МИНОБРНАУКИ РОССИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)
Кафедра информационной безопасности
Лабораторная РАБОТА №2
по дисциплине «Сети и системы передачи данных»
Тема: Основы передачи данных на физическом уровне
Студент _________________
Преподаватель _________________ Абазина Е.С.
Санкт-Петербург
2026
Содержание
Y
Формулировка определений и их свойств 3
Список использованных источников 26
Теоретическое введение
Цель лабораторной работы:
Ознакомиться с общими принципами и закономерностями, выполняемыми на физическом уровне модели взаимодействия открытых систем.
Ознакомиться с основными средами распространения сигналов систем передачи данных
Изучить технологии передачи данных на физическом уровне.
Формулировка определений и их свойств
Согласно эталонной модели взаимодействия открытых систем OSI физический уровень (Physical layer) является самым дальним от абонента и фактически соответствует среде распространения сигналов (линии связи), а также предусматривает функционирование устройств, обеспечивающих излучение и прием сигналов в эту среду (предающего и приемного оборудования) – т.е. включает не только линию связи, но и канал связи (рис. 1).
Рисунок 1. Место физического уровня OSI в структурной схеме цифровой системы передачи данных
На физическом уровне функционируют все возможные среду передачи данных, в которых распространяются сигналы (рис. 2).
К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов.
Рисунок 2. Среды передачи данных
Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.
Примером протокола физического уровня может служить спецификация l0-Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов.
Канал связи — совокупность технических средств для передачи информации от отправителя (от оконечного устройства) к получателю (к другому оконечному устройству). Техническими средствами являются усилители, различного рода преобразователи, электрические фильтры, кабели, антенны и другие устройства. Информация по каналу связи может передаваться в один или несколько пунктов, расположенных по пути следования сигнала, или по разветвлённой сети пунктов.
Каналы связи в зависимости от направления передачи информации:
симплексные — сигнал передаётся только в одном направлении (например, телевизионные каналы);
полудуплексные — сигнал передаётся в обоих направлениях поочерёдно;
дуплексные — сигнал передаётся одновременно в обоих направлениях (например, телефонные каналы).
Каналы связи по характеру передаваемых сигналов (рис. 3) (или в зависимости от методов передачи сигналов) классифицируют на:
аналоговые – значения амплитуды сигналы непрерывны и существуют в каждый момент времени в независимости от масштаба;
дискретные – значения параметров сигнала изменяются скачком (дискретно) в некоторые моменты времени (дискретные по времени, квантованные по уровню (значений амплитуды сигнала));
цифровые – значения сигнала представлены двоичным кодом.
Рисунок 3. Виды сигналов
Возможность на приемной стороне детектирования, приема и восстановления данных существует тогда, когда параметры канала, используемого для передачи данных, согласованы с параметрами сигнала, несущего данные, и распространяющегося по выбранному каналу.
Выделяют три основных пары параметров сигналов и каналов (рис. 4). Для передачи сигнала по каналу без искажений объём канала Vk должен быть больше объёма сигнала Vc, то есть Vk>Vc. Объем сигнала рассчитывается по формуле: Vc=Tc⋅ΔFc⋅Dc, где Tc — длительность сигнала, ΔFc — ширина спектра сигнала, Dc — динамический диапазон сигнала.
Простейший случай вписывания объёма сигнала в объём канала — это достижение выполнения неравенств Tk>Tc, ΔFk>ΔFc, Dk>Dc. Тем не менее, Vk>Vc может выполняться и в других случаях, что даёт возможность добиться требуемых характеристик канала изменением других параметров. Например, с уменьшением времени, в течение которого по каналу возможна передача, можно увеличить полосу пропускания.
Канал также характеризуется пропускной способностью – количеством бит данных, передаваемых в единицу времени с заданным качеством. Пропускная способность (скорость передачи данных) напрямую зависит от полосы пропускания и отношения сигнал-шум на входе приемного оборудования. Полоса пропускания канала — диапазон частот, в пределах которого мощность сигналов при распространении затухает не более, чем на 3 дБ, для обеспечения его передачи без существенного искажения формы.
Рисунок 4. Параметры сигнала и параметры канала
Полоса пропускания канала характеризуется амплитудно-частотной характеристикой канала (АЧХ).
Рисунок 5. Полоса пропускания канала
Пропускная способность канала и скорость передачи данных в канале связаны соотношениями Шеннона (теорема Шеннона — Хартли) с учетом аддитивного белого гауссова шума в канале:
C = F log₂(1 + S/N), где:
C — пропускная способность канала в битах в секунду (бит/с);
F — ширина полосы пропускания канала в герцах (Гц);
S/N — отношение сигнал/шум.
Формула Найквиста позволяет также оценить скорость передачи информации по каналу:
C = 2Flog₂M,
где M — количество различимых состояний сигнала на выходе канала (вход приемника).
Для согласования параметров сигнала и канала, в первую очередь по частотным параметрам, выполняется модуляция:
Модуляция - процесс изменения одного или нескольких параметров одного сигнала (модулируемого несущего сигнала) параметрами другого сигнала (модулирующего).
Передаваемая информация заложена в модулирующем сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, попадающее в полосу пропускания канала и называемое несущим (модулируемым). Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую с целью получения сигнала, спектр которого точно будет находиться в полосе пропускания канала. В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких частот. Модуляция также позволяет осуществлять проектирование и настройку приёмо-передающих устройств на разных частотах с тем, чтобы они «не мешали» друг другу.
В качестве несущего могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией.
Разновидности модуляции представлены на рис. 6.
В цифровой модуляции разработаны подходы, позволяющие увеличить информационную скорость передачи данных за счет увеличения числа состояний сигнала, детектируемых на приемной стороне. Такие способы модуляции принято называть многопозиционными. К ним относят фазовая модуляция (манипуляция) и амплитудно-фазовая модуляция (рис. 7).
Значность модуляции для фазовой модуляции растет пропорционально степени 2: M= b2, где b- количество бит данных, переносимых одним состоянием (реализацией) несущего сигнала. Таким образом, двоичная фазовая модуляция (ФМ-2, BPSK) имеет два возможных состояния несущей – без сдвига фазы (φ=0), что соответствует значению данных «1», и со сдвигом в 180о (значение данных «0»). Для переноса сразу двух бит информации требуется 4 равновероятных состояний несущего сигнала (с фазами 0о, 90о, 180о, 270 или 45о, 135о, 225 о, 315 о) – (ФМ-4, QPSK)
Кроме параметра фазы возможно одновременное изменение и параметра амплитуды несущего сигнала. Такая разновидность модуляции называется амплитудно-фазовой или фазово-амплитудной (ФАМ, APSK,). Минимальная значность QAM – 4, но как правило используется QAM – 16 и выше. Возможность использования многопозиционных видов модуляции зависит от состояния канала (присутствия шумов и помех, мощности сигнала и его частоты, дальности передачи, чувствительности приемника и конструктивных особенностей антенн (для беспроводных систем), выражающихся в коэффициентах усиления сигнала).
Рисунок 6. Классификация разновидностей модулей
Рисунок 7. Многопозиционные виды манипуляции
Связь указанных параметров отражена в основном уравнении связи (радиосвязи, уравнении Фриса) (рис. 8).
Рисунок 8. Уравнение связи
Детектирование сигнала на приемной стороне предусматривает выполнения условия превышения отношения сигнал-шум значения уровня чувствительности по мощности приемных трактов; определение задача для приемного оборудования в зависимости от его назначения (обнаружения сигнала, разделения сигналов, восстановления), выбора критерия принятия решения, вычислением автокорреляционной функции сигналов, использования согласованных фильтров. В зависимости от «информированности» приемника о параметрах сигнала, прием может быть когерентным (согласованным, с использованием супергетеродинов), некогерентный (несогласованный, с применением способов накопления сигналов).