4.Физические принципы организации связи в телекоммуникационных системах.

Телекоммуникационная система – это совокупность аппаратно и программно совместимого оборудования, соединенного в единую систему с целью передачи данных из одного места в другое. На Рис. 1 показаны компоненты типичной телекоммуникационной системы. Телекоммуникационная система способна передавать текстовую, графическую, голосовую или видеоинформацию. В этой главе описаны основные компоненты телекоммуникационных систем. В следующих разделах объясняется, как эти компоненты работают совместно друг с другом, образуя различные виды сетей.

В состав типичной коммуникационной системы входят серверы, пользовательские компьютеры, каналы связи (на рисунке они обозначены красными линиями), а также активное оборудование – модемы, концентраторы и проч.

Физические принципы

Сообщения, сигналы и методы модуляции

При обмене информацией используется понятие сообщения.

Сообщение - это законченный информационный блок. передаваемый или принимаемый в рамках одного сеанса связи. В общем случае сообщение, помимо полезной информации, может содержать служебную информацию, содержащую сведения об адресе, имени абонента, срочности или типе сообщения, методах коррекции ошибок и т.д.

В телекоммуникационных системах для транспортировки сообщений используются системы электросвязи, то есть системы, использующие в качестве носителя электрические сигналы. В общем случае - электромагнитные (включая радиосигналы, инфракрасные лучи и оптические сигналы).

Сообщения подразделяются на непрерывные (аналоговые) и дискретные.

Принцип передачи сообщения по сети связи

Источник может генерировать как непрерывное, так и дискретное сообщение.

В любом случае для его передачи по сети электрической связи необходимо преобразовать сообщение в электрический сигнал S(t). Электрический сигнал также может быть непрерывным или дискретным. Непрерывный электрический сигнал характеризуется частотой передачи, а дискретный – скоростью передачи элементов-(импульсов)

На приемной стороне принятый сигнал преобразуется в сообщение, которое и передается получателю.

В процессе передачи сигнал может исказиться. В связи с этим, для обнаружения и устранения этих искажений при передаче применяется помехозащищенное кодирование сигнала. А на приемной стороне – декодирование.

При преобразовании исходного сообщения в электрический сигнал используется модуляция - то есть, изменение какой либо характеристики несущего сигнала в соответствии с исходным сигналом или сообщением. На приемной стороне осуществляется обратное преобразование - демодуляция.

Модуляция осуществляется на передающей стороне, а демодуляция - на приемной. В системах двунаправленной связи на взаимодействующих объектах должна осуществляться как модуляция так и демодуляция. Устройства. осуществляющие эти функции называются модемами (МОдулятор-ДЕМодулятор).

Все виды модуляции можно разделить на непрерывные и импульсные.

Непрерывные виды модуляции - амплитудная, частотная и фазовая.

При этом в качестве несущего сигнала используется гармоническое колебание “несущей частоты”. В зависимости от вида модуляции в соответствии с исходным сигналом изменяется амплитуда, частота или фаза несущего сигнала.

Импульсные виды модуляции

В качестве переносчика сигналов используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов.

Виды модуляции

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)

Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ)

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Фазо-импульсная модуляция (ФИМ). А также их комбинации.

В современных системах связи используется в основном импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), основанная на кодировании амплитуд импульсов, полученных с использованием АИМ. При этом мгновенное значение амплитуды представляется в виде цифрового двоичного кода. Поэтому системы с ИКМ называются цифровыми системами передачи.

При ИКМ осуществляется дискретизация и квантование исходного непрерывного сигнала.

Дискретизации сигнала

Проблема дискретизации широко освещена в литературе. Считается, что первыми основополагающими работами в этой области были работа Котельникова В.А. “О пропускной способности “эфира” и провол1оки в электросвязи”, вышедшая в 1933г. и независимо от него статья “Связь при наличии шума”, написанная К. Шенноном и опубликованная в 1949г Теорема Котельникова-Шеннона ( называемая часто теоремой отсчетов) позволяет выбрать частоту дискретизации с учётом граничной частоты спектра дискретизируемой функции

Компоненты телекоммуникационной системы

Ниже перечислены основные компоненты телекоммуникационной системы:

1. Серверы, хранящие и обрабатывающие информацию.

2. Рабочие станции и пользовательские ПК, служащие для ввода запросов к базам данных, получения и обработки результатов запросов и выполнения других задач конечных пользователей информационных систем.

3. Коммуникационные каналы – линии связи, по которым данные передаются между отправителем и получателем информации. Коммуникационные каналы используют различные типы среды передачи данных: телефонные линии, волоконно-оптический кабель, коаксиальный кабель, беспроводные и другие каналы связи.

4. Активное оборудование – модемы, сетевые адаптеры, концентраторы, коммутаторы, маршрутизаторы и проч. Эти устройства необходимы для передачи и приема данных.

5. Сетевое программное обеспечение, управляющее процессом передачи и приема данных и контролирующее работу отдельных частей коммуникационной системы.

Функции телекоммуникационной системы

Чтобы передать информацию из одного пункта и получить ее в другом, телекоммуникационной системе нужно выполнить некоторые операции, которые главным образом скрыты от пользователей. Прежде, чем телекоммуникационная система передаст информацию, ей необходимо установить соединение между передающей (sender) и принимающей (receiver) сторонами, рассчитать оптимальный маршрут передачи данных, выполнить первичную обработку передаваемой информации (например, необходимо проверить, что ваше сообщение передается именно тому, кому вы его отослали) и преобразовать скорость передачи компьютера в скорость, поддерживаемую линией связи. Наконец, телекоммуникационная система управляет потоком передаваемой информации (трафиком).

Протоколы

Телекоммуникационная сеть обычно содержит разнообразные аппаратные и программные компоненты, которым необходимо работать совместно, чтобы передавать информацию. Различные компоненты сети "общаются" друг с другом, придерживаясь ряда правил, что и позволяет им работать всем вместе. Такой набор правил, регулирующий процесс передачи данных между двумя точками сети, называется протоколом (protocol). Каждое устройство в сети должно правильно "понимать" протокол другого устройства.

Главные функции сетевых протоколов следующие: идентифицировать каждое устройство, участвующее в передаче данных, проверить, не нуждаются ли данные в повторной передаче, выполнить повторную передачу, если произошла ошибка.

Несмотря на то, что коммерческие, правительственные и компьютерные учреждения осознают необходимость введения общих стандартов для передачи данных, в промышленности пока нет универсальных стандартов. В следующих главах вопросы внедрения стандартов на передачу данных рассмотрены подробнее.

Типы сигналов: аналоговые и цифровые. Модемы

Поток информации в телекоммуникационной системе передается в виде электронных сигналов. Сигналы бывают двух типов аналоговые и цифровые. Аналоговый сигнал представляет собой непрерывные колебания синусоидальной формы. Аналоговые сигналы используются в основном при передаче голоса.

Цифровой сигнал, в отличие от аналогового, является дискретным и имеет импульсную форму. С помощью цифровых сигналов информация передается, предварительно закодированная двумя дискретными значениями сигнала: 0 и 1. Как вы уже догадались, такая форма передачи данных весьма удобна при использовании компьютеров, которые понимают именно двоичную информацию. Но в большинстве коммуникационных каналах нельзя передавать цифровые данные без некоторого преобразования – все цифровые сигналы должны быть преобразованы в аналоговые, прежде чем быть переданными по каналу связи. Одним из устройств, применяющихся для преобразования сигналов, является модем (modem – MODulation/DEModulation, модуляция/демодуляция).

Модемы обычно применяют для передачи данных через обычные телефонные линии.

Модем – это устройство, преобразующее цифровые сигналы, передаваемые компьютером, в аналоговую форму. На принимающей стороне модем выполняет обратное преобразование сигнала – из аналоговой формы в цифровую.

5.Процесс мультиплексированной передачи информации ячейки.

В информационных технологиях и связи, мультиплекси́рование (англ. multiplexing, muxing) — уплотнение канала, т. е. передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу.

В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью — медный или оптический кабель, радиоканал.

В информационных технологиях мультиплексирование подразумевает объединение нескольких потоков данных (виртуальных каналов) в один. Примером может послужить видеофайл, в котором поток (канал) видео объединяется с одним или несколькими каналами аудио.

Устройство или программа, осуществляющая мультиплексирование, называется мультиплексором.

Мультиплексирование с разделением по частоте (FDM)

Технология

Мультиплексирование с разделением по частоте (англ. FDM, Frequency Division Multiplexing) предполагает размещение в пределах полосы пропускания канала нескольких каналов с меньшей шириной. Наглядным примером может послужить радиовещание, где в пределах одного канала (радиоэфира) размещено множество радиоканалов на разных частотах (в разных частотных полосах).

Основные применения

Используется в сетях мобильной связи (см. FDMA) для разделения доступа, в волоконно-оптической связи аналогом является мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM, Wavelength Division Multiplexing) (где частота — это цвет излучения излучателя), в природе — все виды разделений по цвету (частота электромагниных колебаний) и тону (частота звуковых колебаний).

Мультиплексирование с разделением по времени (TDM)

Технология

Мультиплексирование с разделением по времени (англ. TDM, Time Division Multiplexing) предполагает кадровую передачу данных, при этом переход с каналов меньшей ширины (пропускной способности) на каналы с большей освобождает резерв для передачи в пределах одного кадра большего объёма нескольких кадров меньшего.

На рисунке: А, В и С — мультиплексируемые каналы с пропускной способностью (шириной) N и длительностью кадра Δt; E — мультиплексированный канал с той же длительносью Δt но с шириной M*N, один кадр которого (суперкадр) несёт в себе все 3 кадра входных мультиплексируемых сигналов последовательно, каждому каналу отводится часть времени суперкадра — таймслот, длиной ΔtM=Δt/M

Таким образом, канал с пропускной способностью M * N может пропускать M каналов с пропускной способностью N, причём при соблюдении канальной скорости (кадров в секунду) результат демультиплексирования совпадает с исходным потоком канала (А, В или С на рисунке) и по фазе, и по скорости, т. е. протекает незаметно для конечного получателя.

Основные применения

беспроводные TDMA-сети, Wi-Fi, WiMAX;

канальная коммутация в PDH и SONET/SDH;

пакетная коммутация в ATM, Frame Relay, Ethernet, FDDI;

коммутация в телефонных сетях;

последовательные шины: PCIe, USB.

Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM)

Технология

Мультиплексирование с разделением по длине волны (англ. WDM, Wavelength Division Multiplexing) предполагает передачу по одному оптическому волокну каналов на различных длинах волн. В основе технологии лежит факт того, что волны с разными длинами распространяются независимо друг от друга. Выделяют три основных типа спектрального уплотнения: WDM, CWDM и DWDM.

Основные применения

городские сети передачи данных

магистральные сети передачи данных