По каким основным каналам осуществляет сообщение

Обновлено: 30.06.2024

Технологии передачи и распространения данных и информации.
Телекоммуникации и связь

Информационные технологии распространения информации

Одной из важнейших функций информационных технологий являются технологии распространения и передачи информации (данных). Распространение от передачи информации (перенос ее от источника к приемнику) отличается в основном тем, что в первом случае осуществляется ее безадресная, а во втором случае – адресная передача. При этом распространение информации означает использование программно-технических средств передачи данных и необходимых для этого информационных технологий. Средства передачи данных относятся к средствам связи.

Существуют различные классификации средств связи.
Будем придерживаться определения, что средства связи – это технические системы передачи данных (СПД) и информации на расстояние, образующие канал связи и оконечные устройства приема/передачи.

По видам передаваемых сигналов средства связи делят на аналоговые и цифровые или дискретные.

К аналоговым относят непрерывные сигналы (электрические колебания), как правило, плавно меняющие амплитуду своих значений в течение сеанса передачи информации, например, речь в телефонном канале.

При передаче любых сведений по сетям передачи данных их преобразуют в цифровую форму. Например, по телеграфу передаются закодированные последовательности импульсов. То же происходит при передаче информации между компьютерами по любым телекоммуникациям. Такие сигналы называются дискретными (цифровыми). При передаче информации из ЭВМ в качестве кода используют восьми разрядный двоичный код.

Для передачи цифровых компьютерных данных по телефонным линиям связи их преобразуют в электрические колебания. На приемном конце происходит обратное преобразование электрических колебаний в машинные коды.
Устройства, осуществляющие подобные преобразования, называют модемами.
Дискретные сигналы по аналоговым каналам связи (телефонным и т.п.) передаются после их вторичного уплотнения, что неэффективно, с точки зрения, использования пропускной способности канала.

Линии и каналы связи
Физическая среда распространения информации является общим, связующим звеном любой системы передачи данных и с точки зрения организации связи делится на лини и каналы. Она может представлять собой кабель, атмосферу, тропосферу и космическое пространство и иные среды, в которых распространяются данные.

Линия связи – это физические провода или кабели, соединяющие пункты (узлы) связи между собой, а абонентов – с ближайшими узлами.

Линии связи состоят из одной или нескольких пар проводов (кабелей) и обеспечивают передачу данных на различные расстояния. Для передачи данных образуют среду их распространения – совокупность линий или каналов передачи данных и приемо-передающего оборудования (Рис. 8.1).

Рис. 8.1. Структурная схема линии или канала передачи информации.

В качестве среды распространения используется воздушное и безвоздушное пространство. С другой стороны, в качестве такой среды выступают различные информационные сети. Так, Интернет является средой распространения информации, поскольку представляет единое информационное пространство и средство коммуникации.

Телефонный канал тональной (звуковой, аналоговый) частоты имеет полосу пропускания 300–3400 Гц. Эквивалентный ему цифровой канал обеспечивает передачу данных со скоростью 64 Кбит/с.

Каналы связи образуется различным образом. Они могут быть физическими проводными каналами – образуемыми кабелями связи, волновыми каналами – формируемыми для организации в какой-либо среде (например, эфире) различных видов радиосвязи с помощью антенн и выделенной полосы частот, а так же коммутируемыми и виртуальными – организуемыми на время передачи информации. В ряде случаев считается, что канал связи можно называть линией связи и наоборот. При этом электрические и оптические каналы связи (образуемые соответствующими сигналами) подразделяются на: проводные и беспроводные (радио-, инфракрасные и другие) каналы.

Каналы связи бывают коммутируемые (создаются лишь на время проведения сеанса передачи информации, например, телефонные) и некоммутируемые (выделяются абоненту на продолжительный период времени и не зависят от времени передачи данных – выделенные).

Беспроводные каналы связи
По сравнению с технологиями проводной связи, основными преимуществами беспроводных сетей являются быстрая и удобная установка, низкие затраты и мобильность персонала, обслуживающего системы, так как ненужно создавать проводные (кабельные) каналы и дорогостоящее стационарное оконечное и промежуточное оборудование. В большинстве беспроводных устройств используется технология распространения сигналов в узком диапазоне радиочастот (сотовые телефоны, пейджеры, радиоприемники). Существуют широкополосные и сверхширокополосные устройства, а также устройства с расширенным спектром, излучающие сигналы в широком диапазоне частот. Одним из преимуществ таких устройств является то, что они могут работать в той же среде, что и любые другие беспроводные устройства, использующие ту же полосу частот.

Выделяют три основных типа беспроводных сетей:
1) радиосети свободного радиочастотного диапазона (сигнал передается сразу по нескольким частотам);
2) микроволновые (дальняя и спутниковая связь),
3) инфракрасные (лазерные, передаваемые когерентными пучками света).
Последние являются высокопроизводительными (высокоскоростными) системами. Инфракрасная технология обычно используется в секторе дистанционных устройств управления бытовой электронной техникой. Ограничения ее применения связано с возможностью работы на небольших расстояниях и только в пределах прямой видимости.

Существуют различные типы радиоканалов, отличающиеся используемым частотным диапазоном (короткие, средние, длинные, ультракороткие и сверхвысокочастотные волны) с амплитудной, частотной, фазовой и иной модуляцией и дальностью связи.
По способу организации используют системы одночастотной, двухчастотной и многочастотной радиосвязи.
Одночастотная связь обычно применяется в режиме радиальной радиосвязи, то есть предоставляет возможность всем абонентам сети слышать вызывающего абонента и отвечать ему (симплексный режим).
Для организации прямой связи между двумя удаленными абонентами используется также одноканальная двухчастотная (полудуплексная) радиосвязь – двухчастотный симплекс.
Многоканальные системы полудуплексной радиосвязи формируются на основе транковых и радиорелейных систем.

Радиорелейная связь образуется путём строительства протяженных линий с приёмо-передающими станциями и антеннами (Рис. 8.2).

Рис. 8.2. Радиорелейные линии связи.

Она обеспечивает узкополосную высокочастотную передачу данных между ближайшими антеннами в пределах прямой видимости (примерно 50 км). Скорость передачи данных в такой сети достигает 155 Мбит/с.

Телеграфная связь – один из старейших видов связи. Она изобретена в России в 1832 г. П.Л. Шиллингом и первоначально использовала телеграфные аппараты с узкой рулонной бумажной лентой. Такая связь считается исключительно надежной, но характеризуется низкой скоростью передачи и не предназначена для широкого, особенно частного, использования.

Телефонная связь – самый распространенный вид оперативно-управленческой связи. Официально она появилась 14 февраля 1876 г., когда А. Белл (Александр Грейам, 1847–1922, США) зарегистрировал изобретение первого телефонного аппарата. Первая телефонная станция появилась в 1878 г. также в США (Нью-Хейвен).

Среди большого разнообразия современных телефонных аппаратов, подключаемых к АТС, все чаще используются радиотелефоны, а среди них аппараты, использующие стандарт микросотовой (пикосотовой) связи DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunication – цифровой расширенный беспроводный телекоммуникационный стандарт). Емкость такой сети можно наращивать практически без ограничений, создавая сети DECT, охватывающие любую территорию (даже страны). При этом базовые станции располагаются на расстоянии 100–500 м друг от друга на открытой территории и примерно в 50 м – в помещении. При охвате больших территорий лучше использовать беспроводные сотовые сети типа GSM. Использование таких радиотелефонов обеспечивает в диапазоне 1880–1900 МГц надежную передачу речи и высокую помехоустойчивость.
Современные учрежденческие АТС (УАТС) предусматривают возможность подключения радио-телефонов DECT к локальной телефонной сети. Телефоны стандарта DECT считают самыми безопасными среди беспроводных мобильных аппаратов, т.к. максимальная излучаемая ими мощность не превышает 10 мВт (мощность GSM-аппаратов достигает 2 Вт). Используемый диапазон нечувствителен к помехам и допускает одновременную работу нескольких, расположенных рядом, систем практически в одном частотном диапазоне со скоростью передачи данных до 552 Кбит/с.

Сотовые аппараты поддерживают технологию Bluetooth – способ обмена данными в беспроводных системах на радиочастоте около 2,4 ГГц и расстоянии до 100 м. Она позволяет связывать различные электроприборы, например, для получения удаленного беспроводного доступа к Интернету и мобильному телефону со скоростью до 1 Мбит/с, а также к компьютерам; для организации беспроводной сети между телефоном, ноутбуком и стационарным компьютером.

Средства связи все больше ориентируются на обеспечение передачи различных видов данных. Для этого создаются сети передачи данных, использующие специальные каналы связи и методы передачи данных, предоставляющие пользователям различные виды передачи данных.

Технология передачи данных
Для высокоскоростной передачи данных предпочтительно создавать и использовать специальные каналы и сети передачи данных. Это весьма дорогое мероприятие. При их отсутствии или невозможности воспользоваться ими, передачу данных осуществляют с помощью неприспособленных для этого существующих каналов передачи информации, которые, как правило, не обладают необходимыми характеристиками, например, низкочастотных и низкоскоростных линий и каналов телефонной связи. Проблема решается на аппаратно-программном уровне с помощью высокоскоростного и высоконадежного оборудования, подключаемого к этим каналам, и специального программного обеспечения.

В сетях передачи данных используют специальные программно-технические средства, обеспечивающие соединение сетей между собой и с абонентами, а также высокоскоростную, надежную и, как правило, защищенную передачу различной информации. При этом в сети распространяется только цифровая кодированная информация. Эти сети вместе с используемым для этого каналом связи образуют систему передачи данных (СПД).

Первые такие системы предназначались для обмена данными по низкоскоростным телефонным и телеграфным каналам связи. Скорость передачи телеграфных сигналов измеряется в Бодах. Эта единица впервые введена в 1927 г.

По режиму обмена данными устройства передачи данных (УПД) делятся на симплексные, полудуплексные и дуплексные.

Модем осуществляет автоматический набор телефонного номера в коммутируемых сетях и контроль за безискаженными приемом и передачей информации. Модемы изготавливают для работы в кабельных или беспроводных сетях.

Для того чтобы передавать различную информацию, изначально должна быть создана среда ее распространения, которая представляет собой совокупность линий, или же каналов передачи данных со специализированным приемо-передающим оборудованием. Линии, или же каналы связи, представляют собой связующее звено в любой современной системе передачи данных, и с точки зрения организации подразделяются на два основных типа – это линии и каналы.

Линия связи представляет собой множество кабелей или же проводов, при помощи которых объединяются пункты связи между собой, а абоненты объединяются с ближайшими узлами. При этом каналы связи могут быть созданы самым разным образом в зависимости от особенностей определенного объекта и схемы.

Какими они могут быть?

Они могут представлять собой физические проводные каналы, которые основываются на использовании специализированных кабелей, а также могут быть волновыми. Волновые каналы связи формируются для организации в определенной среде всевозможных видов радиосвязи с использованием антенн, а также выделенной полосы частот. При этом как оптические, так и электрические каналы связи также подразделяются на два основных типа – это проводные и беспроводные. В связи с этим оптический и электрический сигнал может передаваться через провода, эфир, а также множество других способов.

В телефонной сети после того как будет набран номер, канал образуется на то время, пока будет присутствовать соединение, к примеру, между двумя абонентами, а также пока будет поддерживаться сеанс голосовой связи. Проводные каналы связи формируются посредством использования специализированного оборудования уплотнения, при помощи которого можно в течение длительного или же короткого времени передавать через линии связи информацию, которая подается из огромнейшего количества различных источников. Такие линии включают в себя одну или же одновременно несколько пар кабелей и предоставляют возможность передачи данных на достаточно большое расстояние. Вне зависимости от того, какие виды каналов связи рассматриваются, в радиосвязи они представляют собой среду передачи данных, которая организуется для какого-то определенного или же одновременно нескольких сеансов связи. Если речь идет именно о нескольких сеансах, то в таком случае может применяться так называемое частотное распределение.

Какие есть виды?

Точно так же, как и в современных средствах связи, существуют различные виды каналов связи:

Цифровые.
Аналоговые.
Аналогово-цифровые.

Цифровые

Данный вариант является на порядок более дорогостоящим по сравнению с аналоговыми. При помощи таких каналов достигается предельно высокое качество транслирования данных, а также появляется возможность внедрения различных механизмов, с помощью которых достигается абсолютная целостность каналов, высокая степень защищенности информации, а также использование целого ряда других сервисов. Для того чтобы обеспечить передачу аналоговой информации через технические каналы связи цифрового типа, эта информация первоначально преобразуется в цифровую.

В конце 80-х годов прошлого века появилась специализированная цифровая сеть с интеграцией услуг, более известная сегодня многим как ISDN. Предполагается, что такая сеть с течением времени сможет превратиться в глобальную цифровую магистраль, которая обеспечивает соединение офисных и домашних компьютеров, обеспечивая им достаточно большую скорость транслирования данных. Основные каналы связи данного типа могут быть:

Факс.
Телефон.
Устройства передачи данных.
Специализированное оборудование для проведения телеконференций.
И множество других.

В качестве конкуренции таким средствам могут выступать современные технологии, которые сегодня активно используются в сетях кабельного телевидения.

Другие разновидности

В зависимости от того, какая обеспечивается скорость передачи каналов связи, они подразделяются на:

Низкоскоростные. В данную категорию входят всевозможные телеграфные линии, которые отличаются чрезвычайно низкой (почти отсутствующей по нынешним меркам) скоростью передачи данных, которая достигает максимум 200 бит/с.
Среднескоростные. Здесь присутствуют аналоговые телефонные линии, обеспечивающие скорость передачи до 56000 бит/с.
Высокоскоростные или же, как их еще называют, широкополосные. Передача данных по каналам связи данного типа осуществляется на скорости более 56000 бит/с.

В зависимости от того, какие предусматриваются возможности организации направлений передачи данных, каналы связи могут подразделяться на следующие типы:

Симплексные. Организация каналов связи данного типа обеспечивает возможность транслирования данных только в каком-то определенном направлении.
Полудуплексные. Используя такие каналы, данные могут передаваться как в прямом, так и в обратном направлениях.
Дуплексные или же полнодуплексные. Используя такие каналы обратной связи, данные могут одновременно транслироваться в прямом и обратном направлениях.

Проводные

Проводные каналы связи включают в себя массу параллельных или же скрученных медных проводов, волоконно-оптических линий связи, а также специализированных коаксиальных кабелей. Если рассматривать, какие каналы связи используют кабеля, стоит выделить несколько основных:

Витая пара. Обеспечивает возможность передачи информации на скорости до 1 Мбит/с.
Коаксиальные кабели. К этой группе относятся кабели формата TV, включая как тонкий, так и толстый. В данном случае скорость передачи данных уже достигает 15 Мбит/с. Наиболее современный и производительный вариант. Каналы связи передачи информации данного типа предусматривают скорость около 400 Мбит/с, что значительно превышает все остальные технологии.

Витая пара

Представляет собой изолированные проводники, которые между собой попарно свиваются для того, чтобы значительно снизить наводки между парами и проводниками. Стоит отметить, что на сегодняшний день существует семь категорий витых пар:

Первая и вторая применяются для того, чтобы обеспечить низкоскоростную передачу данных, причем первая представляет собой стандартный, хорошо известный всем телефонный провод.
Третья, четвертая и пятая категории используются для обеспечения скоростей передачи до 16, 25 и 155 Мбит/с, при этом разные категории предусматривают различную частоту.
Шестая и седьмая категории являются наиболее производительными. Речь идет о возможности передачи данных на скорости до 100 Гбит/с, что представляет собой самые производительные характеристики каналов связи.

Наиболее распространенной на сегодняшний день является третья категория. Ориентируясь на различные перспективные решения, касающиеся необходимости постоянно развивать пропускную способность сети, наиболее оптимальным будет использовать сети связи (каналы связи) пятой категории, которые обеспечивают скорость транслирования данных через стандартные телефонные линии.

Коаксиальный кабель

Специализированный медный проводник заключается внутрь цилиндрической экранирующей защитной оболочки, которая вьется из достаточно тонких жилок, а также является полностью изолированной от проводника при помощи диэлектрика. От стандартного телевизионного кабеля такой отличается тем, что в нем присутствует волновое сопротивление. Через такие информационные каналы связи данные могут передаваться на скорости до 300 Мбит/с.

Данный формат кабелей подразделяется на тонкий, который имеет толщину 5 мм, а также толстый – 10 мм. В современных ЛВС зачастую принято использовать тонкий кабель, так как он отличается предельной простотой в прокладывании и монтаже. Предельно высокая стоимость при непростой прокладке достаточно сильно ограничивают возможности использования таких кабелей в современных сетях передачи информации.

Сети кабельного телевидения

Такие сети основываются на применении специализированного коаксиального кабеля, аналоговый сигнал через который может транслироваться на расстояние до нескольких десятков километров. Типичная сеть кабельного телевидения отличается древовидной структурой, в которой основной узел получает сигналы со специализированного спутника или же через ВОЛС. На сегодняшний день активно используются такие сети, в которых используется волоконно-оптический кабель, при помощи которого обеспечивается возможность обслуживания больших территорий, а также транслирование более объемных данных, сохраняя при этом предельно высокое качество сигналов при отсутствии повторителей.

При симметричной архитектуре обратный и прямой сигналы транслируются при помощи единственного кабеля в разных диапазонах частот, и при этом с разными скоростями. Соответственно, обратный сигнал медленнее прямого. В любом случае, используя такие сети, можно обеспечить скорость передачи данных в несколько сотен раз больше по сравнению со стандартными телефонными линиями, в связи с чем последние уже давным-давно перестали использовать.

В организациях, в которых устанавливаются собственные кабельные сети, наиболее часто используются симметричные схемы, так как в данном случае как прямая, так и обратная передача данных осуществляется на одной скорости, которая составляет приблизительно 10 Мбит/с.

Особенности использования проводов

Количество проводов, которые могут использоваться для объединения домашних компьютеров и различной электроники, увеличивается с каждым годом. Согласно статистике, полученной в процессе исследований профессиональными специалистами, в 150-метровой квартире прокладывается приблизительно 3 км различных кабелей.

В 90-е годы прошлого века британская компания UnitedUtilities предложила довольно интересное решение данной проблемы при помощи собственной разработки под названием DigitalPowerLine, более известной сегодня по сокращению DPL. Компания предложила использовать стандартные силовые электросети в качестве среды для обеспечения высокоскоростного транслирования данных, осуществляя передачу пакетов информации или же голоса через обыкновенные электрические сети, напряжение которых составляло 120 или 220 В.

Использование технологии PLC на сегодняшний день является актуальным только в условиях транслирования данных на небольшой скорости, в связи с чем используется в домашней автоматике, различных бытовых устройствах и другом оборудовании. При помощи такой технологии достигается возможность выхода в интернет на скорости около 1 Мбит/с для тех приложений, которым требуется высокая скорость соединения.

При небольшом расстоянии между зданием и промежуточной приемопередающей точкой, которой служит трансформаторная подстанция, скорость транслирования данных может достигать 4.5 Мбит/с. Использование данной технологии активно осуществляется при формировании локальной сети в каком-нибудь жилом доме или же небольшом офисе, так как минимальная скорость передачи обеспечивает возможность покрытия расстояния до 300 метров. При помощи этой технологии обеспечивается возможность реализации различных услуг, связанных с дистанционным мониторингом, охраной объектов, а также управлением режимами объектов и их ресурсами, что входит в элементы интеллектуального дома.

Оптоволоконный кабель

Данный кабель составляется из специализированного кварцевого сердечника, диаметр которого составляет всего лишь 10 микронов. Этот сердечник окружается уникальной отражающей защитной оболочкой, внешний диаметр которой составляет около 200 микрон. Передача данных осуществляется посредством трансформации электрических сигналов в световые, используя, к примеру, какой-нибудь светодиод. Кодирование данных осуществляется посредством изменения интенсивности светового потока.

Осуществляя передачу данных, луч, который отражается от стенок волокна, в котором итоге поступает на приемный конец, имея при этом минимальное затухание. При помощи такого кабеля достигается предельно высокая степень защиты от воздействия со стороны каких-либо внешних электромагнитных полей, а также достигается достаточно высокая скорость передачи данных, которая может достигать 1000 Мбит/с.

Используя оптоволоконный кабель, есть возможность одновременной организации работы сразу нескольких сотен тысяч телефонных, видеотелефонных, а также телевизионных каналов. Если говорить о других преимуществах, присущих таким кабелям, стоит отметить следующие:

Предельно высокая сложность несанкционированного подключения.
Максимально высокая степень защиты от каких-либо возгораний.
Достаточно высокая скорость передачи данных.

Однако если говорить о том, какие недостатки имеют такие системы, стоит выделить то, что они являются довольно дорогостоящими и обуславливают необходимость в трансформации световых лазеров в электрические и наоборот. Использование таких кабелей в преимущественном большинстве случаев осуществляется в процессе прокладки магистральных линий связи, а уникальные свойства кабеля сделали его еще и достаточно распространенным среди провайдеров, обеспечивающих организацию сети интернет.

Коммутация

Помимо всего прочего, каналы связи могут быть коммутируемыми или же некоммутируемыми. Первые создаются только на определенное время, пока нужно передавать данные, в то время как некоммутируемые выделяются абоненту на конкретный промежуток времени, и не имеют никакой зависимости от того, в течение какого времени осуществлялась передача данных.

WiMAX

Такие линии, в отличие от традиционных технологий радиодоступа, могут функционировать также на отраженном сигнале, который не находится в прямой видимости той или иной базовой станции. Мнение экспертов сегодня однозначно сходится в том, что такие мобильные сети раскрывают для пользователей огромные перспективы по сравнению с фиксированным WiMAX, который является предназначенным для корпоративных заказчиков. В этом случае информация может транслироваться на достаточно большое расстояние (до 50 км), при этом характеристики каналов связи данного типа включают в себя скорость до 70 Мбит/с.

Спутниковые

Спутниковые системы предусматривают использование специализированных антенн СВЧ-диапазона частот, которые используются для приема радиосигналов от каких-либо наземных станций, и потом ретранслируют полученные сигналы обратно на другие наземные станции. Стоит отметить, что такие сети предусматривают использование трех основных видов спутников, располагающихся на средних или низких, а также геостационарных орбитах. В преимущественном большинстве случаев принято запускать спутники группами, так как, разносясь друг от друга, с их помощью обеспечивается охват всей поверхности нашей планеты.

7. ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

7.1. Каналы связи

Линия связи, ( line ) (рис. 21) состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи является термин канал связи ( channel ).

Рис. 21. Состав линии связи

Физическая среда передачи данных ( medium ) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на следующие (рис. 22):

· кабельные (медные и волоконно-оптические);

· радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Рис. 22. Типы линий связи

Проводные (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. Скоростные качества и помехозащищенность этих линий минимальна. 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 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 ( twisted pair ). Витая пара существует в экранированном варианте ( Shielded Twistedpair , STP) и неэкранированном ( Unshielded TwistedPair , UTP). Скручивание проводов снижает влияние внешних помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Коаксиальный кабель ( coaxial ) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения — для локальных сетей, глобальных сетей, кабельного телевидения и т.п. Волоконно-оптический кабель ( opticalfiber ) состоит из тонких (5-60 мкм) волокон, по которым распространяются световые сигналы. 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 обеспечивает защиту данных от внешних помех.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Существует большое количество различных типов каналов. Диапазоны коротких, средних и длинных волн (KB, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции ( Amplitude Modulation , AM), 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 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и, для устойчивой связи, требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые, либо радиорелейные каналы.

В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические. Спутниковые каналы и радиосвязь используются в тех случаях, когда кабельные связи применить нельзя — например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользователем сети.

Аппаратура передачи данных ( АПД или DCE — Data Circuit terminating Equipment ) непосредственно связывает компьютеры или локальные сети и является, таким образом, пограничным оборудованием. Примерами DCE являются модемы, терминальные адаптеры сетей ISDN, оптические модемы, устройства подключения к цифровым каналам. Обычно DCE работает на физическом уровне, отвечая за передачу и прием сигнала нужной формы и мощности в физическую среду.

Аппаратура пользователя линии связи, вырабатывающая данные и подключаемая непосредственно к аппаратуре передачи данных, обобщенно носит название оконечное оборудование данных (ООД или DTE — Data Terminal Equipment ). Примером DTE могут служить компьютеры или маршрутизаторы локальных сетей. Эту аппаратуру не включают в состав линии связи.

Промежуточная аппаратура обычно используется на линиях связи большой протяженности и решает две основные задачи:

улучшение качества сигнала;
создание постоянного составного канала связи между двумя абонентами сети.

В глобальных сетях необходимо обеспечить качественную передачу сигналов на большие расстояния. Поэтому без усилителей сигналов, установленных через определенные расстояния, построить территориальную линию связи невозможно.

Промежуточная аппаратура канала связи прозрачна для пользователя. В действительности промежуточная аппаратура образует сложную сеть, которую называют первичной сетью, так как сама по себе она никаких высокоуровневых служб не поддерживает, а только служит основой для построения компьютерных, телефонных или иных сетей.

В зависимости от типа промежуточной аппаратуры все линии связи делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов. Для создания высокоскоростных каналов, которые мультиплексируют несколько низкоскоростных аналоговых абонентских каналов, обычно используется техника частотного мультиплексирования ( Frequency Division Multiplexing , FDM).

В цифровых линиях связи передаваемые сигналы имеют конечное число состояний. С помощью таких сигналов передаются как компьютерные данные, так и оцифрованные речь и изображение. В цифровых каналах связи промежуточная аппаратура улучшает форму импульсов и обеспечивает их ресинхронизацию (то есть восстанавливает период их следования). Промежуточная аппаратура образования высокоскоростных цифровых каналов работает по принципу временного мультиплексирования каналов ( Time Division Multiplexing , TDM), когда каждому низкоскоростному каналу выделяется определенная доля времени (тайм-слот или квант) высокоскоростного канала.

К основным характеристикам линий связи относятся:

амплитудно-частотная характеристика;
полоса пропускания;
затухание;
помехоустойчивость;
перекрестные наводки на ближнем конце линии;
пропускная способность;
достоверность передачи данных;
удельная стоимость.

Основными являются пропускная способность и достоверность передачи данных. Они характеризуют как линии связи, так и способ передачи данных.

Из теории гармонического анализа известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд (рис. 23). Каждая синусоида называется также гармоникой, а набор всех гармоник называют спектральным разложением исходного сигнала. Непериодические сигналы можно представить интегралом синусоид с непрерывным спектром частот (от 0 до + ∞) (рис. 24).

Рис.23. Представление периодического сигнала суммой синусоид

Рис.24. Спектральное разложение идеального импульса

Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо частоты приводит к искажению передаваемого сигнала любой формы, особенно если синусоиды различных частот искажаются неодинаково. В результате сигналы могут плохо распознаваться.

Линия связи искажает передаваемые сигналы из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных . Так, медные провода всегда представляют собой некоторую комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки (это наиболее ярко проявляется в области высоких частот). Волоконно-оптический кабель также имеет отклонения, мешающие идеальному распространению света.

Кроме искажений сигналов, вносимых внутренними физическими параметрами линии связи, существуют и внешние помехи. Они создаются различными электрическими двигателями, электронными устройствами, атмосферными явлениями и т. д.

Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается с помощью таких характеристик, как амплитудно-частотная характеристика и полоса пропускания.

Амплитудно-частотная характеристика (рис. 25) показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала.

Рис. 25. Амплитудно-частотная характеристика

Знание амплитудно-частотной характеристики реальной линии позволяет определить форму выходного сигнала для любого входного сигнала.

Полоса пропускания ( bandwidth ) - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел (обычно 0,5). То есть определяет диапазон частот синусоидального сигнала, которые передаются без значительных искажений. Этот параметр зависит от типа лин ии и ее протяженности.

Пропускная способность ( throughput ) линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду — бит/с, а также в производных единицах, таких как килобит секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.

Пропускная способность линий связи и коммуникационного сетевого оборудования традиционно измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно. Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням 10 (килобит - это 1000 бит, а мегабит - это 1 000 000 бит).

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как амплитудно-частотная характеристика, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис. 26).

Рис. 26. Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала

Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодированием.

Теория информации говорит, что любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию. Так большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала — частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой.

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах ( baud ). Период времени между соседними изменениями информационного сигнала называется тактом работы передатчика. Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод, это соотношение зависит от способа кодирования.

На пропускную способность линии оказывает влияние не только физическое, но и логическое кодирование. Логическое кодирование выполняется до физического кодирования и подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей дополнительными свойствами. Другим примером логического кодирования может служить шифрация данных, обеспечивающая их конфиденциальность при передаче через общественные каналы связи.

Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии и тем выше пропускная способность линии при фиксированном способе физического кодирования. Однако с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается его ширина спектра. Чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации оказывается меньше.

Связь между полосой пропускания лин ии и ее максимально возможной пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон:

где С – максимальная пропускная способность линии, бит/с;

F – ширина полосы пропускания линии, Гц ;

Р_С – мощность сигнала;

Р_Ш – мощность шума.

Из этого соотношения видно, что хотя теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания не существует. Однако повышение мощности передатчика ведет к значительному увеличению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15 % увеличения пропускной способности линии.

Близким по сути к формуле Шеннона является соотношение, полученное Найквистом, которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи:

где М — количество различимых состояний информационного параметра.

Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности канала увеличивают это количество до значительных величин, но на практике оно ограничено из-за шума на линии.

Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной — волоконно-оптические линии.

Перекрестные наводки на ближнем конце ( Near End Cross Talk — NEXT) определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. Показатель NEXT, выраженный в децибелах: , где Р_ВЫХ и Р_НАВ — мощность выходного и наведенного сигнала.

В связи с тем, что в некоторых новых технологиях используется передача данных одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стал применяться показатель PowerSUM , являющийся модификацией показателя NEXT. Этот показатель отражает суммарную мощность перекрестных наводок от всех передающих пар в кабеле.

Достоверность передачи данных или интенсивность битовых ошибок ( Bit Error Rate , BER) характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Величина BER для каналов связи составляет, как правило, 10 -4 -10 -6 , в оптоволоконных линиях связи — 10 -9 . Значение достоверности передачи данных, например, в 10 -4 говорит о том, что в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита.

По видам передаваемых сигналов средства связи делят на аналоговые и цифровые или дискретные.

Рис. 8.1. Структурная схема линии или канала передачи информации.

В зависимости от возможностей организации направлений передачи информации каналы связи делятся на:

Рис. 8.2. Радиорелейные линии связи.

Современные УПД состоят из устройств преобразования сигналов, защиты от ошибок и других вспомогательных систем. Основным устройством, обеспечивающим прием-передачу машиночитаемых данных по сетям связи, является модем.

Читайте также: