Коаксиальный кабель

Идею коаксиального кабеля в 1900 г. предложил профессор Петербургского электротехнического института Войнаровский, а реализовал ее в 1934 г. американский изобретатель С.А.Щелкунов. Кабель представляет собой два проводника, выполненных оригинальным образом: центральный проводник, окруженный специальным изоляционным материалом (диэлектриком) и металлическая оплетка, служащая вторым проводником. По коаксиальному кабелю распространяется электромагнитная волна на очень высокой частоте - 40 - 100 МГц и выше. Благодаря этому возможна передача широкополосных групповых сигналов, содержащих десятки тысяч телефонных каналов, или телевизионные сигналы, или данные от компьютера.

Изготовление, а особенно прокладка коаксиального кабеля связаны со значительными затратами, но несмотря на это земной шар опоясывают сотни тысяч километров линий на коаксиальном кабеле. Благодаря современным технологиям коаксиальный кабель продолжает устраивать потребности общества. Разрабатываются методы скоростной передачи данных между компьютерами с использованием кабеля.

Оптоволоконный кабель

Возможность создания оптоволоконного кабеля связана с изобретением ЛАЗЕРА - LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), за которое трое ученых Ч.Таунс (США), Н.Басов и А.Прохоров (СССР) в 1964 г. получили Нобелевскую премию.

Идея создания лазера состояла в том, чтобы сделать генератор гармонического колебания в световом диапазоне волн 1014 - 1015 Гц, что позволило бы создать передатчик по аналогии с радиоволновым, но на несущей которого можно было бы передавать спектр полезного сигнала порядка 1012 Гц. Что это означало? Все очень просто. Если за основу принять телефонный канал с необычно широкой для него полосой 5 кГц, то в спектр полезного сигнала на лазерной несущей можно было бы вместить 200 млн телефонных каналов!

Одним из первых лазер был выполнен на бруске рубина, в котором с помощью высокочастотного генератора «накачки» возбуждался лавинообразный переход электронов с одного потенциального уровня на более низкий, что образовывало излучение гармонического колебания, имеющего темно-красный свет.

В связи с этим изобретением появилась идея передавать информацию по лазерному лучу через атмосферу с помощью амплитудной модуляции, но после первых экспериментов наступило разочарование. Атмосферные изменения - туман, дождь, смог - непосредственно влияли на интенсивность луча и связь становилась ненадежной.

В 60-е годы был предложен иной канал для лазерного луча - стеклянная нить в оболочке, названная «стекловолокном». Оказалось, однако, что стеклянная нить должна быть очень «чистой», чтобы луч не рассеивался при распространении. Кроме того, поверхность оптоволокна должна обладать внутренним отражением, а это означает, что диаметр волокна должен быть сравним с длиной волны светового луча.

Разработкой оптического кабеля занимались научные коллективы, крупнейшие фирмы во всем мире. Сейчас научные и технологические проблемы практически решены.

Оптоволоконный кабель состоит из одной или нескольких нитей оптоволокна и многослойной оболочки, которая защищает его от повреждений. Оптоволокно вытягивается таким образом, чтобы вокруг ядра образовалось отражающее покрытие, вызывающее у луча полное внутреннее отражение, если луч падает на границу сердцевины под углом, большим критического. Оптоволокно представляет собой тонкую нить (не толще человеческого волоса) весьма сложной структуры, сделанную из кремния высокой химической чистоты. Исходными материалами для изготовления волокон являются карбонаты натрия и кальция, борная кислота, кремнезем и окись свинца. Задача — получить материал, не создающий значительного затухания передаваемому излучению.

Диаметр оптоволокна не многим более 100 мкм, т.е. 0,1 мм, остальное - укрепляющая оболочка. Внешне оптоволоконный кабель напоминает телефонный провод в оболочке.

Современная техника передачи позволяет передавать информацию по оптоволокну со скоростью порядка 10 Гбит/с на расстояния несколько сот километров без повторителя.

В качестве источника когерентного излучения в световом диапазоне обычно используется лазер на арсениде галлия с длиной волны излучения 0,84 мкм и средней мощностью от 1 до 10 мВт. Это излучение находится в невидимой части спектра (видимый диапазон спектра занимает область от 0,4 мкм — фиолетовый цвет, до 0,7 мкм — красный цвет). Кроме источника излучения, в передающее устройство входит модулятор. На приемном конце линии связи сигналы детектируются фотодиодом.

Достоинства оптоволоконного кабеля:

Высокая пропускная способность.

Иммунитет к электромагнитным излучениям.

Безопасность данных (к кабелю практически невозможно подсоединиться или «подслушать».

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКОВ

До тех пор пока человечество не вывело в космическое пространство летательный аппарат с отражателем на борту, космическая связь оставалась мечтой. Правда, было предложение использовать в качестве отражателя Луну, но этот проект имел почти непреодолимый недостаток: слишком малый уровень отраженных сигналов.

Для того, чтобы установить отражатель или ретранслятор высоко над земной поверхностью, нужно было решить главную проблему, которой посвятил свою жизнь К.Э.Циолковский,- вывести в космическое пространство летательный аппарат. Если расстояние от такого космического аппарата до Земли таково, что на аппарат действует земное притяжение, его можно назвать искусственным спутником Земли.

Космическую эру в развитии человечества открыл советский спутник выведенный на околоземную орбиту в октябре 1957 г.

Нужно сказать, что еще задолго до этой знаменательной даты специалисты знали о существовании круговой орбиты в плоскости земного экватора на расстоянии примерно 36000 км от поверхности Земли, на которой летательный аппарат вращается вокруг Земли с той же угловой скоростью, что и объект, находящийся на земной поверхности. Эта орбита была названа геостационарной, так как на ней спутник оказывается неподвижным относительно земной поверхности. Идея геостационарной орбиты была предложена американцем А.Кларком в 1945 г.

Установить ретранслятор на геостационарной орбите было очень заманчиво, так как ретранслятор оказывался неподвижным относительно приемо-передающей станции на Земле, и поэтому не требовалось автоматическое слежение за летящим объектом. Главный недостаток геостационарной орбиты – сравнительно большая удаленность от Земли, преодолеть который можно было с помощью мощного ракетоносителя.

США в 1958 г. запустили спутник Score с пассивным отражателем на борту, а в 1963 г. — первый геостационарный спутник Syncom. Первый спутник связи Early Bird Международной системы INTELSAT был выведен на орбиту 6 апреля 1965 г., а 23 апреля 1965 г. был запущен советский спутник “Молния-1” для ретрансляции информации. Началось практическое освоение космического пространства для передачи информации на большие расстояния.

Нужно отметить, что назначение спутниковых систем весьма разнообразно. Кроме непосредственной ретрансляции информации с помощью спутника можно исследовать земную поверхность, производить поиск полезных ископаемых, устранять экологические бедствия, осуществлять навигацию для движущихся по земной поверхности объектов (морские суда, самолеты, автомобили), контролировать перевозку грузов наземным транспортом, составлять подробные карты и, наконец, заниматься разведкой, т.е. шпионажем.

Преимущества спутниковой связи были сразу оценены по достоинству. Дело в том, что линия передачи информации через спутник покрывает огромные расстояния на поверхности Земли. За счет передачи информации от одного геостационарного спутника к другому можно осуществить глобальную связь. Это первое достоинство. Второе состоит в том, что передача сигналов на спутник должна происходить на очень высоких частотах, например 10 ГГц, на которых можно сформировать узкий луч наземной антенны, сосредоточив в нем энергию сигнала, достаточную для приема его спутниковым ретранслятором. Но как нам известно, с увеличением частоты несущей почти пропорционально увеличивается ширина спектра передаваемого полезного сигнала. Это означает, что по спутниковому каналу можно передавать телевидение, десятки тысяч телефонных каналов, компьютерные файлы и программы. Кроме того, в спутниковом канале относительно низкий уровень шумов.

Эти достоинства делают спутниковую связь уникальным и эффективным средством передачи информации.

В нашей стране в 60-е годы была принята концепция использования низкоорбитальных спутников. Преимущество таких спутников состояло в том, что на расстояния 400 –800 км не требовался передатчик большой мощности на спутнике, но за движущимся спутником необходимо было следить.

В СССР была создана телевизионная спутниковая система Молния-1, использующая три спутника на одной эллиптической орбите, за которыми поочередно проводилось слежение от горизонта до горизонта. Благодаря этой системе почти вся территория СССР, особенно Север, Сибирь и Дальний Восток, была покрыта наземными телевизионными центрами, распространяющими телевизионной вещание из Москвы.

Преимущества связи через геостационарный спутник прежде всего состоят в том, что передача и прием сигналов происходит при неподвижных антеннах наземных станций, а высота геостационарной орбиты такова, что спутник “видит” почти третью часть поверхности земного шара. В то же время вследствие большой высоты орбиты на спутнике необходимо иметь антенны с большим усилением для компенсации потерь на распространение радиоволн. Кроме того, требуется удерживать спутник точно не орбите, для чего на спутнике необходимо иметь корректирующие двигатели и соответствующие системы управления, работающие по командам с Земли. Периодически включаемые реактивные двигатели компенсируют отклонения стационарного спутника от занимаемой позиции. Обычно запаса топлива хватает на 6 8 лет, что и определяет срок функционирования спутника.

Потребности в спутниковых линиях продолжают расти, поскольку при дальности свыше 800 км спутниковые каналы становятся экономически более выгодными по сравнению с другими видами дальней связи.

Принципиальной технической проблемой для спутниковой системы является осуществление многостанционного доступа. Сущность его состоит в том, что каждая наземная станция имеет возможность пользоваться ретранслятором для передачи своих сигналов, независимо от работы другой станции, связь устанавливается через спутник с любой наземной станцией данной системы. Это придает всей системе гибкость в работе, однако накладывает на спутниковый ретранслятор ряд дополнительных функций.

Многостанционный доступ можно организовать так, что между каждой парой станций будет закреплена линия. При цифровом методе передачи и использовании микропроцессорной техники наилучшим решением проблемы передачи больших потоков информации является метод временного многостанционного доступа. Его идея заключается в том, что каждая наземная станция, использующая ретранслятор спутника, имеет закрепленный за ней временной канал — периодически повторяющийся интервал времени. Сигналы наземных станций поступают на вход ретранслятора в различные моменты времени. Спутник в соответствии с существующей в системе шкалой времени формирует из поступающих сигналов многостанционный групповой сигнал (так называемый суперкадр) и ретранслирует его на Землю.

В настоящее время выпускается широкая гамма наземных станций, удовлетворяющих различным требованиям к системам связи. Основными параметрами, по которым различают станции, являются диаметр антенны, мощность передатчика и качество приемника. Наибольший диаметр антенны равен примерно 30 м, наименьший — 1,5 м.

Широкое развитие получили малые земные станции спутниковой связи, изготовленные по технологии VSAT (Very Small Aperture Terminal), которые имеют диаметр антенны от 1 до 3 м и пропускную способность до 2 3 Мбит/с.

Спутниковый ретранслятор строится таким образом, что отведенная для него ширина полосы состоит из частотных участков, для каждого из которых существует свой ретранслятор. При этом любой ретранслятор является многоканальным. Большинство спутников имеют от 12 до 48 ретрансляторов. Полоса каждого ретранслятора составляет, как правило, 36 МГц.

В настоящее время ситуация с ретрансляцией информации через геостационарные спутники оказалась в режиме насыщения, так как на орбите находится более 100 спутников, принадлежащих разным странам мира (наибольшее количество принадлежит США), и увеличить их количество практически невозможно из-за почти предельно достижимых технических характеристик систем.

Россия имеет на геостационарной орбите 10 спутников «Горизонт» и «Экспресс». Суммарная пропускная способность системы 2000 телефонных каналов.

В последние годы начали создаваться системы спутниковой связи с низкоорбитальными спутниками, вращающимися в нескольких плоскостях. За счет создание нескольких орбит с размещением на каждой орбите нескольких спутников отпадает необходимость в слежении за летящим спутником, так как вся поверхность земного шара оказывается покрытой зонами видимости спутников. С использованием современных компьютерных технологий можно создавать спутниковые системы глобальной связи, обслуживающие неподвижные и мобильные объекты.

Система Navstar состоит из цепочки спутников, выведенных на околоземную орбиту высотой 17600 км. На каждом установлены 4 атомных генератора частоты. Спутник передает сигналы времени и другую информацию, идентифицирующую его орбиту. Приемник сравнивает сигналы из космоса с сигналами собственных часов, а затем определяет свои координаты, вычисляя расстояние до спутника.

Работая с сигналами четырех спутников, приемник способен рассчитать свое местоположение с точностью до 16 м. Связавшись дополнительно со вторым (стационарным) приемником, можно уменьшить ошибку до сантиметров.

Желающих пользоваться системой Navstar весьма много. Сумма продажи приемников системы Navstar гражданским потребителям уже превысила 100 млн. долл. Фирма Sony объявила о продаже приемников системы Navstar для пеших туристов (стоимость 1500 долл.).

Чтобы потенциальный противник не воспользовался сигналами Navstar для наведения своих ракет, в сигналы Navstar специально вносится погрешность, чтобы координаты приемников определялись с точностью до 100 м.

Каждый спутник является узлом сети с коммутацией пакетов. Передача речи и данных осуществляется в виде коротких пакетов фиксированной длины (512 бит) со скоростью 16 Кбит/с. В системе работают высокоскоростные терминалы со скоростью передачи до 1 Гбит/с.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Отметьте правильный ответ Пропускная способность канала связи зависит от 1. способа кодирования 2. ширины полосы пропускания канала 3. вида модуляции

Потери информации при преобразовании аналогового сигнала в цифровой в отсутствии шумов будут 1. тем меньше, чем меньше интервал дискретизации 2. отсутствовать, если частота дискретизации в 2 раза больше, чем максимальная частота спектра сигнала 3. отсутствовать, если частота дискретизации выбрана равной максимальной частоте спектра сигнала

Потери информации при преобразовании аналогового сигнала в цифровой будут 1. тем меньше, чем меньше разность между уровнями квантования, не зависимо от остальных причин 2. оставаться постоянными, если разность между уровнями квантования меньше уровня шумов 3. оставаться постоянными, если уменьшение разности между уровнями квантования не отмечается человеческими органами чувств

Лекция 9 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

В настоящее время большинство компьютеров используется не изолированно от других компьютеров, а постоянно или время от времени подключаются к локальным или глобальным компьютерным сетям для получения той или иной информации, посылки и получения сообщений и т.д.

Первой сетью оказалась американская сеть ARPAnet, к разработке которой Агентство перспективных исследований Министерства обороны США (ARPA - Advanced Research Programme Agency) приступило в 1961 г., т.е. спустя 2 года после успешного запуска советского исусственного спутника Земли.

Разработкой ARPAnet Соединенные штаты преследовали создание уникального по тому времени сооружения из множества территориально распределенных компьютеров, которое обладало бы большой вычислительной мощностью, быстрым распространением информации с большой надежностью, так как в сети осуществлялся принцип передачи информации с пакетной коммутацией по свободным в данный момент каналам. Этот способ позволял работать сети в случае выхода из строя отдельных узлов сети.

Сеть ARPAnet послужила своеобразным полигоном для разработчиков сетевых технологий в США и других странах. Впервые была опробована передача информации в форме стандартных пакетов. Кроме того, разработчики ARPAnet были озабочены проблемой общения между компьютерами разного типа. В 1983 г. был разработан стандарт протоколов межсетевого общения TCP/IP - Transmission Control Protocol/Internet Protocol. Вскоре эти протоколы были внедрены в операционную систему UNIX.

Прошли годы и глобальное сетевое образование стали называть в честь межсетевого протокола - INTERNET.

Всю совокупность протоколов, инструкций, форматов, определяющих функционирование компьютерной сети, фирма IBM объединила в сетевое программное обеспечение, известное как Системная сетевая архитектура (System Network Architecture).

Независимо от метода передачи информации сеть как среда, связывающая компьютеры пользователей с компьютерами информационных центров, включает концентраторы, объединяющие отдельные каналы пользователей в общий канал, интерфейсные устройства, связывающие локальные сети с большой сетью и специальное оборудование, обеспечивающее сервис обращения к информационным ресурсам, защиту от несанкционированного доступа и др.

ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ

Если в одном здании или комплексе близлежащих зданий имеется несколько компьютеров, пользователи которых должны совместно решать какие-то задачи, обмениваться данными или использовать общие данные, то эти компьютеры целесообразно объединить в локальную сеть. Локальная сеть - это группа из нескольких компьютеров, соединенных между собой посредством кабелей (иногда также телефонных линий или радиоканалов), через которые компьютеры могут обмениваться информацией. Использование локальных сетей позволяет обеспечить:

коллективную обработку данных пользователями подключенных в сеть компьютеров и обмен данными между ними;

совместное использование программ, а также принтеров, модемов и других устройств.

Поэтому практически все фирмы, имеющие более одного компьютера, объединяют свои компьютеры в локальные сети. Для объединения компьютеров в локальную сеть требуется вставить в каждый подключаемый к сети компьютер сетевой контроллер, позволяющий компьютеру получать информацию из локальной сети и передавать данные в сеть, и, кроме того, соединить компьютеры кабелями, по которым происходит передача данных между компьютерами, а также другими подключенными к сети устройствами (принтерами, сканерами и т.д.). В некоторых типах сетей кабели соединяют компьютеры непосредственно (как электролампочки на елочной гирлянде), в других соединение кабелей осуществляется через специальные устройства - концентраторы (или ха6ы ) , коммутаторы и др. В небольших сетях обычно компьютеры, входящие в сеть, соединяются кабелями с концентратором (хабом), который и передает сигналы от одних подключенных к нему компьютеров к другим.

Для обеспечения функционирования локальной сети часто выделяется специальный компьютер - сервер, или несколько таких компьютеров. На дисках серверов располагаются совместно используемые программы, базы данных и т.д. Остальные компьютеры локальной сети часто называются рабочими станциями. Операционные системы семейства Windows имеют встроенные возможности по организации локальных сетей без выделенного сервера (часто такие сети называются одноранговыми, поскольку в них все компьютеры равноправны). При использовании этих ОС никакое дополнительное программное обеспечение не требуется. Для эффективной работы пользователей в локальной сети применяется вспомогательное программное обеспечение, которое иногда поставляется вместе с сетевой ОС, а иногда его надо покупать отдельно:

электронная почта обеспечивает доставку писем (часто и произвольных файлов, а также голосовых и факсимильных сообщений) от одних пользователей локальной сети другим, а иногда позволяет общаться и с удаленными пользователями по модему или через Internet;

средства удаленного доступа дают возможность подключаться к локальной сети с и работать на компьютере, как будто он непосредственно подключен в сеть;

средства групповой работы позволяют совместно работать над документами, обеспечивают согласованность версий документов у разных пользователей, предоставляют средства для организации документооборота предприятия и т.д.;

программы резервирования обеспечивают создание резервных копий данных, хранящихся на компьютерах локальной сети, а при необходимости - восстановление данных по их резервной копии;

средства управления локальной сетью позволяют управлять ресурсами локальной сети с одного рабочего места и т.д.