Ротенштейн И. В. Сети. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 090303. 65 Информационная безопасность автоматизированных систем
 Скачать 6.03 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» (СГАУ) Сети и системы передачи информации Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине в LMS Moodle САМАРА 2012 УДК 621.391 Автор-составитель: Ротенштейн Ирина Витальевна Сети и системы передачи информации [Электронный ресурс] : электрон. учеб.-метод. комплекс по дисциплине в LMS Moodle / Минобрнауки России, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т) ; авт.-сост. И. В. Ротенштейн. – Электрон. тестовые и граф. дан. - Самара, 2012. – 1 эл. опт. диск (CD- ROM). В состав учебно-методического комплекса входят: 1. Курс лекций. 2. Вопросы для подготовки к зачёту. 3. Рабочая программа. УМДК «Сети и системы передачи информации» предназначен для студентов факультета информатики, обучающихся по специальности 090303.65 «Информационная безопасность автоматизированных систем», в 6 семестре. УМДК разработан на кафедре Геоинформатики и информационной безопасности. © Самарский государственный аэрокосмический университет, 2012 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королѐва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) Факультет информатики Кафедра геоинформатики и информационной безопасности Ротенштейн И.В. Курс лекций «СЕТИ И СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ» Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 090303.65 «Информационная безопасность автоматизированных систем» Самара 2012 Содержание Тема 1. Основные принципы построения систем передачи Обобщѐнная схема систем передачи информации.. ............................................................... 1 Уровни передачи........................................................................................................................ 1 Параметры первичных сигналов .............................................................................................. 2 Линии связи ............................................................................................................................... 3 Канал тональной частоты ........................................................................................................ 4 Защита речи в телефонных каналах ........................................................................................ 5 Тема 2. Системы передачи Многоканальные системы передачи. ...................................................................................... 6 Частотное разделение каналов. ................................................................................................ 6 Временное разделение каналов ............................................................................................... 7 Кодовое разделение каналов . .................................................................................................. 8 Радиорелейные спутниковые системы передачи . ................................................................. 9 Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС . .......................................... 9а Кодирование речи в ЦСП . ..................................................................................................... 10 Волоконно-оптические системы передачи . ......................................................................... 11 Иерархии ЦСП. ....................................................................................................................... 12 Европейская Плезиохронная цифровая иерархия (PDH) ................................................... 13 Cинхронная цифровая иерархия (SDH) ................................................................................. 14 Тема 3. Сети передачи информации Семиуровневая модель OSI ................................................................................................... 15 Сети передачи данных ........................................................................................................... 16 Сети Беспроводного широкополосного доступа ................................................................. 17 Сети стандарта GSM .............................................................................................................. 18 СиСПИ ЛК-1 Обобщённая схема электросвязи. Уровни передачи. 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Информация – совокупность сведений о состоянии какого-либо материального объекта. Сообщение – форма представления информации для ее передачи, хранения, обработки или непосредственного использования. Для передачи различного рода сообщений используют электрические сигналы Сигналы – электромагнитные колебания или импульсные последовательности, параметры которых отображают передаваемые сообщения. Такие сигналы могут передаваться по каналам связи на большие расстояния с помощью относительно простых технических средств, причем скорость их распространения близка к скорости света. Таким образом, электросвязь – передача сообщений посредством электрических сигналов. Каналом связи называется совокупность средств, обеспечивающих передачу сообщений от источника к получателю. Комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи, называют системой электросвязи. Многоканальная электрическая связь – позволяет организовать одновременную передачу различных сигналов по одной линии связи. Система передачи – совокупность технических средств, обеспечивающих формирование каналов связи. Обобщенная схема электросвязи. Линия связи Канал связи Система передачи Какая бы линия связи или система передачи не использовалась, обработка сигналов в любом оборудовании происходит только в электрическом виде, поэтому все системы передачи можно классифицировать как электросвязь. В пунктах передачи такой системы любые сигналы от источника сообщений преобразуются в электрические сигналы. Затем, для надѐжной передачи по линии связи, станционные сигналы преобразуются в линейные, которые хорошо согласуются с параметрами линии связи, а в пунктах приема происходит обратное преобразование электрических сигналов в сигналы, воспринимаемые получателями. Источник сообщения Преобра- зователь сообщение /сигнал Передат- чик Среда передачи Приѐм- ник Преобра- зователь сигнал / сообщение Получатель сообщения СиСПИ ЛК-1 Обобщённая схема электросвязи. Уровни передачи. 2 Создаваемые системами передачи каналы связи должны быть универсальными, т.е. пригодными для передачи любых сообщений. С этой целью каналы связи стандартизируют, т.е. определяют жесткие нормы на параметры каналов, обеспечивающие высокое качество и надежность связи. Основным типовым каналом является канал тональной частоты (КТЧ). Другие типы каналов образуются путем объединения того или иного числа КТЧ. ОБЩЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРОВНЕЙ ПЕРЕДАЧИ В технике связи наряду с абсолютными единицами измерения параметров электрических сигналов (мощность, напряжение и ток) широко используются относительные единицы. Уровнем передачи сигнала в некоторой точке канала или тракта называют логарифмическое преобразование отношения энергетического параметра сигнала (мощности, напряжения или тока) к отсчетному значению этого же параметра. Уровни передачи измеряются в децибелах или неперах: для уровней по мощности: , [дБм]; , [Нп]; для уровней по напряжению: , [дБн]; , [Нп]; для уровней по току , [дБт]; , [Нп]. 1 Нп = 8,686 дБ; 1 дБ = 0,115 Нп. На практике применяются в основном децибелы. Уровень передачи называется абсолютным, если мощность W 0 =1мВт рассеивается на стандартном сопротивлении R 0 =600Ом. Отсюда по закону Ома для участка цепи легко можно получить соответствующие абсолютные величины напряжения U 0 и тока I 0 : В расчетах принимают округленные значения: W 0 =1мВт; U 0 =0,775 В, I 0 =1,29 мА. Чаще при измерениях параметров телекоммуникационных устройств пользуются относительными уровнями. При этом вместо абсолютных нулевых уровней используют один из известных уровней сигнала либо на передаче, либо на приѐме, называемый начальным. В этом случае уровни рассчитываются по формулам: ; ; Измерительные уровни служат для определения уровней передачи с помощью измерительных приборов, называемых указателями уровня. СиСПИ ЛК-1 Обобщённая схема электросвязи. Уровни передачи. 3 Для измерения уровня наиболее часто применяется схема известного генератора. В этой схеме к входу исследуемого объекта, например некоторого четырехполюсника, подключается генератор испытательного сигнала с полностью определенными параметрами, т.е. его внутреннее сопротивление равно 600 Ом, развиваемая ЭДС равна 1,55В. К выходу объекта подключается указатель уровня с входным сопротивлением, равным номинальному значению сопротивления нагрузки; реальная нагрузка при этом отключается. В качестве испытательного при измерении уровней передачи чаще всего применяют одночастотный синусоидальный сигнал, частота которого также должна быть известна (чаще всего 800Гц), а начальная фаза, как правило, не фиксируется. Если по значению параметров подключенный генератор испытательного сигнала обладает свойством нормального, то измеренный на сопротивлении R Н уровень называется измерительным. СиСПИ ЛК-2 Параметры первичных сигналов. 1 ПАРАМЕТРЫ ПЕРВИЧНЫХ СИГНАЛОВ Для преобразования любого сообщения в сигнал необходимо определить минимальное количество параметров, по которым можно будет на приѐмной стороне восстановить исходное сообщение с достаточным качеством. Теперь рассмотрим виды сигналов, используемых для передачи различных видов информации. 1. Телефонный сигнал. Звуки речи, создаваемые голосовыми связками, преобразуются микрофоном в электрические сигналы сложной формы с параметрами, в сильной степени зависящими от электрического преобразователя. Высокое качество передачи телефонного сигнала характеризуется уровнем громкости, разборчивостью, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Слышимый диапазон частот, воспринимаемый ухом человека – от 20 до 20000 Гц. Спектр звуков речи для языков разных народов может значительно различаться, но в среднем лежит в диапазоне от 70Гц до 3500Гц. Существует понятие – электрический спектр сигнала – область частот, в которой сосредоточена основная энергия сигнала. Основная мощность речевых сигналов сосредоточена в полосе от 150 до 3000 Гц. Установлено, что качество речи получается удовлетворительным при ограничении спектра частотами 300-3400Гц, так как в этой полосе частот сосредоточено 90% энергии речевого сигнала. Эти частоты приняты МСЭ-Т в качестве границ эффективного спектра речи: F = 0,3÷3,4 кГц. При этом слоговая разборчивость составляет около 90%, разборчивость фраз 99% и сохраняется удовлетворительной натуральность и узнаваемость речи. Средняя мощность телефонного сигнала на интервале активности составляет 88 мкВт. Коэффициент активности телефонного сигнала – отношение времени, в течение которого мощность сигнала превышает пороговое значение, к общему времени занятия канала для разговора. При разговоре каждый из собеседников говорит приблизительно 50% времени. Отдельные фразы, слова отделяются паузами. Поэтому коэффициент активности составляет 0,25…0,35. Следовательно, с учетом активности средняя мощность телефонного сигнала составляет 32 мкВт или уровень Р ср =-15дБм0 в точке нулевого относительного уровня, максимальная мощность Р мах =2220мкВт (+3,5 дБм0). СиСПИ ЛК-2 Параметры первичных сигналов. 2 Динамический диапазон D=35÷40дБ, D=10lg(P max /P min ). Пик-фактор Q=14дБ, Q=10lg(P max /P ср ). Количество информации I 8000 Бит/с. 2. Сигналы звукового вещания. Спектр сигналов, возникающий при исполнении музыкальных произведений, чтении литературных текстов лежит в диапазоне частот от 15 до 20000 Гц. При передаче сигналов вещания полоса частот ограничивается. Так для достаточно высокого качества (КВ первого класса) эффективная полоса частот составляет 0,05…10 кГц, для безукоризненного восприятия (КВ высшего класса) 0,03…15 кГц. Средняя мощность сигнала вещания составляет 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт – за минуту и 4500 мкВт за секунду. Максимальная мощность сигнала – 8000 мкВт. D=100 дБ. Для передачи по каналам связи сигнала с таким диапазоном требуется мощная и дорогостоящая аппаратура. Поэтому, не снижая очень заметно качество передачи, динамический диапазон сигналов вещания может быть ограничен до 40- 50 дБ. Количество информации сигналов вещания I=180000 Бит/с. 3. Факсимильные сигналы. Факсимильная связь – передача неподвижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, газетных полос) по каналам связи. Первичный факсимильный сигнал получают в результате электрооптического анализа изображения, т.е. в преобразовании светового потока, отражаемого элементарными площадками изображения в электрические сигналы. Частотный спектр первичного ФС определяется характером передаваемого изображения (частотой чередования черных и белых пятен), скоростью развертки и размерами анализируемого пятна и колеблется в пределах 732 Гц, 1100 Гц, 1465 Гц. D=25 дБ, Q=4,5 дБ, I=до 11,7 кБит/с. 4. Телевизионные сигналы. Первичный телевизионный сигнал также формируется методом построчной развертки передаваемого изображения, с частотой смены кадров – 25 Гц. Спектр видеосигнала зависит от принятого стандарта изображения, для системы SECAM, используемой в России и Франции, энергетический спектр сосредоточен в полосе f=6,5 МГц, а для стандарта PAL – 6 МГц. Причем в стандарте SECAM цветной телевизионный сигнал можно принимать черно-белым телевизором в монохромном режиме, так как в конкретный момент времени для кадра развѐртки передаѐтся только один цвет, СиСПИ ЛК-2 Параметры первичных сигналов. 3 либо красный, либо синий, а зелѐный цвет получается из их разности. Линии задержки для разных цветовых составляющих кадра выравнивают и синхронизируют время свечения соответствующих ячеек экрана, что позволяет получать качественное цветное изображение. D 40 дБ, Q 4,8 дБ, I 80 Мбит/с 5. Телеграфные сигналы и сигналы передачи данных. Первичные сигналы представляют собой последовательность однополярных или 2 х полярных прямоугольных импульсов. Длительность импульсов и определяет скорость передачи В, измеряемую в Бодах, В=1/ и , Бод. Скорость передачи численно равна т.н. тактовой частоте: F т =1/ и , Гц. Спектр телеграфного сигнала занимает полосу от 0 до . Энергетический спектр, т.е. ширина полосы частот, где сосредоточена основная часть энергии находится в полосе частот 0…F т . Понятия D и Q для таких сигналов не используется I min =F т Создаваемые системами передачи каналы связи должны быть универсальными, т.е. пригодными для передачи любых сообщений. С этой целью каналы связи стандартизируют, т.е. определяют жесткие нормы на параметры каналов, обеспечивающие высокое качество и надежность связи. Основным типовым каналом является канал тональной частоты (КТЧ). Другие типы каналов образуются путем объединения того или иного числа КТЧ. Направляющая система (линия связи) – среда распространения электромагнитных волн, используемая для передачи сигналов от переносчика к приемнику. Это могут быть: волоконно-оптические линии связи (ВЛС), кабельные (КЛС), радиорелейные (РРЛ), спутниковые линии связи, волноводы. В свою очередь кабельные линии связи подразделяют на: линии связи симметричного кабеля; линии связи коаксиального кабеля; линии связи оптического кабеля. Основные требования, предъявляемые к построению и эксплуатации телекоммуникационных систем связи (ТКСС): обеспечение высокой надежности (устойчивость к сбоям); живучесть (автоматическая реконфигурация сети); достоверность передачи информации; высокое качество передаваемой информации; дальность передачи информации. СиСПИ ЛК-3 Линии связи 1 Линии связи Существующие типы линий связи (ЛС) в зависимости от используемой среды распространения сигналов принято делить на проводные и радиолинии. К линиям связи предъявляются следующие основные требования: осуществление связи на практически требуемые расстояния; широкополосность и пригодность для передачи различных видов сообщений; защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, коррозии и пр.); стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи; экономичность системы связи в целом. ЛС на основе металлических проводников В простейшем случае проводная ЛС - физическая цепь, образуемая парой металлических проводников. Кабельные ЛС (кабели связи) образованы проводами с изоляционными покрытиями, помещенными в защитные оболочки. По конструкции и взаимному расположению проводников различают симметричные (СК) и коаксиальные (КК) кабели связи. Симметричная цепь состоит из двух совершенно одинаковых в электрическом и конструктивном отношениях изолированных проводников. Еѐ часто называют "витая пара" (TP - twisted pair). Различают экранированные (shielded – STP) и неэкранированные (unshielded – UTP) СК. Коаксиальная цепь представляет собой два цилиндра с совмещенной осью, причем один цилиндр - сплошной внутренний проводник, концентрически расположен внутри другого полого цилиндра (внешнего проводника). Проводники изолированы друг от друга диэлектрическим материалом. Рассмотрим основные параметры кабелей с металлическими проводниками. Коэффициент затухания , дБ/км. Зависит от свойств материалов проводников и изоляционного материала. Наилучшими свойствами (малым сопротивлением) обладают медь и серебро. Коэффициент затухания зависит также от геометрических размеров проводников. СК с большими диаметрами проводников обладают меньшим коэффициентом затухания. Коэффициент затухания КК зависит от соотношения диаметров внешнего и внутреннего проводника. Оптимальными соотношениями являются (материал внешнего проводника): для меди - 3.6, для алюминия - 3.9, для свинца - 5.2. Очень важной характеристикой, фактически определяющей широкополосность системы связи, является зависимость коэффициента затухания от частоты. Если определен граничный коэффициент затухания ГР (обычно он определяется возможностями усилителей или регенераторов), то данному коэффициенту соответствует граничная частота пропускания системы f ГР . Полоса пропускания системы не превышает граничной частоты пропускания. Скорость распространения v, км/мс. С ростом частоты скорость распространения увеличивается, приближаясь к скорости света в вакууме v С 300 км/мс. Данный параметр зависит также от свойств диэлектрика, применяемого в кабеле. СиСПИ ЛК-3 Линии связи 2 Волновое сопротивление Z В (Ом) - сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения, т.е. при условии, что на процесс передачи не влияют несогласованности на концах линии. Волновое сопротивление СК зависит от удельных значений емкости и индуктивности кабеля. Для КК волновое сопротивление определяется как: d D Z Z Д В ln 2 1 , где Z Д - волновое сопротивление диэлектрика, D и d - соответственно диаметры внешнего и внутреннего проводников. Основные требования к СК определены в рекомендации МСЭ-Т G.613. Диаметр жилы СК обычно составляет 0.4...1.2 мм. СК обычно используются в диапазоне частот до 10 МГц. Тип КК Диаметр проводника внешний/внутренний, мм Рекомендация МСЭ-Т Рабочая полоса частот, МГц Мини-КК 0.7 / 2.9 G.621 0.2...20 Малогабаритный КК 1.2 / 4.4 G.622 0.06...70 Нормализованный КК 2.6 / 9.5 G.623 0.06...300 В настоящее время выпускается широкая номенклатура кабелей, отличающихся в зависимости от назначения, области применения, условий прокладки и эксплуатации и пр. Пример конструкции кабеля для магистральной сети КМБ-8/7. В конструкции кабеля предусмотрено несколько коаксиальных цепей разного типа, несколько симметричных пар, а также отдельные изолированные жилы. Последние обычно используются для технологических целей. Воздушные ЛС (ВЛС) не имеют изолирующего покрытия между проводниками, роль изолятора играет слой воздуха. Проводники выполняются, в основном, из биметаллической сталемедной (сталеалюминевой) проволоки. Внутренний диаметр стальной проволоки обычно составляет 1.2...4 мм, толщина внешнего слоя меди (алюминия) - 0.04...0.2 мм. Проволока подвешивается на деревянных или железобетонных опорах с помощью фарфоровых изоляторов. Используемый частотный диапазон ВЛС не превышает 150 кГц. |