Среда передачи данных - линии (или каналы) связи, по которым компьютеры могут обмениваться информацией.
В случае если топология сети не является полносвязной, различные узлы вынуждены использовать для передачи своих данных одни и те же линии связи. На рис. узлы A и Б используют общий канал для передачи сообщений узлу В, т. е. среда передачи данных используется несколькими устройствами или узлами сети. В этом случае среда называется разделяемой.
Подключение компьютера к разделяемой среде осуществляется с помощью сетевого адаптера.
В зависимости от используемой среды передачи данных линии связи делятся на:
Проводные;
Кабельные;
Беспроводные.
Проводные линии связи строятся с использованием телефонных или телеграфных проводов. Такая среда обладает низкими показателями скорости передачи данных и помехозащищенности, поэтому при построении сети при наличии возможности предпочитают использовать кабель или радиодиапазон.
Тем не менее на сегодняшний момент существуют быстро развивающиеся технологии, позволяющие в качестве линий связи использовать электрические провода. Привлекательными такие технологии делает возможность использования уже проложенных проводов. По этим проводам осуществляется энергоснабжение домов, квартир, офисов, предприятий и т. д., а может параллельно осуществляться и информационный обмен.
Кабельные линии строятся на основе специальных кабелей, представляющих собой проводники, заключенные в несколько слоев изоляции.
Промышленностью выпускается большое число видов кабеля, но для построения компьютерных сетей применяется три основных типа:
Высокочастотные коаксиальные кабели с медной жилой;
Кабели на основе витых пар медных проводников;
Оптоволоконные (или волоконно-оптические) кабели. Для кабелей характерны следующие параметры:
Полоса пропускания - частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем;
Задержка распространения сигнала;
Помехозащищенность кабеля - степень защищенности кабеля от воздействия помех и наводок, возникающих как во внешней среде, так и на внутренних проводниках самого кабеля;
Затухание - степень потери мощности сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности на входе этой линии.
Волновое сопротивление (для электрических кабелей) - полное сопротивление, которое встречает электромагнитная волна определенной частоты при распространении вдоль однородной цепи.
Коаксиальный кабель – этоцентральный медный проводник, заключенный в металлическую оплетку (экран) и отделенный от нее диэлектриком. Металлическая оплетка обычно покрывается внешней изолирующей оболочкой (рис. 1.). Она служит для передачи информации, а также защищает внутреннюю жилу кабеля от помех, вызываемых посторонними электромагнитными полями, т. е. экранирует ее.
Наиболее часто коаксиальный кабель применяется в сетях с топологией типа «общая шина»
Рис. 1. «Толстый» (а) и «тонкий» (б) коаксиальный кабель:
/ -центральный проводник; 2 - экранирующая оплетка; 3 - изолирующая
оболочка; 4 - диэлектрик
«Толстый» коаксиальный кабель (RG-8, RG-11) имеет
· волновое сопротивление 50 Ом,
· диаметр центрального медного провода 2,17 мм
· внешний диаметр порядка 10 мм.
«Тонкий» коаксиальный кабель (RG-58) имеет
· волновое сопротивление 50 Ом
· диаметр внутреннего проводника составляет 0,89 мм
· внешний диаметр порядка 5 мм.
Кабель на основе витых пар - это несколько пар, скрученных попарно медных изолированных проводников, заключенных в общую диэлектрическую оболочку.
Такой кабель может быть экранированным (STP) и неэкранированным (UTP). В экранированном кабеле каждая витая пара помещается в металлическую оплетку. Это способствует увеличению помехозащищенности линии связи, а также улучшению защиты от «прослушивания».
Кабель на неэкранированной витой паре в настоящее время являются основной средой передачи данных для неоптических технологий.
В зависимости от характеристик кабели на витых парах разделяются на пять категорий:
Кабели категории 3 (UTP 3) имеют полосу пропускания 16 МГц. Использовались как для передачи данных, так и для передачи голоса, поэтому в настоящее время кабельные системы многих зданий построены на кабеле третьей категории.
Кабели категории 4 (UTP 4) - улучшенный вариант кабеля категории 3, полоса пропускания 20 МГц, повышенная помехоустойчивость и низкие потери. На практике применялся редко, в основном там, где было необходимо увеличить длину сегмента сети.
Кабели категории 5 (UTP 5) специально разработаны для поддержки высокоскоростных технологий. Полоса пропускания кабеля категории 5-100 МГц. Кабель категории 5 в настоящее время заменил кабель категории 3, и все новые технологии локальных сетей ориентируются именно на него.
Особое место занимают кабели категорий 6 и 7, которые выпускаются сравнительно недавно и имеют полосу пропускания 200 и 600 МГц соответственно. Кабели категории 7 обязательно экранируются; категории 6 могут быть как экранированными, так и нет. Они используются в высокоскоростных сетях на отрезках большей длины, чем кабели пятой категории. Эти кабели значительно дороже и по стоимости приближаются к волоконно-оптическим кабелям.
Оптоволоконный кабель состоит из одного или нескольких оптических волокон (световодов), сделанных из кварцевого стекла и заключенных в общую защитную оболочку.
- 
Рис. 2. Типы оптоволоконного кабеля:
а - многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления; б - многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления; в - одномодовое волокно; 1 - мода 1; 2 - мода 2; 3 - стеклянная оболочка; 4 - сердцевина
Каждый световод состоит из стеклянной сердцевины (центрального проводника) с высоким показателем преломления, и стеклянной оболочки, обладающей низким показателем преломления света. За счет этого лучи света распространяются по сердцевине, последовательно отражаясь от внутренней границы стеклянной оболочки.
В зависимости от характера распространения света оптоволоконный кабель делится на (рис. 2):
Одномодовоеволокно;
Многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления;
Многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления.
Мода луча - это угол отражения луча в сердцевине.
В одномодовых кабелях применяются сердцевины с очень малым диаметром - 8-9 мкм, что соизмеримо с длиной волны света, поэтому в таком кабеле возможно существование только одной моды.
На рынке распространен одномодовый кабель 9/125 мкм. В этом обозначении 9 мкм соответствует диаметру сердцевины оптоволокна, а 125 мкм - диаметру стеклянной оболочки.
Производство стеклянного волокна столь малого диаметра является сложным технологическим процессом, что делает одномодовый кабель весьма дорогим. Однако его характеристики, по сравнению с более дешевыми многомодовыми кабелями, существенно выше, что позволяет использовать его при передаче данных на большие расстояния.
В многомодовом оптоволокне используются более широкие сердечники, что делает их дешевле, нежели одномодовый кабель. Наиболее распространены многомодовые кабели 50/125 мкм и 62,5/125 мкм. В сердцевине такого диаметра свет может распространяться по различным путям, отражаясь под разными углами - существует более одной моды луча.
Множество мод приводит к дисперсии импульса передачи, интерференции лучей, что в итоге приводит к ухудшению характеристик кабеля. Поэтому многомодовые кабели используются в основном при передаче данных на небольшие расстояния (до 2000 м) на скоростях не более 1 Гбит/с.
При передаче по оптоволоконным кабелям в качестве источника света используются полупроводниковые лазеры или светодиоды. Длина волны излучаемого ими света обычно равна 850, 1300 или 1550 нм, что соответствует определенным «окнам прозрачности» самого волокна.
На рис. 1 приняты следующие обозначения: X, Y, Z, W – сигналы, сообщения; f – помеха; ЛС – линия связи; ИИ, ПИ – источник и приемник информации; П – преобразователи (кодирование, модуляция, декодирование, демодуляция).
Существуют различные типы каналов, которые можно классифицировать по различным признакам:
1.По типу линий связи: проводные; кабельные; оптико-волоконные;
линии электропередачи; радиоканалы и т.д.
2. По характеру сигналов: непрерывные; дискретные; дискретно-непрерывные (сигналы на входе системы дискретные, а на выходе непрерывные, и наоборот).
3. По помехозащищенности: каналы без помех; с помехами.
Каналы связи характеризуются:
1. Емкость канала определяется как произведениевремени использования канала T к, ширины спектра частот, пропускаемых каналом F к и динамического диапазона D к . , который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов
V к = T к F к D к. (1)
Условие согласования сигнала с каналом:
V c £ V k ; T c £ T k ; F c £ F k ; V c £ V k ; D c £ D k .
2.Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени.
3.
4. Избыточность – обеспечивает достоверность передаваемой информации (R = 0¸1).
Одной из задач теории информации является определение зависимости скорости передачи информации и пропускной способности канала связи от параметров канала и характеристик сигналов и помех.
Канал связи образно можно сравнивать с дорогами. Узкие дороги – малая пропускная способность, но дешево. Широкие дороги – хорошая пропускная способность, но дорого. Пропускная способность определяется самым «узким» местом.
Скорость передачи данных в значительной мере зависит от передающей среды в каналах связи, в качестве которых используются различные типы линий связи.
Проводные:
1. Проводные – витая пара (что частично подавляет электромагнитное излучение других источников). Скорость передачи до 1 Мбит/с. Используется в телефонных сетях и для передачи данных.
2. Коаксиальный кабель. Скорость передачи 10–100 Мбит/с – используется в локальных сетях, кабельном телевидении и т.д.
3. Оптико-волоконная. Скорость передачи 1 Гбит/с.
В средах 1–3 затухание в дБ линейно зависит от расстояния, т.е. мощность падает по экспоненте. Поэтому через определенное расстояние необходимо ставить регенераторы (усилители).
Радиолинии:
1.Радиоканал. Скорость передачи 100–400 Кбит/с. Использует радиочастоты до 1000 МГц. До 30 МГц за счет отражения от ионосферы возможно распространение электромагнитных волн за пределы прямой видимости. Но этот диапазон сильно зашумлен (например, любительской радиосвязью). От 30 до 1000 МГц – ионосфера прозрачна и необходима прямая видимость. Антенны устанавливаются на высоте (иногда устанавливаются регенераторы). Используются в радио и телевидении.
2.Микроволновые линии. Скорости передачи до 1 Гбит/с. Используют радиочастоты выше 1000 МГц. При этом необходима прямая видимость и остронаправленные параболические антенны. Расстояние между регенераторами 10–200 км. Используются для телефонной связи, телевидения и передачи данных.
3. Спутниковая связь . Используются микроволновые частоты, а спутник служит регенератором (причем для многих станций). Характеристики те же, что у микроволновых линий.
2. Пропускная способность дискретного канала связи
Дискретный канал представляет собой совокупность средств, предназначенных для передачи дискретных сигналов .
Пропускная способность канала связи – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины.Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени. Определим выражения для расчета скорости передачи информации и пропускной способности дискретного канала связи.
При передаче каждого символа в среднем по каналу связи проходит количество информации, определяемое по формуле
I (Y, X) = I (X, Y) = H(X) – H (X/Y) = H(Y) – H (Y/X) , (2)
где: I (Y, X) – взаимная информация, т.е.количество информации, содержащееся в Y относительно X ; H(X) – энтропия источника сообщений; H (X/Y) – условная энтропия, определяющая потерю информации на один символ, связанную с наличием помех и искажений.
При передаче сообщения X T длительности T, состоящего из n элементарных символов, среднее количество передаваемой информации с учетом симметрии взаимного количества информации равно:
I(Y T , X T) = H(X T) – H(X T /Y T) = H(Y T) – H(Y T /X T) = n . (4)
Скорость передачи информации зависит от статистических свойств источника, метода кодирования и свойств канала.
Пропускная способность дискретного канала связи
. (5)
Максимально-возможное значение, т.е. максимум функционала ищется на всем множестве функций распределения вероятности p(x) .
Пропускная способность зависит от технических характеристик канала (быстродействия аппаратуры, вида модуляции, уровня помех и искажений и т.д.). Единицами измерения пропускной способности канала являются: , , , .
2.1 Дискретный канал связи без помех
Если помехи в канале связи отсутствуют, то входные и выходные сигналы канала связаны однозначной, функциональной зависимостью.
При этом условная энтропия равна нулю, а безусловные энтропии источника и приемника равны, т.е. среднее количество информации в принятом символе относительно переданного равно
I (X, Y) = H(X) = H(Y); H (X/Y) = 0.
Если Х Т – количество символов за время T , то скорость передачи информации для дискретного канала связи без помех равна
(6)где V = 1/ – средняя скорость передачи одного символа.
Пропускная способность для дискретного канала связи без помех
(7)
Т.к. максимальная энтропия соответствует для равновероятных символов, то пропускная способность для равномерного распределения и статистической независимости передаваемых символов равна:
. (8)
Первая теорема Шеннона для канала:Если поток информации, вырабатываемый источником, достаточно близок к пропускной способности канала связи, т.е.
, где - сколь угодно малая величина,
то всегда можно найти такой способ кодирования, который обеспечит передачу всех сообщений источника, причем скорость передачи информации будет весьма близкой к пропускной способности канала.
Теорема не отвечает на вопрос, каким образом осуществлять кодирование.
Пример 1. Источник вырабатывает 3 сообщения с вероятностями:
p 1 = 0,1; p 2 = 0,2 и p 3 = 0,7.
Сообщения независимы и передаются равномерным двоичным кодом (m = 2 ) с длительностью символов, равной 1 мс. Определить скорость передачи информации по каналу связи без помех.
Решение: Энтропия источника равна
[бит/с].
Для передачи 3 сообщений равномерным кодом необходимо два разряда, при этом длительность кодовой комбинации равна 2t.
Средняя скорость передачи сигнала
V =1/2 t = 500 .
Скорость передачи информации
C = vH = 500 × 1,16 = 580 [бит/с].
2.2 Дискретный канал связи с помехами
Мы будем рассматривать дискретные каналы связи без памяти.
Каналом без памяти называется канал, в котором на каждый передаваемый символ сигнала, помехи воздействуют, не зависимо от того, какие сигналы передавались ранее. То есть помехи не создают дополнительные коррелятивные связи между символами. Название «без памяти» означает, что при очередной передаче канал как бы не помнит результатов предыдущих передач.
Каналы связи (КС) служат для передачи сигнала и являются общим звеном любой системы передачи информации.
По физической природе каналы связи подразделяются на механические, используемые для передачи материальных носителей информации, акустические , оптические и электрические , передающие соответственно звуковые, световые и электрические сигналы.
Электрические и оптические каналы связи в зависимости от способа передачи сигналов можно подразделить на проводные, использующие для передачи сигналов физические проводники (электрические провода, кабели, световоды), и беспроводные, использующие для передачи сигналов электромагнитные волны (радиоканалы, инфракрасные каналы).
По форме представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговые , по которым информация передается в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины, и цифровые, передающие информацию, представленную в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов различной физической природы.
В зависимости от возможных направлений передачи информации каналы связи подразделяются на симплексные, позволяющие передавать информацию только в одном направлении; полудуплексные , обеспечивающие попеременную передачу информации как в прямом, так и в обратном направлениях; дуплексные , позволяющие вести передачу информации одновременно в прямом и обратном направлениях.
Каналы связи бывают коммутируемые , которые создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации, а по окончании передачи такой канал ликвидируется (разъединяется), и некоммутируемые (выделенные), создаваемые на длительное время и имеющие постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности.
Широко используемые в автоматизированных системах обработки информации и управления электрические проводные каналы связи различаются по пропускной способности:
низкоскоростные, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бит/с. Это телеграфные каналы связи, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;
среднескоростные, использующие аналоговые (телефонные) каналы связи; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах V.32 - V.34 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и от 14400 до 56 000 бит/с;
высокоскоростные (широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации свыше 56 000 бит/с.
Для передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС физической средой обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных проводов, называемых витая пара. Она представляет собой изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения как перекрестных электромагнитных наводок, так и затухания сигнала при передаче на высоких частотах.
Для организации высокоскоростных (широкополосных) КС используются различные кабели:
Экранированные с витыми парами из медных проводов;
Неэкранированные с витыми парами из медных проводов;
Коаксиальные;
Оптоволоконные.
STP-кабели (экранированные с витыми парами из медных проводов) имеют хорошие технические характеристики, но неудобны в работе и дороги.
UTP-кабели (неэкранированные с витыми парами из медных проводов) довольно широко используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях.
Выделяют пять категорий витых пар: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая - при скоростях передачи соответственно до 16,25 и 155 Мбит/с. Эти кабели обладают хорошими техническими характеристиками, сравнительно недороги, удобны в работе, не требуют заземления.
Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оболочкой. Скорость передачи данных по коаксиальному кабелю довольно высокая (до 300 Мбит/с), но он недостаточно удобен в работе и имеет высокую стоимость.
Оптоволоконный кабель (рис. 8.2) состоит из стеклянных или пластиковых волокон диаметром несколько микрометров (свето-ведущая жила) с высоким показателем преломления п с, окруженных изоляцией с низким показателем преломления n 0 и помещенных в защитную полиэтиленовую оболочку. На рис. 8.2, а показано распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля, а на рис. 8.2, б - схема распространения лучей. Источником излучения, распространяемого по оптоволоконному кабелю, является светодиод или полупроводниковый лазер, приемником излучения - фотодиод, который преобразует световые сигналы в электрические. Передача светового луча по волокну основана на принципе полного внутреннего отражения луча от стенок световедущей жилы, за счет чего обеспечивается минимальное затухание сигнала.
Рис. 8.2. Распространение лучей по оптоволоконному кабелю:
а - распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля;
б - схема распространения лучей
Кроме того, оптоволоконные кабели обеспечивают защиту передаваемой информации от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи до 1000 Мбит/с. Кодирование информации осуществляется с помощью аналоговой, цифровой или импульсной модуляции светового луча. Оптоволоконный кабель достаточно дорогой и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи, например, проложенный по дну Атлантического океана кабель связывает Европу с Америкой. В вычислительных сетях оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных участках, в частности, в Internet. По одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сотен тысяч телефонных, несколько тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов связи.
Высокоскоростные КС организуются на базе беспроводных радиоканалов.
Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Для формирования радиоканала используются радиопередатчик и радиоприемник. Скорости передачи данных по радиоканалу практически ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры. Радиоволновый диапазон определяется используемой для передачи данных частотной полосой электромагнитного спектра. В табл. 8.1 представлены диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы.
Для коммерческих телекоммуникационных систем чаще всего используются частотные диапазоны 902 - 928 МГц и 2,40 - 2,48 ГГц.
Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и быстроту реакции.
Телефонные линии связи наиболее разветвлены и распространены. Они осуществляют передачу звуковых (тональных) и факсимильных сообщений. На базе телефонной линии связи построены информационно-справочные системы, системы электронной почты и вычислительных сетей. На базе телефонных линий могут быть созданы аналоговые и цифровые каналы передачи информации.
В аналоговых телефонных линиях телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который и передается по абонентской линии в АТС. Требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот составляет примерно 3 кГц (диапазон 300 Гц -3,3 кГц). Передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи.
В цифровых каналах связи аналоговый сигнал перед вводом дискретизируется - преобразуется в цифровую форму: каждые 125 мкс (частота дискретизации равна 8 кГц) текущее значение аналогового сигнала отображается 8-разрядным двоичным кодом.
Таблица 8.1
Диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы
1. Основные определения
2. Проводные линии связи
3. Аналоговые каналы передачи данных
4. Модемы
5. Амплитудная модуляция
6. Частотная и фазовая модуляция
7. Квадратурно-амплитудная модуляции
8. Организация дуплексной связи
9. Многоканальная аппаратура
10. Протоколы физического уровня для модемной связи
11. Протоколы канального уровня для модемной связи
12. Кодово-импульсная модуляция
13. Цифровые каналы передачи данных
14. Беспроводные каналы связи
15. Спутниковые каналы передачи данных
16. Сети мобильной связи
17. Оптические линии связи
1. Основные определения. Среда передачи данных - совокупность линий передачи данных и блоков взаимодействия (т.е. сетевого оборудования, не входящего в станции данных), предназначенных для передачи данных между станциями данных. Среды передачи данных могут быть общего пользования или выделенными для конкретного пользователя.
Линия передачи данных - средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении. Примерами линий передачи данных являются коаксиальный кабель, витая пара проводов, световод.
Характеристиками линий передачи данных являются зависимости затухания сигнала от частоты и расстояния. Затухание принято оценивать в децибеллах, 1 дБ = 10*lg(P1/P2), где Р1 и Р2 - мощности сигнала на входе и выходе линии соответственно.
При заданной длине можно говорить о полосе пропускания (полосе частот) линии. Полоса пропускания связана со скоростью передачи информации . Различают бодовую (модуляционную ) и информационную скорости. Бодовая скорость измеряется в бодах, т.е. числом изменений дискретного сигнала в единицу времени, а информационная - числом битов информации, переданных в единицу времени. Именно бодовая скорость определяется полосой пропускания линии.
Если на бодовом интервале (между соседними изменениями сигнала) передается N бит, то число градаций модулируемого параметра несущей равно 2 N . Например, при числе градаций 16 и скорости 1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с и информационная скорость составит 4800 бит/с.
Максимально возможная информационная скорость V связана с полосой пропускания F канала связи формулой Хартли-Шеннона (предполагается, что одно изменение величины сигнала приходится на log 2 k бит, где k - число возможных дискретных значений сигнала)
V = 2*F*log 2 k бит/с,
так как V = log 2 k/t, где t - длительность переходных процессов, приблизительно равная 3*Т В, а Т В = 1/(2*p *F), Здесь k ? 1+A, A - отношение сигнал/помеха.
Канал (канал связи) - средства односторонней передачи данных. Примером канала может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM - Frequency Division Method), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.
Канал передачи данных - средства двустороннего обмена данными, включающие АКД и линию передачи данных.
По природе физической среды передачи данных (ПД) различают каналы передачи данных на оптических линиях связи, проводных (медных) линиях связи и беспроводные. В свою очередь, медные каналы могут быть представлены коаксиальными кабелями и витыми парами, а беспроводные - радио- и инфракрасными каналами.
В зависимости от способа представления информации электрическими сигналами различают аналоговые и цифровые каналы передачи данных. В аналоговых каналах для согласования параметров среды и сигналов применяют амплитудную, частотную, фазовую и квадратурно-амплитудную модуляции. В цифровых каналах для передачи данных используют самосинхронизирующиеся коды, а для передачи аналоговых сигналов - кодово-импульсную модуляцию.
Первые сети ПД были аналоговыми, поскольку использовали распространенные телефонные технологии. Но в дальнейшем устойчиво растет доля цифровых коммуникаций (это каналы типа Е1/Т1, ISDN, сети Frame Relay, выделенные цифровые линии и др.)
В зависимости от направления передачи различают каналы симплексные (односторонняя передача), дуплексные (возможность одновременной передачи в обоих направлениях) и полудуплексные (возможность попеременной передачи в двух направлениях).
В зависимости от числа каналов связи в аппаратуре ПД различают одно- и многоканальные средства ПД. В локальных вычислительных сетях и в цифровых каналах передачи данных обычно используют временное мультиплексирование, в аналоговых каналах - частотное разделение.
Если канал ПД монопольно используется одной организацией, то такой канал называют выделенным, в противном случае канал является разделяемым или виртуальным (общего пользования).
К передаче информации имеют прямое отношение телефонные сети, вычислительные сети передачи данных, спутниковые системы связи, системы сотовой радиосвязи.
2. Проводные линии связи. В вычислительных сетях проводные линии связи представлены коаксиальными кабелями и витыми парами проводов.
Используются коаксиальные кабели: "толстый" диаметром 12,5 мм и "тонкий" диаметром 6,25 мм. "Толстый" кабель имеет меньшее затухание, лучшую помехозащищенность, что обеспечивает возможность работы на больших расстояниях, но он плохо гнется, что затрудняет прокладку соединений в помещениях, и дороже "тонкого".
Существуют экранированные (STP - Shielded Twist Pair) и неэкранированные (UTP - Unshielded Twist Pair) витые пары проводов. Экранированные пары сравнительно дороги. Неэкранированные витые пары имеют несколько категорий (типов). Обычный телефонный кабель - пара категории 1. Пара категории 2 может использоваться в сетях с пропускной способностью до 4 Мбит/с. Для сетей Ethernet (точнее, для ее варианта с названием 10Base-T) разработана пара категории 3, а для сетей Token Ring - пара категории 4. Наиболее совершенной является витая пара категории 5, которая применима при частотах до 100 МГц. В паре категории 5 проводник представлен медными жилами диаметром 0,51 мм, навитыми по определенной технологии и заключенными в термостойкую изолирующую оболочку. В высокоскоростных ЛВС на UTP длины соединений обычно не превышают 100 м. Затухание на 100 МГц и при длине 100 м составляет около 24 дБ, при 10 МГЦ и 100 м - около 7 дБ.
Витые пары иногда называют сбалансированной линией в том смысле, что в двух проводах линии передаются одни и те же уровни сигнала (по отношению к земле), но разной полярности. При приеме воспринимается разность сигналов, называемая парафазным сигналом. Синфазные помехи при этом самокомпенсируются.
3. Аналоговые каналы передачи данных. Типичным и наиболее распространенным типом аналоговых каналов являются телефонные каналы общего пользования (каналы тональной частоты). В каналах тональной частоты полоса пропускания составляет 0,3...3,4 кГц, что соответствует спектру человеческой речи.
Для передачи дискретной информации по каналам тональной частоты необходимы устройства преобразования сигналов, согласующие характеристики дискретных сигналов и аналоговых линий. Кроме того, в случае непосредственной передачи двоичных сигналов по телефонному каналу с полосой пропускания 0,3...3,4 кГц скорость передачи не превысит 3 кбит/с. Действительно, пусть на передачу одного бита требуются два перепада напряжения, а длительность одного перепада ТВ = (3...4)/(6,28*FВ), где FВ - верхняя частота полосы пропускания. Тогда скорость передачи есть В < 1/(2*ТВ).
Согласование параметров сигналов и среды при использовании аналоговых каналов осуществляется с помощью воплощения сигнала, выражающего передаваемое сообщение, в некотором процессе, называемом переносчиком и приспособленном к реализации в данной среде. Переносчик в системах связи представлен электромагнитными колебаниями U некоторой частоты, называемой несущей частотой:
U = U m *sin(v *t+y),
где U m - амплитуда, v - частота, y - фаза колебаний несущей. Изменение параметров несущей (переносчика) по закону передаваемого сообщения называется модуляцией . Если это изменение относится к амплитуде U m , то модуляцию называют амплитудной (АМ), если к частоте v - частотной (ЧМ), и если к фазе y - фазовой (ФМ). При приеме сообщения предусматривается обратная процедура извлечения полезного сигнала из переносчика, называемая демодуляцией . Модуляция и демодуляция выполняются в устройстве, называемом модемом.
4. Модемы . Модем - устройство преобразования кодов и представляющих их электрических сигналов при взаимодействии аппаратуры окончания канала данных и линий связи. Слово "модем" образовано из частей слов "модуляция" и "демодуляция", что подчеркивает способы согласования параметров сигналов и линий связи - сигнал, подаваемый в линию связи, модулируется, а при приеме данных из линии сигналы подвергаются обратному преобразованию (рис. 2.1).
Общие определения
Для построения компьютерных сетей применяются линии связи, использующие различную физическую среду. В качестве физической среды в коммуникациях используются: металлы (в основном медь), сверхпрозрачное стекло (кварц) или пластик и эфир. Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель ««витая пара», коаксиальный кабель, волоконно-оптический кабель и окружающее пространство.
Линии связи , или линии передачи данных – это промежуточная аппаратура и физическая среда, по которой передаются информационные сигналы (данные).
В одной линии связи можно образовать несколько каналов связи (виртуальных или логических каналов), например путем частотного или временного разделения каналов. Канал связи – это средство односторонней передачи данных. Если линия связи монопольно используется каналом связи, то в этом случае линию связи называют каналом связи .
Канал передачи данных – это средства двухстороннего обмена данными, которые включают в себя линии связи и аппаратуру передачи (приема) данных. Каналы передачи данных связывают между собой источники информации и приемники информации.
В зависимости от физической среды передачи данных линии связи можно разделить следующим образом:
· проводные линии связи без изолирующих и экранирующих оплеток;
· кабельные, где для передачи сигналов используются такие линии связи, как кабели «витая пара», коаксиальные кабели или оптоволоконные кабели;
· беспроводные (радиоканалы наземной и спутниковой связи), использующие для передачи сигналов электромагнитные волны, которые распространяются по эфиру.
Проводные линии связи
Проводные (воздушные) линии связи используются для передачи телефонных и телеграфных сигналов, а также для передачи компьютерных данных. Эти линии связи применяются в качестве магистральных линий связи.
По проводным линиям связи могут быть организованы аналоговые и цифровые каналы передачи данных. Скорость передачи по проводным линиям «простой старой телефонной линии» (POST – Primitive Old Telephone System) является очень низкой. Кроме того, к недостаткам этих линий относятся плохая помехозащищенность и возможность простого несанкционированного подключения к сети.
Кабельные линии связи
Кабельные линии связи имеют довольно сложную структуру. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции. В компьютерных сетях используются три типа кабелей:
1) витая пара;
2) коаксиальный кабель;
3) оптоволоконный кабель.
Витая пара (twisted pair ) – кабель связи, который представляет собой витую пару медных проводов (или несколько пар проводов), заключенных в экранированную оболочку (рис. 8.2, а). Пары проводов скручиваются между собой с целью уменьшения наводок. Витая пара является достаточно помехоустойчивой. Существует два типа этого кабеля: неэкранированная витая пара (UTP) и экранированная витая пара (STP).
Характерным для этого кабеля является простота монтажа. Данный кабель является самым дешевым и распространенным видом связи, который нашел широкое применение в самых распространенных локальных сетях с архитектурой Ethernet, построенных по топологии типа «звезда». Кабель подключается к сетевым устройствам при помощи соединителя RJ45.
Рис. 8.2. Кабельные линии связи: а – витая пара; б – коаксиальный кабель;
в – оптоволоконный кабель
Кабель используется для передачи данных на скорости 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.
Витая пара обычно используется для связи на расстояние не более нескольких сот метров. К недостаткам кабеля «витая пара» можно отнести возможность простого несанкционированного подключения к сети.
Коаксиальный кабель (coaxial cable ) – это кабель с центральным медным проводом, который окружен слоем изолирующего материала для того, чтобы отделить центральный проводник от внешнего проводящего экрана (он состоит из медной оплетки или слоя алюминиевой фольги). Внешний проводящий экран кабеля покрывается изоляцией (рис. 8.2, б).
Существует два типа коаксиального кабеля: тонкий коаксиальный кабель диаметром 5–6 мм и толстый коаксиальный кабель диаметром 10–12 мм. У толстого коаксиального кабеля затухание меньше, чем у тонкого. Стоимость коаксиального кабеля выше стоимости витой пары и выполнение монтажа сети сложнее, чем витой парой.
Коаксиальный кабель применяется, например, в локальных сетях с архитектурой Ethernet, построенных по топологии типа «общая шина». Коаксиальный кабель более помехозащищенный, чем витая пара и снижает собственное излучение. Пропускная способность – 50–100 Мбит/с. Допустимая длина линии связи – несколько километров. Несанкционированное подключение к коаксиальному кабелю сложнее, чем к витой паре.
Оптоволоконный кабель (fiber optic ) – это оптическое волокно на кремниевой или пластмассовой основе, заключенное в материал с низким коэффициентом преломления света, который закрыт внешней оболочкой.
Оптическое волокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон (рис. 8.2, в). На передающем конце оптоволоконного кабеля требуется преобразование электрического сигнала в световой, а на приемном конце обратное преобразование.
Основное преимущество кабеля этого типа – чрезвычайно высокий уровень помехозащищенности и отсутствие излучения. Несанкционированное подключение очень сложно. Скорость передачи данных 3 Гбит/c. Основные недостатки оптоволоконного кабеля – это сложность его монтажа, небольшая механическая прочность и чувствительность к ионизирующим излучениям.
Беспроводные каналы передачи данных (радиоканалы наземной и спутниковой связи)
Радиоканалы наземной (радиорелейной и сотовой) и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн и относятся к технологии беспроводной передачи данных.
Радиорелейные каналы связи состоят из последовательности станций, являющихся ретрансляторами. Связь осуществляется в пределах прямой видимости, дальности между соседними станциями – до 50 км. Цифровые радиорелейные линии связи (ЦРРС) применяются в качестве региональных и местных систем связи и передачи данных, а также для связи между базовыми станциями сотовой связи.
В спутниковых системах используются антенны СВЧ-диапазона частот для приема радиосигналов от наземных станций и ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. В спутниковых сетях используются три основных типа спутников, которые находятся на геостационарных орбитах, средних или низких орбитах. Спутники запускаются, как правило, группами. Разнесенные друг от друга они могут обеспечить охват почти всей поверхности Земли. Целесообразнее использовать спутниковую связь для организации канала связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможности обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках. Пропускная способность высокая – несколько десятков мегабит в секунду.
