базовый курс лекцийц. Базовый курс лекций ТФУПД (pdf.io). Образовательное учреждениеАкадемия управления городской средой, градостроительства и печати
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
Санкт-Петербургское государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Академия управления городской средой, градостроительства и печати Технологии физического уровня передачи данных для специальности 09.02.02 Компьютерные сети (код, наименование специальности) Уровень подготовки базовый Форма обучения очная Санкт-Петербург 2020 г. В этой лекции будут обсуждаться основные процессы, которые происходят при передаче информационных сигналов по линиям связи. Итак, давайте попытаемся решить эту задачу ИИ СВЯЗИ . Начальное условие задачи: в сети всегда присутствует информация. Вспомним, Информация - это сведения, которые являются объектом восприятия, подготовки, передачи, переработки и отображения. Передача информации подразумевает перенос информации по линиям связи в виде электрических или оптических сигналов. Для передачи информации от источника к получателю необходимо передать содержащие эту информацию сообщения. Сообщения - это информация, выраженная в определенной форме и подлежащая передаче. Сообщения на расстояние могут передаваться с помощью какого-либо материального носителя или физического процесса, протекающего во времени. Таким материальным носителем при письменном способе передачи является бумага; при устном способе передача осуществляется благодаря процессу распространения звуковых волн в воздухе. В компьютерных сетях таким носителем являются сигналы. Сигнал - это изменяющаяся во времени физическая величина (напряжение, ток), отображающая сообщение в линии связи. Для того, чтобы правильно проектировать сети, корректно осуществлять выбор сетевых устройств, следует понимать природу распространения сигналов, их параметры и связь параметров сигналов с параметрами линий передачи. Необходимо четко представить те физические процессы, которые происходят при передаче электрических сигналов по линиям связи. Начнем со знакомства с существующими типами линий связи и их характеристика- ми. 1.1Состав линии связи Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи (line)line)) является термин канал связи (line)chane)l). На рисунке 4.1 показана линия связи, которая обеспечивает передачу информации от источника к приемнику. Рис. 4.1 Состав линии связи Как мы видим из этого рисунка, информация передается в физической среде. Физическая среда передачи данных (line)me)dium) - это либо обыкновенный кабель, либо земная атмосфера или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны. Кабель - это набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов. Проводом называют металлическую проволоку, изолированную или неизолированную (голую). Провода изготавливают обычно из меди, алюминия или стали. Аппаратура передачи данных (АПД или DCE – Data Circuit terminating Equipment) – связывает компьютеры или локальные сети пользователя с линией связи, ее включают в состав линии связи. В качестве АПД используют модемы, терминальные адаптеры сетей ISDN(), оптические модемы, устройства подключения к цифровым каналам. Оконечное оборудование данных (ООД или DTE - Data Terminal Equipment) представляет аппаратуру пользователя линии связи и в состав линии связи не включается. Примерами ООД могут служить компьютеры или маршрутизаторы локальных сетей. Разделение оборудования на АПД и ООД можно считать условным, т.к. например сетевую карту можно считать как принадлежностью компьютера, так и составной частью канала связи т.е принадлежащей к АПД. Промежуточное оборудование линии связи используется на линиях связи большой протяженности и решает две основные задачи: Улучшение качества сигнала Создание постоянного составного канала связи между абонентами Усилители сигнала, установленные через определенные расстояния обеспечивают качественную сигналов сообщений на очень большие расстояния. Мультиплексоры, демультиплексоры и коммутаторы необходимы для создания составного канала из некоммутируемых отрезков физической среды – кабелей с усилителями. Наличие промежуточной коммуникационной аппаратуры избавляет пользователя от необходимости прокладывать отдельную кабельную линию связи для каждой пары соединяемых узлов сети. Промежуточная аппарату обычно является прозрачной для пользователя, которому важна только скорость передачи данных по линии связи. В зависимости от типа промежуточной аппаратуры все линии связи делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых линиях промежуточная аппаратура усиливает аналоговый сигнал, т.е. сигнал, который имеет непрерывный диапазон значений. Такая аппаратура традиционно применялась в телефонных сетях. Для создания высокоскоростных каналов, которые мультиплексируют несколько низкоскоростных, используется техника частотного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing FDM). В цифровых линиях связи сигнал имеет конечное число состояний (как правило 2 или 3 за один такт работы). В этих каналах связи используется промежуточная аппаратура, которая улучшает форму импульсов и восстанавливает период их следования. Промежуточная аппаратура образования высокоскоростных цифровых каналов работает по принципу временного мультиплексирования каналов (Time Division Multiplexing TDM), когда каждому низкоскоростному каналу выделяет определенная доля времени (тайм-слот или квант) высокоскоростного канала. 4.2.Типы линий связи В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на следующие: проводные (воздушные); кабельные (медные и волоконно-оптические); радиоканалы наземной и спутниковой связи. Проводные (line)воздушные) линии связи представляют собой провода без каких- либо изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи традиционно передаются телефонные или телеграфные сигналы, но при отсутствии других возможностей эти линии используются и для передачи компьютерных данных. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий оставляют желать много лучшего. Сегодня проводные линии связи быстро вытесняются кабельными. Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также, возможно, климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присоединение к нему различного оборудования. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели. Скрученная пара проводов называется витой парой (line)twiste)d pair)). Витая пара существует в экранированном варианте (Shie)lde)d Twiste)d Pair), STP), когда пара медных проводов обертывается в изоляционный экран и неэкранированном (Unshie)lde)d Twiste)d Pair), UTP), когда изоляционная обертка отсутствует. Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. а б Рис 4.2 Витая пара а - экранированная витая пара, б - неэкранированная витая пара Коаксиальный кабель (line)coaxial) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Рис 4.3 Коаксиальный кабель Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения - для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельного телевидения и т.п. Волоконно-оптический кабель (line)optical fibe)r)) состоит из тонких (3-60 микрон) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Рис 4.4 Волоконно-оптический кабель Это наиболее качественный тип кабеля - он обеспечивает передачу данных с очень высокой скоростью (до 10 Гбит/с и выше) и к тому же лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех. Более подробно о каждом типе кабеля и его характеристиках мы поговорим несколько позже. А сейчас кратко упомянем еще один вид линий связи: радиоканалы наземной и спутниковой связи. Радиоканалы образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое количество различных типов радиоканалов отличающихся как используемым частотным диапазоном, так и дальностью канала. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция (Frequency Modulation, FM), а также диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ или microwaves). В диапазоне СВЧ (свыше 4ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые каналы, либо радиорелейные каналы, где это условие выполняется. Рис. 4.5 Радиоканалы В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические. На них сегодня строятся как магистрали крупных территориальных сетей, так и высокоскоростные линии связи локальных сетей. Популярной средой является также витая пара, которая характеризуется отличным соотношением качества к стоимости, а также простотой монтажа. С помощью витой пары обычно подключают конечных абонентов сетей на расстояниях до 100 метров от концентратора. Спутниковые каналы и радиосвязь используются чаще всего в тех случаях, когда кабельные связи применить нельзя - например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользователем сети, таким как шофер, врач, совершающий обход, работники милиции и т.п. В этом курсе лекций мы будем говорить в основном о кабельных линиях, потому как они чаще всего используются в компьютерных сетях (а в локальных сетях используются только кабельные линии). Для того, чтобы определить какой кабель лучше, нужно знать его характеристики. Поэтому следующим вопросом нашей лекции будет знакомство с основными характеристиками линий связи. Давайте попробуем определить, какие характеристики нам нужны, чтобы иметь наиболее полное представление о возможностях той или иной линии. На данный момент нам уже понятно, что кабельные линии связи работают с электрическими сигналами (за исключением волоконно-оптических). 4.3Характеристики линии связи Прежде, чем приступить к изучению характеристик линии связи вспомним кое-что из физики и математики, что касается электрических сигналов. Что представляет собой электрический сигнал? Любой электрический сигнал можно рассматривать как меняющуюся во времени электрическую величину (напряжение, ток). Например, вот рисунок, на котором показан график, иллюстрирующий изменение электрического тока I. Рис. 4.6 Изменение электрического тока во времени Такой ток I можно назвать функцией времени t, а изображение ее на рисунке - графиком этой функции или временной диаграммой. Для дальнейшего важно вспомнить, что для наглядного представления о форме этой функции, нужен не только график функции I(line)t), но и математическое выражение, по которому можно было бы построить (восстановить) ее график. Это математическое выражение позволит вычислить значение функции для любого задаваемого значения аргумента. Как видно из того рисунка, график функции I(line)t) - синусоида. Синусоида, график функции у= sin x, плоская кривая, изображающая изменение синуса в зависимости от изменения его аргумента (угла). Следовательно, математическое описание этого графика: I(line)t) = Im sin(line)t +j) (4.1) I - ток в цепи Im - амплитуда тока =2/TT - частота j - начальная фаза, t+ j - фаза Аналогичные понятия касаются и напряжения, меняющегося во времени, которое мы и будем в дальнейшем называть электрическим сигналом. Математическое выражение, по которому для любого задаваемого момента временим можно вычислить значение электрического сигнала u(line)t) U(line)t) = Uo + Um sin(line)t+to) (4.2) где - частота сигнала. Поскольку кабельные линии бывают различные по своей конструкции, то в зависимости от своего типа, они могут обеспечивать передачу электрических сигналов той или иной частоты. Совершенно очевидно, что чем выше значение частоты, которую может пропускать линия, тем выше будет и скорость передачи информации. Сети нужны высокоскоростные кабели. Другими словами, чем выше пропускная способность кабеля, тем выше будет скорость работы сети. Однако, сам по себе кабель, не подключенный ни к какой сети, т.е. не использующий каких-либо протоколов передачи, не характеризуется пропускной способностью, кабель характеризуется полосой пропускания. Определим основные характеристики линии связи. К ним относятся: Амплитудно-частотная характеристика; Полоса пропускания; Затухание; Помехоустойчивость; Перекрестные наводки на ближнем конце линии Пропускная способность; Достоверность передачи данных; Удельная стоимость. Рассмотрим характеристики линии связи, не подключенной к сети К ним относятся первые три из перечисленных, а именно: амплитудно- частотная характеристика, полоса пропускания и затухание, а также перекрестные наводки на ближнем конце и помехоустойчивость 4. 3.1 Характеристики линии связи, не подключенной к сети Для того, чтобы нам уяснить почему кабель характеризуется амплитудно-частотной характеристикой, нам нужно, в первую очередь, выяснить, почему и как параметры кабельной линии состоящей из обыкновенных проводов зависят от частоты. Это доказывается элементарными понятиями физики, которые все справедливы и для кабельных линий. В простейшем случае кабель - это два провода конечной длины (как правило, эти провода из медной проволоки). И если длина этих проводов не бесконечна, то они могут пропускать любую частоту. Но это в идеальном случае, на практике кабель не пропускает все частоты. Почему? С одной стороны, каждый провод имеет некоторое сопротивление (R). С другой стороны, два провода электрической сети - это явный пример естественной емкости (конденсатора). Емкость(C)- система из двух металлических пластин или проводников произвольной формы, разделенных диэлектриком (в нашем случае это среда между двумя проводами). Таким образом, два провода представляют собой не что иное, как. RC-цепь, пример которой показан на рис. 4.7 Если подавать на вход этой RC-цепи переменное напряжение, то из-за физических свойств конденсатора (емкости), который после некоторого времени, будет держать постоянное значение заряда, и лишь потом через определенный промежуток времени начнет разряжаться, выходной сигнал такой цепи будет выглядеть, как показано на рис. 4.8. Рис. 4.7 Представление линии в виде RC-цепи Рис. 4.8 Амплитудно-частотная характеристика RC-цепи Амплитудно-частотная характеристика- зависимость амплитуды гармонического сигнала на выходе электрической цепи (устройства) от частоты входного гармонического сигнала. Эта характеристика измеряется по изменению частоты постоянного по амплитуде входного сигнала. В качестве эталонного сигнала, с помощью которого исследуется качество линии, чаще всего используется синусоидальный сигнал. Любой синусоидальный сигнал можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд. Но, как нам известно, из курса физики, вокруг проводника с током в цепях переменного тока всегда возникает магнитное поле. Поэтому в реальной цепи будет присутствовать еще и индуктивность (L). Таким образом, медные провода всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки (RLC -цепь). Представление линии связи на примере RLC –цепи показано на рис. 4.9. В этой RLС-цепи амплитудно-частотная характеристика будет иметь несколько другую форму (за счет влияния индуктивности в контуре, которая не пропускает постоянный ток), показанную на рис. 4.10 Рис. 4.9 Представление линии в виде RLC-цепи Рис. 4.10 Амплитудно-частотная характеристика RC-цепи В результате реактивное сопротивление цепи (кабельной линии) будет функционально зависеть от частоты - R реак (line)), и эту зависимость отображает амплитудно-частотная характеристика. Таким образом, мы убедились, что физические параметры реального кабеля зависят частоты. Полное сопротивление RLC-цепи (которая моделирует реальный кабель) будет различно для сигналов различных частот, а значит, и передаваться эти сигналы будут по-разному. Если говорить о волоконно-оптических кабелях, то он также имеет отклонения, мешающие идеальному распространению света, но об этом позже. Остановимся на линиях связи, которые используют при передаче информации электромагнитные сигналы. Итак, мы с вами выяснили, что реальная линия связи характеризуется амплитудно-частотной характеристикой. Амплитудно-частотная характеристика (line)АЧХ) показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Идеальная линия связи не изменяет формы сигнала (синусоиды) при ее прохождении по линии. Но в реальных линиях связи сигналы искажаются по различным причинам: из-за паразитных емкостей и индуктивностей в медных проводах, внешних электромагнитных полей, рассеивания света в оптических волокнах и т.п. Поэтому амплитудно-частотная характеристика реальной линии имеет более сложный вид, чем показано на рис. 4.10. Кроме того, несмотря на полноту информации, предоставляемой АЧХ о линии связи, ее использование осложняется тем обстоятельством, что получить ее весьма трудно. Ведь для этого нужно провести тестирование линии эталонными синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит, количество экспериментов должно быть очень большим. Поэтому на практике нужны другие, упрощенные характеристики – полоса пропускания и затухание. Кроме, этого сама форма АЧХ не удобна чисто технически для проведения каких-либо вычислительных расчетов. Все эти причины послужили возникновению некоторой более упрощенной модели АЧХ, показанной на рис. 4.11. Рис. 4.11 Модель амплитудно-частотной характеристики Условились на половине характеристики по оси амплитуд (отношения амплитуд выходного и входного сигналов), провести линию параллельно оси частот, и на ее основе представить форму |