Принцип передачи данных но цифровым каналам связи рассмотрим на примере системы ИКМ-30
Передающей средой в ИКМ-системах служит цифровой линейный тракт (ЛТ)), структура которого приведена на рис.3.49. Он включает передающее и приемное оконечное оборудование ЛТ участки линии связи к регенераторы, для согласования структуры цифрового сигнала с ЛТ в передающую и приемную части оконечного оборудования входят соответственно кодер (КЛТ)) и декодер (ДЛТ) линейного тракта. При использовании кабельных линий связи цифровые сигналы передаются в основной полосе частот с использованием линейного кодирования. Местоположение регенератора и обработка цифрового сигнала в нем выбираются так, чтобы обеспечить требуемую помехоустойчивость при минимизации затрат на создание цифрового тракта. Передача данных может осуществляться для самых разных целей. Будь то - потоковое видео, перекачка баз данных, видеонаблюдение через интернет, телефонные переговоры, как в режиме с коммутацией каналов, так и с использованием интернет-технологий. Для всех этих применений канал остается примерно одинаковым. Разве что для видеосигнала он будет намного шире, чем для передачи текста.
Задачей передающей части оконечного оборудования является дискретизация аналоговых речевых сигналов, временное объединение полученных дискретов их квантование; и кодирование. На выходе квантователя сигнал имеет такую же структуру, как и сигнал данных. Поэтому возможно объединение телефонных сообщений и данных. На приемном конце осуществляются обратные преобразования (разъединение сигналов, восстановление дискретов по линейному коду, и их цифроаналоговое преобразование).
Временное уплотнение сигналов в ИКМ-системах требует жесткой синхронизации передающего и приемного оборудования. Для этого предусматривается синхронизация генераторов приемной станции по тактовой частоте, циклам и сверхциклам цифрового патока. Тактовая синхронизация обеспечивает равенство скорости обработки сигналов на оконечных станциях. Цикл передачи группового цифрового сигнала состоит из канальных интервалов (КИ), синхросигналов (СС), сигналов управления и взаимодействия (СУВ) вспомогательных сигналов и сигналов данных. Структура группового сигнала ИКМ, показанная на рис.3.50, включает 32 КИ, а ее тактовая частота J- определяется частотой дискретизации речевых сигналов fg = 8 кГц, числом разрядов кодовой комбинации для представления дискретов п = log2256=8 и числом каналов Nk = 32. Для ИКМ-30 f t= 8-8-32 = 2048 кГц.
Цифровая синхронизация обеспечивает правильное распределение кодовых символов в КИ, согласованное с передающей стороной. Синхросигнал располагается в начале цикла и его структура такова, что он легко обнаруживается на приемной стороне (рис.3.50а). В ИКМ-30 кодовая синхрогруппа имеет вид 0011011 исследует с частотой 4 кГц (в КИ нечетных циклов).
Синхронизация системы распределения сигналов управления и взаимодействия между узлами коммутации обеспечивается формированием сверхцикловой синхронизации (СЦС), кодовые группы которой имеют структуру 0000 и передастся через каждые 16 циклов в 17-м КИ, то есть с интервалом следования 126 мксх16=2 мс (рис.З.50б). Для обеспечения работы системы передачи в структуру цикла и сверхцикла включаются служебные символы, помеченные X,U , V , а на рис.З.50а. Буквы а,в,с,d означают символы четырех сигнальных каналов, приписываемых соответствующему каналу.
Следовательно система ИКМ-30, как и любая другая цифровая система, позволяет совмещенный режим использования для передачи аналоговой и дискретной информации (речевых сообщений и сообщений данных). Имеется возможность часть (или все) КИ занимать сигналами данных.
Появление цифровых каналов в системах связи дало возможность исключить в АПД необходимость реализации дорогостоящего процесса модуляции и демодуляции двоичных сигналов. Оконечная аппаратура цифровых систем каналообразования позволяет вводить цифровые сигналы в систему передачи без преобразования. Это существенное преимущество цифровых систем позволило осуществлять интеграцию на основе различных видов связи. Однако следует помнить, что аппаратура цифровых систем (прежде всего, систем с ИКМ с дельта-модуляцией ДМ и их разновидностями создавалась для передачи речевых (аналоговых) сигналов, что определило технические решения этой аппаратуры, в частности выбор частоты дискретизации и числа элементов кодовых комбинаций. При передаче данных существен не столько уровень передаваемого сигнала, сколько верность определения его значащих моментов (переход из состояния "1" в состояние "0" или наоборот). Параметры цифровой системы, в которой организуются каналы передачи данных, определяет их качественные характеристики. Кодовые комбинации полученные в результате преобразования сигналов передачи данных, отличаются от кодовых комбинаций аналоговых телефонных сигналов как числом символов в кодовых комбинациях, так и частотой дискретизации. Обычно требуется, чтобы длительность самого короткого импульса (сигнала) передачи данных была больше0 периода стробирования (дискретизации) входного сигнала. Принцип передачи цифровых сигналов, включая сигналы данных, путем передает информации о моменте изменения значащего состояния цифрового сигнала и направлений его изменения позволяет организовать "прозрачные" системы передачи данных,т.е. системы неналагающие требований на применяемый для сигналов данных код, на скорость их модуляции и способ синхронизации
Ввод и передача сигналов данных через оконечные устройства цифровых систем каналообразования могут быть осуществлены двояко: путем непосредственного стробирования сигналов данных и передачи информации о значащих позициях этих сигналов (простое наложение) либо путей опознавания моментов изменений значащих позиций и передачи кодированной информация о них
Метод простого наложения
При этом методе сигналы данных вводятся на канальные входы оконечных устройств цифровых систем и стробируются последовательностью стробирующих импульсов. Результирующий сигнал, состоящий из последовательностей стробирующих импульсов, соответствующих состоянию I двоичного сигнала, вводится в линейный тракт. В приемном оборудовании переданный сигнал восстаналивается по огибающей принятой импульсной последовательности. Форма импульсов передаваемого, стробирующего, линейного и принятого сигналов показана на рис.3.51. При таком методе передачи стробирущие импульсы не синхронизированы с сигналом данных. Это приводит к тому, что передача значащих моментов модуляции происходит с ошибкой, которая меньше периода повторения стробирущих импульсов Те. Степень краевых искажений равняется
где То - длительность единичного элемента сигнала данных.
Для обеспечения высокой вероятности передачи (уменьшения краевых искажений) в системе с простым наложением необходимо повышать частоту следования стробирующих импульсов.
Требуемую частоту стробирования можно определить для заданной величины Те и ожидаемой величины краевых искажений. В случае передачи сигналов данных с низкой скоростью модуляции эта частота значительно меньше частоты дискретизации 8 кГц, используемой в системах передачи с ИКМ Поэтому для полного использования емкости цифрового канала в нем можно образовать несколько низкочастотных каналов передачи сигналов данных. Число таких каналов можно определить как
где f. - частота стробирования (дискретизации) цифровой системы;
N - скорость модуляции сигнала данных;
§„ - коэффициент допустимых искажений сигнала данных.
При регистрации принимаемых сигналов ошибка в двоичном сигнале появляется только тогда, когда момент ошибочного приема импульса из цифрового тракта попадает в середину единичного элемента сигнала да4:-1ых. Коэффициент размножения ошибок eL = I.» если число ошибок в двоичном сигнале в То/То раз меньше числа ошибок в цифровом тракте. Заметим, что метод простого наложения не пригоден для систем передачи данных с высокой скоростью модуляции ввиду малой степени использования пропускной способности цифрового канала. Так при частоте стробирования 64 кГц и краевых искажениях 2% степень использования цифрового канала составляет лишь 2,%. Поэтому такой метод применяют для передачи данных по цифровым каналам лишь при скорости передачи до 1200 бит/с.
Метод скользящего индекса.
Этот принцип основан на принципе кодовой передачи информации о наличии перехода в сигнале данных и его положении в интервале времени мезду следующими друг эа другом тактовьыи импульсами. Эта информация содержится в кодовых комбинациях, состоящие из i > 3 элементов. Первый элемент кодовой комбинации несет информацию о наличии или отсутствии изменений значащей позиции двоичного сигнала, следующий или последующий злр-мент*о направлении этого изменения, остальннз ё. -2 элементов определяют положение момента изменения значащей позиций двоичного сигнала по отношения к тактовым импу^сам считывания. Процесс формирования кодовых комбинаций представлен на ряс.3.52.
Краевые искажения при этом методе передачи данных но цкфровьм каналам в 2 раза меньше, чем при методе простого наложения при той же частоте стробирования и скорости передачи сигнала данных. Номер подынтервала, в котором наблюдается переход â сигнале данных, передается двоичным кодом. Начало передачи номера определяется стартовым элементом, всегда являющимся " единицей" (импульс 5 на рис.3.52). Положение этого импульса не синхронизировано с последовательностью импульсов цифрового тракта. Это вызывает скольжение стартового импульса по временной оси. отсюда и название метода скользящего индекса
В случае возникновения единичной ошибки (ложный импульс) в цифровом тракте приемная аппаратура может интерпретировать ее как стартовый импульс следующей кодовой комбинации. Ложный прием сигнала данных будет продолжаться до момента прихода очередной кодовой комбинации, возвращающей согласование принятого и переданного состояния, что на рис.3.52 представлено заштрихованной областью принимаемого сигнала. Это происходит потому, что в принимаемом двоичном сигнале возникает больше ошибок, чем единичных ложных импульсов в цифровом тракте.
Размножение ошибок, свойственных этому методу, можно избежать путем объединения метода скользящего импульса с методом простого наложения, который используется для подтверждения значащих позиций сигнала данных. При такой модификации метода передачи стробирующие импульсы подается в цифровой тракт тогда. когда элемент сигнала данных представляет собой состояние "I".
Появление перехода в сигнале данных приводит к тому, что первый элемент на выходе кодера принимает значение (состояние), противоположное значению предшествующего элемента. Он также играет роль стартового импульса кодовой комбинации, определяющей момент изменения состояния по отношению к последовательности цифрового тракта (считывания). В этом случае коэффициент использования цифрового тракта выше, чем при методе бег подтверждения, благодаря содержащейся в одном элементе двоичной информации о наличии перехода и его направлении.
Метод фиксированного индекса
Этот метод отличается от описанных выше принципом передачи информации о значащих моментах сигнала данных и направлении изменения полярности импульсов в фиксированные моменты. Фиксированные частоты повторения опорных импульсов приводят к тому, что при этом методе не требуется использовать стартовые элементы в определенных кодовых комбинациях. Однако недостатком метода является ограничение пропускной способности канала по сравнению с методом скользящего индекса при использовании одинакового числа кодовых импульсов.
Объединение потоков (группообразование)
Задача цифрового группообразования состоит во временном объединении нескольких цифровых сигналов, получаемых от разных источников, в единый цифровой сигнал (поток) с соответственно большей скоростью передачи. На передаче необходимо объединение сигналов от нескольких источников, а на приеме разделение группового цифрового сигнала (потока) на составляющие каждого подканала.
Принцип цифрового группообразования можно уяснить из рис.3.53. Некоторое число цифровых сигналов с одинаковой скоростью передачи и определенной фазой подается на вход коммутатора (распределителя), который представляет соответствующий интервал времени для каждого входного сигнала. На выходе коммутатора формируется составной сигнал У, который состоит из совокупности входных сигналов. Если на другом конце тракта включен аналоговый коммутатор, работающий в фазе (согласовано) с передающим, то составной сигнал может быть снова разделен на первоначальные сигналы. Такой способ формирования составного сигнала называется чередованием символов. Этот термин означает, что в составном сигнале рядом друг с другом расположены символы последовательных входных сигналов. Очевидно, что возможно также цифровое группообразование с чередованием канальных временных интервалов или чередованием циклов. По сравнению с двумя другими метод чередования символов имеет следующие преимущества:
- емкость памяти, которую необходимо использовать для каждого входного сигнала намного (порядка нескольких символов) меньше;
- информационные символы низкоскоростных сигналов равномерно расположены в цикле системы высшего порядка. Здесь нарушение в какой-либо из систем низшего порядка не препятствует передаче остальных низкоскоростных сигналов;
- структура цикла системы высшего порядка не зависит от структуры цикла систем низшего порядка;
- декорреляция ошибок в элементах кодовой комбинации;
- чередование символов обеспечивает равномерное размещение информационных символов также и в случае неполного использования пропускной способности системы высшего порядка
На практике сигналы, подлежащие объединению, имеют как разные скорости, так к переменные фазы. Разница в скоростях является следствием того, что различные системы передачи управляются независимыми задающими генераторами; кроме того, колебания скорости передачи возникают иэ-эа фазового дрожания, вызванного линейным трактом.
Изменения фазы могут быть трех типов: постоянный дрейф вследствие постоянной разницы частот, кратковременные флуктуации фазы и долговременные (суточные, сезонные) изменения фазы, вызванные изменениями времени распространения в линиях передачи вследствие изменений температуры.
Для того чтобы процесс цифрового группообразования мог осуществляться без ошибок и потерь информации, аппаратура цифрового группообразования должна обеспечить синхронизацию цифровых сигналов, подлежащих объединению. Далее кратко рассмотрим два используемых на практике метода цифрового группообразования, позволяющие достичь синхронизма объединяемых сигналов: синхронное цифровое группообразования и асинхронное цифровое группообразования методом цифрового выравнивания (методом стаффинга).
Главной особенностью синхронного цифрового группообразования является использование только одного задающего генератора, частота которого соответствует скорости объединенного сигнала аппаратуры группообразования. Сигналы синхронизации для аппаратуры систем низшего порядка получаются именно от этого генератора. Структурная схема системы синхронного объединения четырех входных цифровых сигналов низшего порядка с тактовой частотой f, в единый выходной цифровой поток высшего порядка с тактовой частотой f^ представлена на рис.3.54. Зависимость мезвду частотами f, и 4< имеет следующий вид:
где f - избыточность цикла или отношение числа долоянитель-ных символов в цикле к числу информационных символов.
Синхронизация от задающего генератора происходит следующим образом. Основной задающий генератор, размещенный в оборудовании цифрового группообразования B, управляет работой передающей части оборудования. Цифровой сигнал высшего порядка передается по линейному тракту в оборудование цифрового группообразования C, где выделяется сигнал синхронизации для приемной и передающей частей. Сигнал синхронизации для приемной части оборудования цифрового группообразования В выделяется из информации, поступающей от оборудования С. Кроме того, в передающих частях оборудования цифрового группообразования В и С выделяется сигнал синхронизации систем передачи низшего порядка, служащий для выделения информации этих систем. Из информации, передаваемой в конкретный комплект аппаратуры низшего порядка (а), Ад, Дт, Д,), извлекается синхросигнал с частотой, который управляет работой передающий и приемкой частей этой аппаратуры. Информация из четырех комплектов аппаратуры А1 и четырех комплектов Д передается с тактовой частотой соответственно к оборудованию цифрового группообразования В и С, в которых эта информация должна считываться с частотой, принятой за опорную. Следует обратить внимание, что все четыре цифровых сигнала низшего порядка, поступающие на вход оборудования В или С, имеют одну и ту же скорость передачи (тактовую частоту) , в тоже время фазы отдельных сигналов могут отличаться и могут изменяться во времени. Учитывая изменения фазы сигнала, на входе оборудования группообразования В и С необходимо применять соответствующие устройства буферной памяти. Емкость памяти должна бить больно максимальных изменений времени распространения сигнала. Отсюда следует основной недостаток синхронного цифрового группообразования - емкость памяти должна увеличиваться с увеличением длины линий связи, а при определенной емкости длина линии должна быть ограничена. Отсюда как следствие еще да недостатка, а именно: негибкость и ограниченные возможности использования такого оборудования на сети.
Более широко используется на практике группообразования, использующее метод цифрового выравнивания/метод стаффинга).
Цифровым выравниванием называется метод доведения изменяющейся скорости объединяемого цифрового сигнала до некоторой опорной скорости, которой в данном случае является скорость системы высшего порядка в пересчете на один цифровой сигнал низшего порядка. Выравнивание осуществляется путем введения в цифровой сигнал дополнительных выводов (выравнивающих символов), либо удаления информационных символов, значения которых передаются в приемное устройство с помощью дополнительного служебного канала. Для того чтобы в приемном устройстве можно было восстановить исходный цифровой сигнал в первоначальном виде, информация о любой операции, проведенной в передатчике, посылается в приемник, в котором осуществляется обратная операция. Различают три вида цифрового выравнивания: положительное, отрицательное и двустороннее.
При положительном выравнивании предполагается, что сумма максимальных скоростей входных сигналов, подлежащих объединению, меньше скорости составного сигнала. Входные сигналы проходят через устройства синхронизации, которые определяют, насколько надо увеличить их скорость, чтобы они были синхронны с сигналом системы высшего порядка. Входной сигнал дополняется определенным числом символов. Информация о дополнительных символах передается на приемной станции» где эти символы будут опущены как излишние. В цикле системы высшего порядка есть определенное место, в котором может находиться выравнивающий импульс, поэтому на приемную сторону линии достаточно лишь послать информацию о том что имело место цифровое выравнивание
При отрицательном цифровом выравнивании предполагается» что частота записи в устройстве памяти передающего оборудования f1 больше частоты считывания f2 . В связи с этим память будет наполняться до ее переполнения, однако прежде чем это произойдет пороговая схема контроля задержит запись на время, равное длительности одного символа. Информация о том, что произошло удаление символа, а также его значение передается по служебному каналу на. приемную сторону. Приемное устройство выделяет эту информацию задерживает считывание из приемного устройства памяти на время, равное длительности одного символа (который был удален в передатчике). Ввиду отсутствия преимуществ отрицательное выравнивание в качестве самостоятельного метода цифрового группообразования не используется, так как реализуется с помощью более сложных устройств.
На практике большой интерес представляет (положительно-отрицательное) двустороннее цифровое выравнивание Здесь, если скорость входного сигнала меньше номинальной, то этот сигнал передается с положительным выравниванием, если больше номинальной с отрицательным выравниванием. Преимуществом такого выравнивания является его универсальность, т.е. возможность синхронной и асинхронной работы при одной и той же структуре цикла, В качестве примера можно привести аппаратуру цифровой системы передачи "Импульс".
В этой аппаратуре используется последовательное объединение (разъединение) на циклической основе единичных элементов каналов (девять синхронно-асинхронных "цифровых каналов со скоростью 4,8 кбит/с, один цифровой канал со скорость» 2,4 кбит/с, один "прозрачный" телеграфный канал со скоростью до 100 бит.
Контрольные вопросы
1. Как объяснить тот факт, что с ростом скорости передачи данных по каналам ТЧ растет вероятность ошибки, если не принимать специальных мер защиты?
2. Начертите временную диаграмму сигнала данных в канале ТЧ при скорости передачи 1200 и 2400 бит/с и частотном методе модуляции.
3. В каком соотношении находятся между собой частоты несущего и модулирующего колебаний в модемах
4. Укажите сходства и различия между сигналами с частотной и фазовой модуляцией.
5. Докажите, что при малых индексах модуляции ширина спектра сигнала практически равна удвоенной верхней частоте модуляции
6. Нарисовать осциллограммы и спектры импульсов, удовлетворяющих первому критерию Найквиста.
7. Почему демодуляция ОВП-сигнала весьма чувствительна к качеству синхронизации?
8. Нарисовать амплитудно-фазовую диаграмму для КАМ-32 АФМ-З2
9. Какова взаимосвязь удельной скорости передачи и значения log2m
10. Изобразите амплитуда-векторную диаграмму для ТОФМ при различных размахах фазового дрожания.
11. Выберите методы модуляции для передачи данных по каналу ТЧ со скоростями передачи битов данных 4,8; 9,6 и 16 кбит/с.
12. Сравните влияние характеристик каналов ТЧ на сигналы ОФМ типа рис.3.12 и типа рис.3.47 при одинаковой скорости передачи битов данных.
Передача данных (обмен данными , цифровая передача, цифровая связь) - физический перенос данных (цифрового битового потока) в видесигналов от точки к точке или от точки к нескольким точкам средствами электросвязи по каналу передачи данных, как правило, для последующей обработки средствами вычислительной техники. Примерами подобных каналов могут служить медные провода, ВОЛС, беспроводные каналы передачи данных или запоминающее устройство.
Передаваемые данные могут быть цифровыми сообщениями, идущими из источника данных, например, из компьютера или от клавиатуры. Это может быть и аналоговый сигнал - телефонный звонок или видеосигнал, оцифрованный в битовый поток, используя импульсно-кодирующую модуляцию (PCM) или более расширенные схемы кодирования источника (аналого-цифровое преобразование и сжатие данных). Кодирование источника и декодирование осуществляется кодеком или кодирующим оборудованием.
Частотное и временное разделение каналов
Временное мультиплексирование
Временное мультиплексирование – так же иногда называется мультиплексирование с разделением по времени. По англ. TDM (Time Division Multiplexing).
Т.е. у нас есть множество потоков данных, которое нам нужно передать, и мы назначаем поочередно каждому из этих потоков интервал времени. Поэтому каждый передающийся поток будет знать свое время передачи данных. Временное мультиплексирование используется в колонках, когда происходит чередование правой колонки с левой. Так же технологию TDM используют, когда нужно передать несколько телефонных звонков по одному каналу.
Частотное разделение
Частотное разделение – так же иногда его называют мультиплексирование с разделением по частоте. По англ. FDM (Frequency Division Multiplexing). Обычно диапазон частот пропускного канала велик и мы можем каждому из потоков присвоить свой частотный канал, по которому будет передаваться только он.
Частотное разделение имеет широкое применение. Например, радио, где каждой волне соответствует своя частота; на телевидении каждому каналу так же присвоена своя частота вещания.
По каналам передаются данные, которые называются трафиком. Трафик – общее количество пройденных данных по каналу связи в Мбитах.
Проводные линии связи
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.
Витая пара (twisted pair) - кабель связи, который представляет собой витую пару медных проводов (или несколько пар проводов), заключенных в экранированную оболочку. 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.
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 (медной оплетки или слой алюминиевой фольги). Внешний проводящий экран кабеля покрывается изоляцией.
Существует два типа коаксиального кабеля: тонкий коаксиальный кабель диаметром 5 мм и толстый коаксиальный кабель диаметром 10 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.
Кабельные оптоволоконные каналы связи . 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. На передающем конце оптоволоконного кабеля требуется преобразование электрического сигнала в световой, а на приемном конце обратное преобразование.
Основное преимущество этого типа кабеля – чрезвычайно высокий уровень помехозащищенности и отсутствие излучения. Несанкционированное подключение очень сложно. Скорость передачи данных 3Гбит/c. Основные недостатки оптоволоконного кабеля – это сложность его монтажа, небольшая механическая прочность и чувствительность к ионизирующим излучениям.
Беспроводные линии связи
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 выступают зависимости затухания сигнала от частоты и расстояния. Затухание принято оценивать в децибеллах, 1 дБ = 10 Ig (Р1/Р2), где Р1 и Р2 – мощности сигнала на входе и выходе линии соответственно.
При заданной длине можно определить полосу пропускания (полосу 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 -п 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 2N. 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 Iog 2 k бит, где k – число возможных дискретных значений сигнала), бит/с,
V = 2 F Iog 2 k,
где k = 1 + А; А – отношение мощности сигнала/мощности помехи.
Канал (канал связи) – средство 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, т. е. 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 обоих 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).
Аналоговые каналы передачи данных . 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 FB), где FB – 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 (w t + у),
где U m – амплитуда; w – частота; у – 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 (AM), если к частоте w – частотной (ЧМ), и если к фазе у – фазовой (ФМ). При приеме сообщения предусматривается обратная процедура извлечения полезного сигнала из переносчика, называемая демодуляцией. Модуляция и демодуляция выполняются в устройстве, называемом модемом.
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. 3.24).
Рис. 3.24. Связь узлов сети с помощью модемов: М – модем; Т – терминал; КК – кластерный контроллер
Модем выполняет функции аппаратуры окончания канала данных.
В качестве оконечного оборудования обычно выступает компьютер, в котором имеется приемопередатчик – микросхема DART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Приемопередатчик подключается к модему через один из последовательных портов компьютера и последовательный интерфейс RS-232C, в котором обеспечивается скорость не ниже 9,6 кбит/с на расстоянии до 15 м.
Более высокая скорость (до 1000 кбит/с на расстояниях до 100 м) обеспечивается интерфейсом RS-422, в котором используются две витые пары проводов с согласующими сопротивлениями на концах, образующие сбалансированную линию.
Цифровые каналы передачи данных. Различают несколько технологий связи, основанных на цифровых каналах передачи данных.
Связь ООД с АКД (например, компьютера с модемом или низкоскоростными периферийными устройствами) чаще всего осуществляется при помощи последовательных интерфейсов RS-232C, RS-422 (их аналогами в системе стандартов ITU являются V.24, V.11), а связь ООД с цифровыми сетями передачи данных – при помощи интерфейсов Х.21, Х.35, G.703 * .
В качестве магистральных цифровых каналов передачи данных в США и Японии используют стандартную многоканальную систему Т1 (иначе DS-1). Она включает 24 цифровых канала, называемых DS-0 (Digital Signal-0). И каждом канале применена кодово-импульсная модуляция с частотой следования отсчетов 8 кГц и с квантованием сигналов по 256 уровням, что обеспечивает скорость передачи 64 кбит/с на один канал, или 1554 кбит/с на аппаратуру Т1. В Европе более распространена аппаратура Е1 с 32 каналами по 64 кбит/с, т. е. с общей скоростью 2048 кбит/с. Применяются также каналы ТЗ (или DS-3), состоящие из 28 каналов Т1 (45 Мбит/с) и Е3
(34 Мбит/с) преимущественно в частных высокоскоростных сетях.
В Т1 использовано временное мультиплексирование. Все 24 канала передают в мультиплексор по байту, образуя 192-битный кадр с добавлением одного бита синхронизации. Двадцать четыре кадра составляют суперкадр. В суперкадре имеются контрольный код и синхронизирующая комбинация. Сборку информации из нескольких линий и ее размещение в магистрали Т1 осуществляет мультиплексор. Канал DS-0 (один слот) соответствует одной из входных линий, т. е. реализуется коммутация каналов. Некоторые мультиплексоры позволяют маршрутизировать потоки данных, направляя их в другие мультиплексоры, связанные с другими каналами Т1, хотя собственно каналы Т1 называют некоммутируемыми.
При обычном мультиплексировании каждому соединению выделяется определенный слот (например, канал DS-0). Если же этот слот не используется из-за недогрузки канала по этому соединению, но по другим соединениям трафик значительный, то эффективность невысокая. Загружать свободные слоты, или, другими словами, динамически перераспределять слоты, можно, используя так называемые статистические мультиплексоры на основе микропроцессоров. В этом случае временно весь канал DS-1 либо его часть отдается одному соединению с указанием адреса назначения.
В современных сетях важное значение имеет передача как данных, представляемых дискретными сигналами, так и аналоговой информации (например, голос и видеоизображения первоначально имеют аналоговую форму). Поэтому для многих применений современные сети должны быть сетями с интеграцией услуг. Наиболее перспективными сетями с интеграцией услуг являются сети с цифровыми каналами передачи данных, например сети ISDN.
Биты данных могут передаваться в виде аналоговых или цифровых сигналов. Для передачи информации обычно используется одна из характеристик сигнала: амплитуда, частота, фаза. При использовании аналоговых сигналов, характеристика (например, амплитуда) может принимать любое значение из некоторого непрерывного интервала. При использовании цифровых сигналов, характеристика может принимать значения только из некоторого конечного набора (в простейшем случае, одно из двух значений).
На этом уровне вместо битовой скорости (бит/с) используют понятие скорости изменения сигнала в линии или бодовой скорости (бод, baud). Эта скорость представляет собой число изменений различаемых состояний линии за единицу времени. В случае двухуровневого кодирования битовая и бодовая скорости совпадают, но с увеличением количества различимых уровней, битовая скорость растет, а бодовая остается постоянной.
Передача данных может происходить по кабелю (в этом случае говорят об ограниченной среде передачи и проводных линиях связи) и с помощью электромагнитных волн той или иной природы – инфракрасных, микроволн, радиоволн, – распространяющихся в пространстве (неограниченная среда передачи, беспроводные линии связи).
Частотное и временное разделение каналов
Коммутаторы должны обеспечивать использование соединяющих их каналов для одновременной передачи нескольких абонентских составных каналов. Для этого применяются разнообразные техники мультиплексирования абонентских каналов, среди которых частотное мультиплексирование (FDM,FrequencyDivisionMultiplexing) имультиплексирование с разделением времени (TDM,TimeDivisionMultiplexing, илисинхронный режим передачи –STM,SynchronousTransferMode).
Частотное мультиплексирование сводится к разделению диапазона частот на полосы, каждая из которых отведена для передачи данных одного абонентского канала. Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в выделенную для него полосу (обычно путем модуляции высокочастотной несущей низкочастотным сигналом данных).
При мультиплексировании с разделением времени мультиплексор в каждый момент времени выдает в общий канал данные единственного абонентского канала, отдавая ему всю полосу пропускания, но чередуя абонентские каналы через равные промежутки времени. Мультиплексирование с разделением времени ориентировано на дискретный характер передаваемых данных и цифровые каналы.
Проводные линии связи и их характеристики
Для соединения компьютеров в локальную сеть обычно используют металлические (преимущественно медные) витые пары и коаксиальные кабели. Все более широкое распространение приобретают волоконно-оптические кабели.
Витая пара
В настоящее время среди сетевых кабелей наиболее распространена витая пара, представляющая собой пару переплетенных проводов. При этом вряд ли вы получите работающую витую пару, взяв два любых провода и несколько раз перекрутив их между собой. Для обеспечения требуемой скорости передачи данных по витой паре, она должна удовлетворять стандартам на площадь поперечного сечения провода, на количество витков на единицу длины и на расстояние от последнего витка до разъема.
Существует две разновидности витой пары: экранированная (STP, Shielded Twisted Pair) и неэкранированная (UTP, Unshielded Twisted Pair). В основном используется более удобная при монтаже и дешевая неэкранированная витая пара. В 1991 году был разработан стандарт EIA/TIA-568 (“Стандарт телекоммуникационных кабельных систем для коммерческих зданий”) и близкий к нему международный стандартISO/IEC 11801, определяющие для кабелейUTPпять категорий (волновое сопротивление кабеля любой категории – 100 Ом):
Выпускаются кабели категорий, не входящих в стандарт: 6 и 7, обладающими полосами пропускания 200 МГц и 600 МГц. При прокладке новых кабельных систем обычно используют именно кабель CAT 5, даже в том случае, если переход к высокопроизводительным сетям пока не планируется.
Новая редакция стандарта EIA/TIA-568Aне включает категории 1 и 2.
Кабели UTPвыпускаются преимущественно в 4-х парном исполнении (рис. 4.1), иногда встречаются 2-х парные кабели, обычноCAT3, и многопарные кабели – 25 пар и более. Основные сетевые технологии –EthernetиTokenRing– используют только две пары, но существуют и технологии (100VG-AnyLAN), передающие данные по всем все четырем парам. Пары помечены цветом изоляции: синий и бело-синий, оранжевый и бело-оранжевый, зеленый и бело-зеленый, коричневый и бело-коричневый.
Для соединения кабелей и оборудования используются 8-контактные разъемы RJ-45 (рис. 4.2). СтандартEIA/TIA-568Aопределяет два варианта раскладки проводников по контактам:T568A(табл. 4.1) иT568B(табл. 4.2). В каждой локальной сети может использоваться любой вариант разводки, но не оба сразу.
Рис. 4.1. 4-парный кабель UTPРис. 4.2. РазъемRJ-45
|
Раскладка T568A |
Раскладка T568B |
|||||
|
Бело-зеленый |
Бело-оранжевый | |||||
|
Оранжевый | ||||||
|
Бело-оранжевый |
Бело-зеленый | |||||
|
Бело-синий |
Бело-синий | |||||
|
Оранжевый | ||||||
|
Бело-коричневый |
Бело-коричневый | |||||
|
Коричневый |
Коричневый | |||||
Витая пара используется для передачи данных на расстояния до нескольких сотен метров. Стандарт Ethernetограничивает длину сегмента на неэкранированной витой паре до 100 м. (Некоторые фирмы, например 3COM, выпускают сетевое оборудование в этом стандарте, позволяющее увеличить длину сегмента почти до 200 м.)
Основной недостаток неэкранированной витой пары – сильная подверженность влиянию электромагнитных помех.
Экранированная витая пара (STP) хорошо защищает передаваемые сигналы от влияния внешних электромагнитных полей, но требует заземления экрана при проводке, что усложняет и удорожает кабельную систему. КабельSTPв основном используется фирмойIBM, которая фирменным стандартом определила девять его категорий – отType1 доType9. КабельType1 состоит из двух пар и по параметрам близок кUTPCAT5, за исключением волнового сопротивления – 150 Ом. КабелиSTPпреимущественно используются в сетяхTokenRing, но могут применяться и в сетяхFastEthernetи 100VG-AnyLAN.
Аналоговые каналы связи
Аналоговые каналы связи являются наиболее распространенными по причине длительной истории их развития и простоты реализации. Типичным примером аналогового канала является канал тональной частоты (телефония).
Необходимость в модуляции аналоговой информации возникает, когда нужно передавать низкочастотный аналоговый сигнал через канал, находящийся в высокочастотной области спектра.
Примерами такой ситуации является передача голоса по радио и телевидению. Голос имеет спектр шириной примерно в 10кГц, а радиодиапазоны включают гораздо более высокие частоты, от 30кГц до 300МГц. Еще более высокие частоты используются в телевидении. Очевидно, что непосредственно голос через такую среду передать нельзя.
Модуляцией называется преобразование сигнала, заключающееся в изменении какого-либо его информационного параметра в соответствии с передаваемым сообщением.
Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую.
Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты.
Амплитудная модуляция (AM) - модуляция при которой амплитуда несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.
Частотная модуляция (FM) - модуляция при которой частота несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.
Фазовая модуляция (PM) - модуляция при которой фаза несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.
Цифровые каналы связи
К цифровым каналам связи относятся каналы ISDN, T1/E1.
При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется аналоговой модуляцией или манипуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.
Аналоговая модуляция дискретных данных
Необходимость применения аналоговой модуляции к передаче дискретных данных возникает, при необходимости передачи компьютерных данных по телефонным каналам.
Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор - демодулятор).
Основные способы аналоговой модуляции дискретных данных:
При амплитудной модуляции AM для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля - другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.
При частотной модуляции FM значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.
При фазовой модуляции PM значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.
В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная, в сочетании с фазовой.
Цифровое кодирование каналов связи
При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.
В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.
Требования к методам цифрового кодирования:
- имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
- обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
- обладал способностью распознавать ошибки;
- обладал низкой стоимостью реализации.
Более узкий спектр цифровых сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи.
В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за:
- Неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно.
- Экономия проводников в дорогостоящих кабелях.
Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды. Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.
