10 дБ / км означает , что ослабление напряжения или тока на расстоянии в 1 км согласно уравнению K lg 20 10 = будет равно 3 , 3 10 ≈ = K раза Удобство вычисления ослабления ( усиления ) в децибелах состоит в том , что при каскадном включении нескольких участков линии или технических устройств значения d складываются ( рис .2.5). Например , в случае d =10 дБ / км ослабление на расстоянии в 2 км будет равно 20 дБ Сигналы , как и данные , могут быть : • непрерывными ( аналоговыми ) – в виде непрерывной функции времени ( изменение тока , напряжения , электромагнитного поля излучения ); • дискретными ( цифровыми ) – в виде импульсов тока , напряжения , света Сигналы , используемые для передачи данных , должны быть информативными , то есть нести информацию о передаваемом сообщении Очевидно , что постоянный ток , не изменяющий своего значения и направления передачи , не может служить переносчиком информации Сигнал должен иметь некоторые изменяющиеся параметры , которые на приёмном конце позволят идентифицировать передаваемые данные В качестве такого информативного сигнала часто используют так называемый гармонический сигнал d 1 d 2 d = d 1+ d 2 [ дБ ] 2.5 Раздел 2. Средства телекоммуникаций 84 2.1.3. Спектр В простейшем случае непрерывный сигнал может быть представлен в виде гармонического колебания (рис.2.6), описываемого синусоидой: , ) ' cos( ) sin( ) ( ϕ ω ϕ ω + = + = t A t A t y где А – амплитуда; ω – круговая частота: f π ω 2 = (здесь f – линейная частота: T f / 1 = – величина, обратная периоду T); ' , ϕ ϕ – начальная фаза, причем: 2 ' π ϕ ϕ − = Синусоидальный сигнал несет в себе информацию в виде трех параметров: амплитуды, частоты и фазы, причем с точки зрения обеспечения высокой скорости передачи данных основной является частота сигнала – чем выше частота, тем больше скорость передачи данных. Среда передачи должна обеспечивать качественный перенос сигнала с минимально возможными искажениями его параметров. Функция времени ) (t y , описывающая некоторый непрерывный сигнал, в общем случае, может быть произвольной и иметь временные изменения любой скорости – от самых медленных и вплоть до бесконечно быстрых скачкообразных изменений. Тогда широкий класс периодических функций ) (t y может быть представлен рядом Фурье: ∑ ∑ ∞ = ∞ = + + = + = 1 0 0 ) cos( 2 ) cos( ) ( i i i i i i i i t A A t A t y ϕ ω ϕ ω , где A i – амплитуда; i ϕ – начальная фаза; i ω – круговая частота i-й синусоиды, причем эти синусоиды пронумерованы таким образом, что: ∞ < < < ω ω ω K 1 0 , ) / 1 ( 0 2 0 0 0 0 ∞ = = = = f T f π ω и ∞ = = ∞ ∞ f π ω 2 ) 0 / 1 ( = = ∞ ∞ f T Таких сигналов , обладающих бесконечным спектром , которые содержат синусоиды ( гармоники ) с частотами в интервале от 0 0 = f до ∞ = ∞ f , в природе практически нет Преобладающая часть энергии реальных сигналов сосредоточена в ограниченной полосе частот Такие сигналы и отображающие их функции называются сигналами Т 0 ϕ А y(t) t 2.6 Раздел 2. Средства телекоммуникаций 85 (функциями) с ограниченным спектром и могут быть представлены в виде конечной суммы синусоидальных сигналов: ∑ = + = n i i i i t A t y 1 ) cos( ) ( ϕ ω Пусть , как и ранее , n ω ω ω < < < K 2 1 , причём 0 2 1 1 > = f π ω и ∞ < = n n f π ω 2 Тогда : ) ( 1 f f S n − = представляет собой спектр сигнала y ( t ), где f n – верхняя граница частот ( верхняя частота ); f 1 – нижняя граница частот ( нижняя частота ). Для того чтобы передать такой сигнал без искажений , канал связи должен иметь полосу пропускания шириной не менее S 2.1.4. Полоса пропускания Полосой пропускания ( частот ) канала ( линии ) связи называется диапазон частот , в пределах которого амплитудно - частотная характеристика ( АЧХ ) канала достаточно равномерна для того , чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения Полоса пропускания F для канала ( линии ) связи определяется как область частот в окрестности f 0 , в которой амплитуда сигнала ( напряжение или ток ) уменьшается не более чем в 41 , 1 2 = раз ( в 2 раза для мощности ) по сравнению с максимальным значением А 0 , что примерно соответствует значению -3 дБ ( рис .2.7): н в f f F − = Дискретные сигналы ( рис .2.8, а ) характеризуются бесконечным спектром частот и могут быть представлены в виде бесконечной суммы синусоидальных сигналов : ∑ ∞ = + = 0 ) cos( ) ( i i i i t A t y ϕ ω Бесконечную ширину имеет также спектр двоичного сигнала , представляющего собой последовательность чередующихся посылок "0" и "1" ( рис .2.8, б ). При проектировании системы передачи данных , в частности , при расчете ее пропускной способности , важно знать максимальную ширину f н f в f о А А 0 0,5 А 0 f 2.7 -3 дБ Раздел 2. Средства телекоммуникаций 86 спектра частот передаваемого сигнала, независимо от его структуры (непрерывный, дискретный). Для качественной передачи сигнала по каналу связи с возможностью его восстановления (распознавания) в точке приёма необходимо, чтобы выполнялись следующие условия: • полоса пропускания (частот) н в f f F − = канала связи должна быть не менее чем спектр частот сигнала 1 f f S n − = : S F ≥ ; • ослабление ( затухание ) сигнала не превышало некоторой пороговой величины, необходимой для его корректного восстановления (распознавания) в точке приема сигнала (искажение амплитуды сигнала); • дрожание фазы ( джиттер ) не превышало пороговой величины, необходимой для его корректного восстановления (распознавания) в точке приема сигнала (искажение фазы сигнала). 2.1.5. Модуляция При использовании низкочастотных кабельных каналов связи (например телеграфных), полоса частот которых начинается примерно от нуля, дискретные сигналы можно передавать в их естественном виде – без модуляции (в первичной полосе частот) – с небольшой скоростью 50 – 200 бит/с. В высокоскоростных каналах связи с резко ограниченной полосой пропускания передача сигналов осуществляется посредством модуляции и демодуляции с помощью специальных устройств, называемых модемами (модулятор-демодулятор). На рис.2.9 показано применение модемов для преобразования дискретного сигнала, поступающего от оконечного оборудования данных (ООД), представляющего собой, например, компьютер, в непрерывный сигнал, передаваемый по линии связи (модуляция), и обратное преобразование непрерывного сигнала в дискретный на приёмном конце (демодуляция). Модулятор Демодулятор ООД ООД 2.9 МОДЕМ Модулятор Демодулятор МОДЕМ t t 2.8 а) б) Раздел 2. Средства телекоммуникаций 87 Модуляция (modulation) – перенос сигнала в заданную полосу частот путем изменения параметра (амплитуды, частоты, фазы; величины или направления постоянного тока) переносчика сигнала, называемого несущей, в соответствии с функцией, отображающей передаваемые данные. Другими словами модуляция – это изменение характеристик несущей в соответствии с информативным сигналом. Несущая (carrier) – аналоговый высокочастотный сигнал, подвергаемый модуляции в соответствии с некоторым информативным сигналом. Несущая, как правило, имеет меньшие показатели затухания и искажения, чем немодулированный информативный сигнал. 2.2. Система связи Система связи – совокупность среды передачи (канала связи), оконечного оборудования (терминальное устройство) источника и получателя данных (сообщения), характеризующаяся определенными способами преобразования передаваемого сообщения в сигнал и восстановления сообщения по принятому сигналу. Система связи в общем случае включает в себя (рис.2.10): • источник сообщения (ИС); • передающее устройство (ПУ), включающее в себя: преобразователь сообщения в первичный сигнал (ПСПС), реализующий кодирование; передатчик (П), преобразующий первичный сигнал в линейный сигнал для передачи по линии связи (модуляция); • приемное устройство (ПрУ), включающее в себя: приемник (Пр), преобразующий линейный сигнал, поступающий из линии связи, в первичный сигнал (демодуляция); преобразователь первичного сигнала в сообщение (ППСС), реализующий декодирование; • получатель сообщения (ПС). ПУ Канал связи ПрУ ИС ПСПС П Линия связи Пр ППСС ПС Шумы, помехи Сообщение Первичный сигнал Линейный сигнал Линейный сигнал Первичный сигнал Сообщение 2.10 1 |