Е.И. Воробьева

СИСТЕМЫ И СЕТИ ПЕРЕДАЧИ

ИНФОРМАЦИИ

Учебное пособие

В оронеж 2006

Воронежский государственный технический

университет

Е.И. Воробьева

СИСТЕМЫ И СЕТИ ПЕРЕДАЧИ

ИНФОРМАЦИИ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

В оронеж 2006

УДК 621.396

Воробьева Е.И. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2006. 274 с.

В учебном пособии рассмотрены наиболее современные способы передачи (кодирования и модуляции) и приема (декодирования и демодуляции) информации, вопросы организации и функционирования систем электросвязи, таких как: системы телефонной вязи, коротковолновые и ультракоротковолновые системы связи, системы подвижной радиосвязи общего пользования, спутниковые системы связи. Разобраны вопросы построения сетей передачи информации и системы коммуникации. Даются характеристики техническим средствам телекоммуникационных систем.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 090100 «Информационная безопасность», специальностям 090102 «Компьютерная безопасность», 090105 «Комплексное обеспечение информационной безопасности автоматизированных систем», 090106 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», дисциплине «Системы и сети передачи информации».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде и в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле Системы и сети передачи информации.doc

Табл. 5 Ил. 93. Библиогр.:30 назв.

Научный редактор д-р. техн. наук, проф. А.Г. Остапенко

Рецензенты: ОАО«Концерн «Созвездие»»;

канд. техн. наук, доц. В.П.Дуров

© Воробьева Е.И., 2006

© Оформление. ГОУВПО "Воронежский госу-

дарственный технический университет", 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1.СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ. СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СООБЩЕНИЙ, СИГНАЛОВ И ПОМЕХ. 8

1.1 Общие сведения о системах связи 8

1.1.1 Информация. Сообщение. Сигнал 8

1.1.2 Обобщенная структура систем связи 13

1.1.3 Дискретизация непрерывного сигнала 17

1.2 Методы модуляции в системах связи 24

1.3 .Цифровая обработка аналоговых сигналов 28

1.3.1 Преобразование аналог—цифра. Шумы квантования 28

1.3.2 Преобразование цифра-аналог и восстановление континуального сигнала 37

1.4 Кодирование информации в системах связи 38

1.4.1 Назначение и классификация кодов 38

1.4.2 Неравномерные эффективные коды 43

1.4.3 Принципы помехоустойчивого кодирования 47

1.4.4Линейные двоичные блочные коды 53

1.4.5 Циклические коды 61

1.4.6 Сверточные коды 63

2 МНОГОКАНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ 74

2.1 Уплотнение информации в аналоговых системах связи. 74

2.2 Цифровые системы многоканальной передачи 90

3 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ. 95

3.1 Системы телефонной связи. 95

3.1.1 Телефонный аппарат 95

3.1.2 Структура АТС, сигнализация, установление соединений (коммутация) 100

3.1.3 Сигнализация 104

3.1.4 Устройства сопряжения 112

3.1.5 Цифровая телефония 114

3.2 Коротковолновые и ультракоротковолновые системы связи 117

3.3.Телевизионные системы 119

3.3.1 Преобразование видеоинформации в сигнал 119

3.3.2 Сообщение и его кодирование 124

3.3.3 Методы цифрового кодирования, используемые при формировании ТВ программ 126

3.3.4 Цифровая передача сигналов телевидения по линиям связи и иерархия ИКМ систем 129

3.3.5 Цифровое кодирование полных цветовых сигналов PAL, SECAM в аппаратно-студийном комплексе 130

3.3.6 Выбор частоты дискретизации при цифровом кодировании полных цветовых телевизионных сигналов 132

3.3.7 Эффективное цифровое кодирование ТВ сигнала 133

3.4 Системы подвижной радиосвязи общего пользования 137

3.4.1 Особенности и классификация систем подвижной радиосвязи (СПРС) 137

3.4.2 Транкинговые системы 140

3.4.2.1 Преимущества транковых сетей 142

3.4.2.2 Архитектура транкинговых систем 143

3.4.2.2.1 Однозоновые системы 143

3.4.2.2.2. Многозоновые системы 150

3.4.3 Сотовые системы (ССПС). 153

3.4.4 Подход к проектированию ССПС. 157

3.4.5 Разделение сетей на иерархические уровни. 160

3.4.5.1 Физический уровень. 161

3.4.5.2 Канальный уровень. 167

3.4.5.3 Сетевой уровень. 170

3.4.6 Пути усовершенствования ССПС. 174

3.4.7 Повышение надежности. 177

3.4.8 Увеличение скорости передачи. 180

3.4.9 Стандарты ССПС. 181

3.5 Спутниковые системы связи 186

3.5.1 Основные параметры спутниковых линий связи 187

3.5.2. Принципы функционирования и обобщённая структурная схема систем спутниковой связи 190

3.5.3. Орбиты спутников связи, способы вывода спутников на орбиту 198

3.5.4 Способы модуляции и формирование групповых сигналов аналоговых и цифровых ССС 207

3.5.5 Способы модуляции 213

3.5.6 Многостанционный доступ (МД). 215

3.5.7 Структура кадра 219

3.5.8 Методы вхождения в синхронизм. 227

3.6 Волоконно-оптические системы связи 229

3.6.1 Оптическое волокно и особенности распространения светового потока в оптическом волокне 230

3.6.2 Методы модуляции светового потока 234

3.6.3 Лазеры и оптическое волокно 237

3.6.4 Структура ВОСС 237

4. СЕТИ СВЯЗИ И СИСТЕМЫ КОММУТАЦИИ 239

4.1 Общие сведения о сетях связи 239

4.1.1 Модель взаимосвязи открытых систем OSI / ISO 239

4.1.2 Классификация сетей по области действия 243

4.1.2.1 Локальные сети 244

Характеристики ЛВС 246

4.1.2.2 Городские сети 248

4.1.2.3 Глобальные сети 249

4.2 Особенности современных сетевых архитектур 251

4.2.1Модель SSA компании IBM 251

4.2.2 Базовая модель DNA фирмы DEC. 258

4.2.3 Сети TCP/IP 261

4.3 Маршрутизазия и управление потоками в сетях связи. 266

4.3.1 Классификация алгоритмов маршрутизации. 266

4.3.2 Типы алгоритмов маршрутизации 269

4.4 Сети интегрального обслуживания 274

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 277

Введение

Современная жизнь характеризуется повышенной деловой активностью населения. Любая сколь угодно полезная информация не может быть использована, если отсутствует каналы связи для ее передачи и приема. Сама по себе информация не имеет ценности, если ею нельзя воспользоваться.

Два крупных достижения в области фундаментальной науки – общая теория связи и достижения микроэлектроники – позволили совершить научно-техническую революцию в области связи.

Необходимость обладания информацией в определенное время, увеличение объема этой информации и уменьшение сроков ее доставки до адресата, возможность ее оперативной передачи и приема обусловили широкое внедрение спутниковых, волоконно-оптических систем связи, систем с шумоподобными сигналами, подвижной радиосвязи. Для предоставления современных услуг связи деловым потребителям недостаточно сети обычной телефонной связи. Сегодня стало актуально и экономически выгодно пользоваться сотовым телефоном или спутниковым терминалом.

Для правильного понимания функционирования действующих и перспективных систем передачи информации специалисту в области связи, а тем более специалисту в области защиты информации, передаваемой по каналам связи, необходимо знать основные положения теории сигналов, сообщений, информации, модуляции, оптимального приема и помехоустойчивого кодирования, принципы построения многоканальных систем передачи, высокоскоростных модемов, сжатия сообщений и многое другое.

Передача информации ведущаяся в условиях воздействия сильных и разнообразных помех, в том числе и преднамеренных, поэтому системы связи должны обладать высокой помехоустойчивостью, а также высокой эффективностью при относительной простоте технической реализации и эксплуатации. Это значит, что надо передавать наибольшее количество информации наиболее экономичным способом в заданное время. Последнее достигается благодаря использованию наиболее современных способов передачи (кодирования и модуляции) и приема (декодирования и демодуляции). Перечисленные вопросы подробно излагаются в данном учебном пособии.

Кроме того, в пособии рассмотрены вопросы организации и функционирования систем электросвязи, таких как: системы телефонной вязи, коротковолновые и ультракоротковолновые системы связи, системы подвижной радиосвязи общего пользования, спутниковые системы связи.

Также рассмотрены вопросы построения сетей передачи информации и системы коммуникации. Даются характеристики техническим средствам телекоммуникационных систем.

В основу предполагаемого пособия положен опыт преподавания дисциплин «Теория информации» и «Системы и сети передачи информации», читаемых в Воронежском государственном техническом университете для студентов, обучающихся по направлению «Информационная безопасность». Авторы благодарят Потапова Николая Юрьевича за помощь в оформлении материала учебного пособия.

1.Системы передачи информации. Способы представления и преобразования сообщений, сигналов и помех.

1.1 Общие сведения о системах связи

1.1.1 Информация. Сообщение. Сигнал

Информация наряду с материей и энергией является первичным понятием нашего мира и поэтому в строгом смысле не может быть определена. Можно лишь перечислить ее основные свойства, например такие как:

1. информация приносит сведения, об окружающем мире которых в рассматриваемой точке не было до ее получения;

2. информация не материальна, но она проявляется в форме материальных носителей дискретных знаков или первичных сигналах;

3. знаки и первичные сигналы несут информацию только для получателя способного распознать.

Вместе с тем слово информация является одним из тех терминов, которые достаточно часто встречаются не только в научных трудах специального характера, но и во множестве обиходных ситуаций и являются интуитивно понятными каждому человеку. При этом в узком практическом смысле под информацией обычно понимают совокупность сведений об окружающем мире являющихся объектом хранения, передачи и преобразования. Знаки или первичные сигналы, организованные в последовательности несут информацию не потому, что они повторяют объекты реального времени, а по общественной договоренности об однозначной связи знаков и объектов, например: предметы и слова для их обозначения. Кроме того, первичные сигналы могут быть порождены естественными законами реального мира, например: напряжение на выходе термопары под действием температуры.

Информация, основанная на однозначной связи знаков или сигналов с объектами реального мира, называется семантической или смысловой. Информация, заключенная в характере (порядке и взаимосвязи) следования знаков сообщающей называется синтаксической. Также в общей науке о знаках (семиотики) кроме перечисленных выделяют сигматический и прагматический аспекты информации. В первом случае изучается вопрос о выборе знаков для обозначения объектов реального мира, во втором случае о ценности информации для достижения поставленных целей. Очевидно, что наибольший практический интерес представляют смысловой и семантический и прагматический аспекты. Однако до сих пор не определены объективные количественные критерии меры ценности и полезности информации.

Информация передается, и храниться в виде сообщений. Под сообщением понимают совокупность знаков или первичных сигналов содержащих информацию. Иначе говоря, сообщение - это информация представленная в какой-либо форме. Пример сообщений: текст телеграммы, данные на выходе ЭВМ, речь, музыка и т.д. Для того чтобы сообщение можно было передать получателю, необходимо воспользоваться некоторым физическим процессом, способным с той или иной скоростью распространяться от источника к получателю сообщения. Изменяющийся во времени физический процесс, отражающий передаваемое сообщение называется сигналом.

Сообщения могут быть функциями времени (когда информация представлена в виде первичных сигналов: речь, музыка) и не является ими (когда информация представлена в виде совокупности знаков). Сигнал всегда является функцией времени.

Возможность способа передачи учитывается способом преобразования сообщения в сигнал. В случае электросвязи все виды информации с помощью соответствующих электронных приборов преобразуются в электрические сигналы, отображающие сообщение.

Сигнал – это материально-энергетическая форма представления информации. Другими словами, сигнал – это переносчик информации, один или несколько параметров которого, изменяясь, отображают сообщение.

Цепь “информация – сообщение – сигнал” – это пример процесса обработки, необходимой там, где находится источник информации. На стороне потребителя информации осуществляется обработка в обратном порядке: “сигнал – сообщение – информация”.

Существует несколько физических характеристик, общих для любого сигнала. Физическая характеристика сигнала – это описание любым способом его свойств.

Сигнал может быть характеризован различными параметрами. Для систем передачи имеют важное значение лишь три основных параметра: время передачи Тс, динамический диапазон изменения мощности сигнала от максимального Рс макс. до минимального Рс мин. значения и ширина полосы частот спектра ∆Fс.

Время передачи сигнала Тс характеризуется тем, что для передачи сигнала, несущего большую информацию, при прочих равных условиях, требуется и большее время.

Динамическим диапазоном характеризуют пределы изменения мощности сигнала. Оценивают динамический диапазон логарифмом отношения крайних значений мощности сигнала Рс макс./Рс мин., т.е.

Dc = 10lg(Рс макс./Рс мин). (1.1)

Полученное при этом значение динамического диапазона выражается в децибелах (дБ).

Третий параметр – ширина полосы спектра частот сигнала ∆Fc также связана с объемом информации, которую несет сигнал. Ширина полосы частот равна разности максимальной и минимальной частотных компонент сигнала:

∆Fc = Fмакс. – Fмин. (1.2)

Необходимая ширина полосы телефонного сигнала, обеспечивающая достаточную разборчивость и воспроизведение тембра речи, составляет от 300 до 3400 Гц, т.е. 3,1 кГц.

В зависимости от того, какие значения могут принимать аргумент (время t) и уровни сигналов их делят на 4 типа:

1) Непрерывный или аналоговый сигналы (рис.1.1). Случайные сигналы этого типа называются непрерывными случайными процессами. Они определены для всех моментов времени и могут принимать все значения из заданного диапазона. Чаще всего физические процессы, порождающие сигналы являются непрерывными. Этим и объясняется второе название сигналов данного типа аналоговый, т.е. аналогичные порождающим процессам.

Рис.1.1. Представление аналогового сигнала как непрерывной функции времени

2) Дискретизированный или дискретно непрерывные сигналы (рис.1.2). Случайные сигналы этого типа называют процессами с дискретным временем или непрерывными случайными последовательностями. Они определены лишь в отдельные моменты времени и могут принимать любые значения уровня. Временной интервал Δt между соседними отсчетами называется шагом дискретизации. Часто такие сигналы называют дискретными по времени.

Рис.1.2. Представление дискретного сигнала

3) Дискретные по уровню или квантованные сигналы. Случайные сигналы этого типа называют дискретными случайными процессами. Они определены для всех моментов времени и принимают лишь разрешенные значения уровней отделенные от друг друга на величину шага квантования Δx=x_k+1+x_k (рис.1.3)

Рис.1.3. Представление квантованного сигнала

4) Дискретные по уровню и по времени сигналы. Случайные сигналы этого типа называют дискретными случайными последовательностями. Они определены лишь в отдельные разрешенные моменты времени и могут принимать лишь разрешенные значения уровней. Такие сигналы называются цифровыми сигналами (рис.1.4).

Рис. 1.4. Представление цифрового сигнала