81 Пакетов в сети по необходимому адресу, то есть занимается маршрутизацией
пакетов. На канальном уровне осуществляется управление потоком данных и
их защита от ошибок. Пакет обрамляется специальными флагами и
служебной информацией. Физический уровень организует процесс передачи
сигнала через среду распространения.
Р и с. 100. Э т а л о н н ая м о д е ль в з а и м о д е й с т в ия о т к р ы т ых с и с т ем
Взаимодействие двух открытых систем происходит через одноимённые
Международная Организация по Стандартам (International Standards Organization, ISO) разработала модель, которая четко определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какую работу должен делать каждый уровень. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью ISO/OSI.
В модели OSI взаимодействие делится на семь уровней или слоев (рис. 1.1). Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия. Таким образом, проблема взаимодействия декомпозирована на 7 частных проблем, каждая из которых может быть
решена
независимо от других. Каждый уровень
поддерживает интерфейсы с выше- и
н
ижележащими
уровнями.
№14
Ширина спектра и длительность сигнала
При рассмотрении вопроса о сжатии и растяжении сигнала стало ясно, что чем уже сигнал, тем более широкий у него спектр. Обычно как сигнал, так и его спектр, не бывают строго ограничены по времени или по частоте. Поэтому необходимо определить понятия длительность сигнала и ширина его спектра. При этом обычно используют два подхода:
энергетический;
информационный.
При энергетическом
подходе длительность сигнала или ширину
его спектра определяют по заданной доле
от полной энергии сигнала. Так, например,
для сигнала в виде прямоугольного
импульса длительностью спектральная
плотность имеет бесконечно широкий
спектр, однако анализ показывает, что
первый лепесток спектра
содержит
90% от полной энергии импульса, а сумма
первого и второго
уже
95%. Аналогично можно рассуждать и о
длительности бесконечно длящегося
сигнала с конечной энергией.
При информационном
подходе важное значение имеет форма
сигнала: чем шире взята за основу условная
ширина его спектра, тем ближе по форме
к исходному может быть воспроизведенный
по ограниченному спектру сигнал. Иногда
ширину спектра определяют по уровню 
от
максимального значения. Для колоколообразных
импульсов принята величина е-1/2=0,606
от максимума. Ширина спектра и длительность
сигнала взаимосвязаны. Для выявления
этой связи определяют так
называемые эффективныедлительность
и ширину спектра, которые вычисляют с
помощью следующих соотношений:
Требуемый уровень сигнала передачи модема в линию связи опре-
деляется номинальным значением уровня сигнала данных на входе стан-
ции коммутации или каналообразующей аппаратуры (при использова-
нии арендованных каналов) и величины затухания абонентской линии
(АЛ) или/и соединительной линии (СЛ) .
Номинальное значение уровня сигнала на двухпроводном входе ка-
нала связи равно -15 дБм (относительные логарифмические единицы
"дБм" показывают ослабление сигнала по отношению к условному "0
дБ", соответствующего абсолютному значению Uо=775 мВ, при этом
Pi(дБм)=20lg(Ui/Uo). Исходя из этого и с учетом возможного разброса
затуханий двухпроводных АЛ и СЛ, требуется обеспечивать на выходе
модема возможность установления уровня передачи от 0 до -15дБм с
точностью установки ё1дБ.
Номинальное значение уровня передачи на четырехпроводном входе
канала связи составляет -28дБм. Исходя из этого и с учетом возмож-
ного разброса затухания СЛ, в модеме должна быть обеспечена возмож-
ность выходного уровня передачи в диапазоне от 0 до -28дБм с точ-
ностью установки ё1дБ.
№15
Устройство преобразования звукового сообщения в электрический сигнал представляет собой микрофон. Роль устройства, преобразующего телефонный сигнал в звуковое сообщение, выполняет телефон, находящийся в трубке. Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких человека через голосовые связки и полости рта и носа. Частота импульсов основного тона речи лежит в пределах от 50-80 Гц (очень низкий голос – бас) до 200-250 Гц (женский и детский голос). Импульсы основного тона содержат более 40 гармоник, амплитуда которых убывает с ростом частоты. При разговоре частота основного тона меняется в значительных пределах, особенно при переходе от гласных звуков к согласным и наоборот. Речь представляет собой широкополосный сигнал, частотный спектр которого находится в пределах 50-10000 Гц. Однако качество речи остается вполне удовлетворительным при ограничении спектра частотами 300-3400 Гц. Эти частоты приняты Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии (МККТТ) в качестве границ эффективного спектра речи. При данной полосе частот сохраняется хорошая разборчивость и удовлетворительная натуральность звучания. Средняя мощность телефонного сигнала, измеренная в час наибольшей нагрузки, с учетом сигналов управления (набора номера, вызова и т.д.) составляет 32 мкВт, что соответствует уровню РСР=-15дБм. Максимальная мощность телефонного сигнала равна 2220 мкВт, что соответствует уровню 3,5 дБм. Минимальная мощность сигнала, который еще слышен на фоне шума, принята равной -36,5 дБм. Зная РСР, РMAX и РMIN можно легко определить динамический диапазон речевого сигнала DC=40дБ и пик-фактор Q=18,5дБ. Влияние шумов на телефонную связь характеризуется следующими значениями: • 17 800 пВт (1пВт=10-12 Вт) – шум едва различим • 178 000 пВт – разборчивость еще достаточна • 1 780 000 пВт – разборчивость затруднена Принимая ширину спектра речи 3100 Гц и учитывая, что 75% времени в речи составляют паузы, можно определить информационную емкость телефонного сигнала J=8000 бит/с.
№16
Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные инструменты или голос человека. Формирование сигналов звукового вещания и их прием осуществляется так же, как и телефонных сигналов. Используются лишь другие типы микрофонов и вместо телефона громкоговоритель. Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20... ...20 000 Гц. Однако в зависимости от требований к качеству воспроизведения ширина спектра сигнала вещания может быть ограничена. Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) полоса частот ДРС должна составлять 50... ... 10 000 Гц, для безукоризненного воспроизведения программ вещания (каналы высшего класса) —30... 15 000 Гц. Средняя мощность Рср сигнала вещания (измеренная в точке с нулевым относительным уровнем) зависит от интервала усреднения и равна 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт — за минуту и 4500 мкВт — за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания 8000 мкВт. Динамический диапазон Dc сигналов вещания составляет для речи диктора 25 ... 35 дБ, для инструментального ансамбля 40 ... ... 50 дБ, для симфонического оркестра до 65 дБ. В соответствии с рекомендацией МККТТ мощность допустимых помех не должна превышать Рп = 4000 пВт. Используя величины АРс=Ю000 Гц, Рср = 923 мкВт и Рп= = 4000 пВт, можно подсчитать количество информации, содержащейся в сигнале вещания: 7=180 000 бит/с, т. е. информационная содержательность сигнала вещания выше, чем телефонного сигнала. Факсимильные сигналы. Факсимильная (фототелеграфная) связь — это передача неподвижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, текстов, газетных полос и т. д.). Устройство преобразования факсимильного сообщения (изображения) должно преобразовать световой поток, отражаемый от изображения, в электрический сигнал.
Передаваемое изображение накладывается на барабан передающего факсимильного аппарата. На поверхность изображения проектируется сфокусированное яркое световое пятно, перемещаемое вдоль оси барабана. При вращении последнего световое пятно осуществляет развертку изображения. Отраженный световой поток воздействует на фотоэлемент (ФЭ), в результате чего в его цепи появляется изменяющийся во времени ток, мгновенное значение которого определяется оптической плотностью (отражающей способностью) элементов изображения. Преобразование электрического сигнала в изображение происходит в приемном факсимильном аппарате. Принятый факсимильный сигнал подается на безынерционную газовую лампу (ГЛ), интенсивность свечения которой пропорциональна мгновенному значению сигнала. Пучок света от этой лампы фокусируется на светочувствительную бумагу, закрепленную на барабане приемного аппарата. Барабан вращается синхронно и синфазно с барабаном передачи. Световое пятно от лампы перемещается вдоль его оси, как и в передатчике. В результате после проявления получается копия передаваемого изображения. Устройства барабанной развертки изображения относятся к оптико-механическим развертывающим устройствам. Факсимильные аппараты с оптико-механическими системами (наряду с барабанной существует и плоскостная) довольно широко применяются для передачи изображений. Однако в ближайшее время их вытеснят аппараты с современными развертывающими устройствами, осуществляющими электронное сканирование (считывание с помощью электронного луча) элементов изображения. Такие устройства обладают широким диапазоном скоростей развертки изображения. В приведенном примере был описан фотографический способ регистрации сообщений. Наряду с ним применяются способы записи изображения, не требующие использования фотобумаги и проявляющих веществ: чернильный, электростатический, термохимический. Ширина спектра первичного факсимильного сигнала зависит от передаваемого изображения, скорости развертки изображения, размеров светового пятна. Ширина спектра будет максимальной в случае, если изображение состоит из чередующихся черных и белых полос, равных по ширине световому пятну. При передаче реальных изображений получается сигнал сложной формы, энергетический спектр которого содержит все частоты от нуля до максимальной. Международный консультативный комитет (МККТТ) рекомендует выпускать факсимильные аппараты с диаметром барабана 70 мм, шириной светового пятна 0,15 мм и скоростями вращения барабана 60, 90 и 120 мин-1. При таких параметрах аппарата ширина спектра факсимильного сигнала будет составлять для заданных скоростей вращения барабана соответственно 0 ... ... 732, 0 ... 1100 и 0 ... 1465 Гц. Изображения бывают штриховые, т. е. содержащие всего две градации яркости, и полутоновые. Для полутоновых изображений динамический диапазон факсимильного сигнала Dc~25 дБ. Пик-фактор факсимильного сигнала для изображения с 16 градациями яркости (что соответствует хорошему качеству) Q = 4,5 дБ. Информационная содержательность факсимильного сигнала при скорости вращения барабана 120 мин-1 составляет для штриховых изображений (две градации яркости) / = 2930 бит/с и полутоновых изображений (16 градаций яркости) /=11 700 бит/с. Факсимильная связь широко используется для передачи газетных полос (т. е. их изображений) в пункты децентрализованного печатания. Для передачи газет используются специальные высокоскоростные факсимильные аппараты «Газета-2» с шириной светового пятна 0,04 ...0,06 мм, шириной спектра факсимильного сигнала 0... 180 000 Гц и временем передачи полосы 2,5 ... 3,5 мин. Информационная содержательность сигнала (изображение штриховое) / = 360 кбит/с.
№18
Совокупность сигналов изображения, гасящих и синхронизирующих импульсов, называется полным телевизионным сигналом.
Сигнал изображения формируется во время прямого хода луча. Во время обратного хода луч должен быть погашен, иначе, двигаясь в противоположном направлении, он нарушит правильное распределение электрических зарядов на фотомишени передающей трубки, а на экране кинескопа появятся светлые наклонные линии, ухудшающие качество изображения.
Электронные лучи гасятся подачей на электронные прожекторы передающей и приемной трубок специально сформированных гасящих импульсов. Кроме того, для правильного воспроизведения изображения все развертывающие устройства телевизионной системы должны работать синхронно и синфазно, т. е. если, например, на экране кинескопа воспроизводится начало первой строки передаваемого изображения, то электронный луч должен находиться в верхнем левом углу экрана, а при воспроизведении конца последней активной строки второго полукадра - в правом нижнем углу.
В сигнале различают: номинальный уровень белого, соответствующий передаче нормированного белого в объекте; уровень черного, соответствующий наиболее темным элементам изображения; уровень гашения, расположенный “чернее черного” на 0…7% для запирания TV преобразователей на время обратного хода развертывающих лучей; уровень синхроимпульсов, расположенных на площадках гасящих импульсов в диапазоне “чернее черного”.
Длительность строчного синхронизирующего импульса τк.синхр = 4,7 мс, кадрового τк.синхр = 160 мс = 2,5 H, где Н – период строки. Размах полного сигнала яркости (видеосигнал + синхросигнал) принимается за 100%. Полезная видеоинформация (от уровня гасящих импульсов до уровня белого) занимает 70% его амплитудного диапазона, а сигнал синхронизации приемника – 30%.
Динамический диапазон (техника) — характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового давления, представляющая логарифм отношения максимального и минимального возможных значений величины входного параметра устройства (системы).
№19
Все рассматриваемые до сих пор сообщения и сигналы являлись непрерывными. Сообщения и сигналы телеграфии и передачи данных относятся к дискретным. По определению МККТТ передача данных – это область электросвязи, целью которой является передача информации для ее обработки вычислительными машинами или уже обработанной ими. Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных в электрический сигнал представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определенной комбинации импульсов и пауз одинаковой длительности. В телеграфии соответствие цифрам и буквам комбинаций импульсов и пауз называется телеграфным кодом. Так в международном телеграфном коде МТК-2 буква А представляется как 11000, буква В как 10011 и т.д. Для передачи данных используются более сложные коды. По принятым комбинациям импульсов на приемной стороне можно восстановить значения знаков. Чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования (передачи данных): где τn – длительность импульса в секундах. В честь французского изобретателя Ж.Бодо единицу скорости телеграфирования назвали Бодом. При длительности импульса τn=1 с скорость телеграфирования В=1 Бод. В телеграфии принята стандартная скорость телеграфирования, равная 50 Бод. Повышенная скорость составляет 75 Бод. Для передачи данных используются более высокие скорости. Существует аппаратура передачи данных со скоростью 200, 300, 600, 1200, 2400 и более Бод. Первичные сигналы телеграфии и передачи данных имеют вид последовательности прямоугольных импульсов. Спектр такой последовательности содержит бесконечное число гармоник. Т.о. для безошибочной передачи такого сигнала нужна бесконечно широкая полоса частот. Однако при передаче двоичных сигналов нет необходимости восстанавливать в приемнике импульсы без искажений, т.е. сохранять их форму. Достаточно зафиксировать только знак импульса при двухполярном сигнале, либо наличие или отсутствие сигнала при однополярном сигнале. Принято, что импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости передачи в Бодах. Так для стандартной скорости телеграфирования 50 Бод ширина спектра сигнала составляет 50 Гц. При скорости 2400 Бод (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 2400 Гц. Пропускная способность системы в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом Бод. Она может быть как выше, так и ниже числа Бод, и это соотношение зависит от способа кодирования.
№20
Бит в секунду, бит/с (англ. bits per second, bps) — базовая единица измерения скорости передачи информации, используемая на физическом уровне сетевой модели OSIили TCP/IP.
На более высоких уровнях сетевых моделей, как правило, используется более крупная единица — байт в секунду (Б/c или Bps, от англ. bytes per second) равная 8 бит/c.
В отличие от бодов (англ. baud; при двоичном кодировании боды также обозначают количество бит в секунду), битами в секунду измеряется эффективный объём информации, без учёта служебных битов (стартовые/стоповые/чётность) применяемых при асинхронной передаче. В некоторых случаях (при синхронной двоичной передаче) скорость в бодах может быть равной скорости в битах в секунду.
Теперь настало время поговорить о том, как измеряется скорость передачи информации. В литературе и документации модемов фигурируют три различных единицы измерения скорости: биты за секунду (Bits Per Second - bps), боды (baud) и символы за секунду (Characters Per Second - cps). К сожалению, среди этих терминов существует путаница. Многие пользователи и даже сами разработчики модемов не делают разницы между этими понятиями. Мы придерживаемся в своем изложении следующих соглашений.
Символы за секунду
Как вы узнаете позже, при передаче данных через порт последовательного асинхронного адаптера передается не только полезная информация. Обычно на каждый байт полезной информации передается два служебных бита.
Таким образом, чтобы узнать, сколько фактически байт в секунду сможет передать один компьютер другому через модем, следует разделить величину скорости в битах за секунду на 10.
Следовательно, фактическая скорость передачи информации для модема 2400 bps составит всего 240 символов за секунду, вместо 300.
Однако это значение весьма приближенное. При передаче данных могут применяться протоколы коррекции ошибок и сжатия передаваемой информации. Поэтому настоящая скорость передачи информации будет зависеть от качества телефонного канала, алгоритма сжатия, самой информации, а также многих других факторов.
Боды
Скорость в бодах определяется числом изменений сигнала, передаваемым модемом по телефонной линии, произошедшего за одну секунду. Различные способы модуляции могут кодировать в одном значении сигнала несколько бит. Поэтому значение скорости передачи данных модемом в бодах может отличаться от значения скорости в битах за секунду.
Так, для модемов, соответствующих рекомендации CCITT V.32 и работающих со скоростью 9600 bps, применяется комплексный метод модуляции, в котором информация кодируется одновременным изменением фазы и амплитуды. Это позволяет закодировать в каждом значении сигнала 4 бита полезной информации. Таким образом, модем, работающий со скоростью 9600 bps, передает данные со скоростью всего 2400 бод.
Для обозначения больших скоростей передачи применяют более крупные единицы, образованные с помощью приставок системы СИ кило-, мега-, гига- и т. п. получая:
Килобиты в секунду — Кбит/c (Кbps)
Мегабиты в секунду — Мбит/c (Mbps)
Гигабиты в секунду — Гбит/c (Gbps)
№22
Последовательная передача данных может осуществляться в асинхронном или синхронном режимах. При асинхронной пе- редаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализи- рующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности^). Завер- шает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу межцу посыл- ками (рис. 2.1). Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами воз- можны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имею- щий всегда строго определенное значение (логический 0), обес- печивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена. Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчик-де- литель опорной частоты, обнуляемый в момент приема нача- ла старт-бита. Этот счетчик генерирует внутренние стробы, по которым приемник фиксирует последующие принимаемые
биты. В идеале стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позволяет принимать данные и при незна- чительном рассогласовании скоростей приемника и пере- датчика. Очевидно, что при передаче 8 бит данных, одного контрольного и одного стоп-бита предельно допустимое рас- согласование скоростей, при котором данные будут распоз- наны верно, не может превышать 5%. С учетом фазовых ис- кажений и дискретности работы внутреннего счетчика синхронизации реально допустимо меньшее отклонение час- тот. Чем меньше коэффициент деления опорной частоты внут- реннего генератора (чем выше частота передачи), тем больше погрешность привязки стробов к середине битового интерва- ла, и требования к согласованности частот становятся более строгими. Чем выше частота передачи, тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала. Взаимо- действие этих факторов приводит к повышению требований к согласованности частот приемника и передатчика с ростом частоты обмена.
№23
Параллельной передачей в телекоммуникациях называется одновременная передача элементов сигнала одного символа или другого объекта данных. В цифровой связи параллельной передачей называется одновременная передача соответствующих элементов сигнала по двум или большему числу путям. Используя множество электрических проводов можно передавать несколько бит одновременно, что позволяет достичь более высоких скоростей передачи, чем при последовательной передаче. Этот метод применяется внутри компьютера, например, во внутренних шинах данных, а иногда и во внешних устройствах, таких, как принтеры. Основной проблемой при этом является «перекос», потому что провода при параллельной передаче имеют немного разные свойства (не специально), поэтому некоторые биты могут прибыть раньше других, что может повредить сообщение. Бит чётности может способствовать сокращению ошибок. Тем не менее электрический провод при параллельной передаче данных менее надёжен на больших расстояниях, поскольку передача нарушается с гораздо более высокой вероятностью.
№24,21
На практике число нулей или единиц следующих подряд не лимитировано. По этой причине на принимающей стороне при этом рано или поздно возникает проблема синхронизации временных шкал передатчика и приемника. Для решения этой проблемы существует два метода передачи данных: синхронный и асинхронный. Асинхронный метод используется для относительно низкоскоростных каналов передачи и автономного оборудования. Синхронный метод применяется в скоростных каналах и базируется на пересылке синхронизующего тактового сигнала по отдельному каналу или путем совмещения его с передаваемыми данными. При наличии