Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы и сети передачи информации. Учебное пособие.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тамбовский государственный технический университет»
Ю.Ю. ГРОМОВ, И.Г. КАРПОВ, Г.Н. НУРУТДИНОВ,
В.А. ГРИДНЕВ, В.Г. ОДНОЛЬКО, С.М. ЛОБАНОВ
СИСТЕМЫ И СЕТИ ПЕРЕДАЧИ
ИНФОРМАЦИИ
Утверждено Ученым советом университета в качестве учебного пособия
для студентов, обучающихся по специальности 090105
«Комплексное обеспечение информационной безопасности
автоматизированных систем» и для студентов среднего
профессионального образования по специальности 230105
«Программное обеспечение вычислительной техники и
автоматизированных систем»
Учебное электронное издание комбинированного распространения
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
2012
1
УДК 621.396.6(075)
ББК 32.811.3я73
Т338
Р е ц е н з е н т ы :
Кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Информационная безопасность» ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
Ю.Ф. Мартемьянов
Технический директор ОАО «Тамбовский завод «Октябрь»
А.Л. Будзейко
Т338 Системы и сети передачи информации [Электронный ресурс] :
учебное пособие / Ю.Ю. Громов, И.Г. Карпов, Г.Н. Нурутдинов,
В.А. Гриднев, В.Г. Однолько, С.М. Лобанов. – Тамбов : Изд-во
ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. – 128 с.
Приведены основные сведении о принципах построения и методах по-
вышения эффективности систем передачи информации.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 090105 «Комплексное обеспечение информационной
безопасности автоматизированных систем» и для студентов среднего профессионального образования, обучающихся по специальности 230105 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем».
УДК 621.396.6(075)
ББК 32.811.3я73
Все права на размножение и распространение в любой форме оста-
ются за разработчиком. Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»), 2012
2
ВВЕДЕНИЕ
Системы передачи информации (СПИ) представляют собой сложные
комплексы, состоящие из различных функционально зависимых элементов. Эти системы характеризуются не только большим числом элементов,
но и иерархичностью структуры, наличием между элементами прямых,
обратных и перекрестных связей. Свойства любой системы прежде всего
определяются ее целевым назначением (целями функционирования), которое трактуется как совокупность задач, решаемых данной системой.
Для получения желаемого результата необходимо совершить определенное число операций, реализуемых за счет имеющихся ресурсов системы.
В СПИ такими операциями являются кодирование, модуляция, усиление
сигнала, демодуляция, декодирование, селекция сигналов, маршрутизация, адресование, коммутация и тому подобное, а ресурсами системы –
емкость каналов, возможности центров коммутации, мощность сигнала,
полоса частот канала и др. Однако СПИ как техническая система имеет
ряд специфических особенностей, среди которых наиболее существенны
объект (продукт) передачи и среда (условия) распространения сигналов.
Объектом передачи в СПИ является информация. Для организации обмена информацией между многими источниками и получателями информации каналы и системы передачи объединяют в сети связи – единый комплекс систем передачи и распределения информации. При этом отправителей и получателей информации называют пользователями или абонентами. Понятие распределения информации охватывает задачи распределения маршрутов передачи информации и связанные с этим задачи анализа и синтеза сетей связи и центров коммутации. Задача распределения
информации возникла сразу же вслед за созданием устройств ее передачи.
Примером простейшей СПИ является полносвязная сеть, где абонентские
(оконечные) пункты соединены по принципу «каждый с каждым». Такие
сети относятся к некоммутируемым сетям, здесь связь между пользователями осуществляется по закрепленным некоммутируемым каналам. К
достоинствам некоммутируемых сетей относится то, что в них информация передается без потерь времени на ожидание соединения с оконечным
пунктом получателя и нет необходимости в передаче адреса вызываемого
пункта. Вместе с тем при увеличении числа оконечных пунктов резко
возрастает число необходимых линий связи.
3
В целях сокращения числа необходимых каналов используются коммутируемые СПИ, в которых оконечные пункты соединяют между собой
не непосредственно, а через один или несколько коммутационных центров. Во многих случаях (особенно при односторонней передаче информации) можно использовать способ коммутации сообщений. В таких системах, построенных на базе ЭВМ, передаваемые сообщения, сопровождаемые адресом, принимаются на оконечных пунктах отправителя без
отказа, обрабатываются и накапливаются в памяти коммутационных центров. Передача информации в адрес оконечного пункта получателя производится по мере освобождения необходимых каналов. При этом, естественно, возникает задержка, затрудняющая передачу информации в реальном масштабе времени, например, при телефонном разговоре.
Для сокращения времени задержки в современных СПИ используется разновидность способа коммутации сообщений, называемая коммутацией пакетов. В сетях с коммутацией пакетов от источника к получателю
передаются короткие блоки данных, называемые пакетами. Наиболее типичные виды нагрузки создает передача данных в интерактивном диалоговом режиме, когда между терминалами (в том числе и компьютерами)
передаются короткие пачки сообщений. Под пакетом понимается часть
сообщения, представленная в виде блока с заголовками, имеющего установленный формат и ограниченную длину, передаваемая по сети как
часть единого целого. Функции и требования к центрам коммутации каналов и коммутации пакетов совершенно разные. Однако по мере развития интегральных сетей (в том числе и информационно-вычислительных),
в которых обрабатываются речь, данные и другие виды сообщений и используется техника коммутации пакетов, каналов и гибридная техника,
функции и требования к коммутационным центрам становятся сходными.
При увеличении числа оконечных пользователей и их территориальной
разобщенности возникает задача выбора структуры сети, размещения
коммутационных центров, определения пропускной способности информационных направлений и числа каналов.
В последние годы развиваются процессы конвергенции и интеграции
современных компьютерных и традиционных сетей связи и появляются
инфокоммуникационные сети, начиная от корпоративных и заканчивая
сетями национального и глобального масштабов. Сетевые технологии,
такие как синхронная цифровая иерархия, асинхронный режим передачи,
сверхплотное волновое мультиплексирование и другие, не только открывают новые возможности в построении современных СПИ, но и требуют
специального изучения.
Разобраться в существующем многообразии различных систем и методов передачи информации, понять общие принципы их построения и
функционирования поможет данное учебное пособие.
4
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ
[
]
ИНФОРМАЦИИ
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СИСТЕМ СВЯЗИ
Качество работы систем связи можно характеризовать рядом показа-
телей. К наиболее важным из них относятся: достоверность передачи
сообщений, помехоустойчивость, скорость передачи и эффективность
системы.
Достоверность передачи сообщений. Под достоверностью передачи
сообщений понимается степень соответствия принятых сообщений переданным. Возможные несоответствия между ними могут быть обусловлены
действием помех и искажений в канале связи.
Критерий оценки достоверности передачи определяется видом передаваемых сообщений. Достоверность передачи дискретных сообщений
можно оценить отношением числа ошибочно принятых элементов сообщения nош к общему числу элементов n
k =
ош
:
общ
n
ош
. (1.1)
n
общ
Это отношение называется коэффициентом ошибок. При ограниченном времени передачи (конечном числе n
) величина kош случайна. Если
общ
время передачи является достаточно большим, то статистические характеристики случайной величины kош становятся весьма устойчивыми, т.е. их
изменения от сеанса связи к сеансу будут незначительными. Поэтому в
первом приближении величину kош можно считать близкой к вероятности
ошибки приема элемента сообщения Рош. Оценка достоверности передачи
дискретных сообщений с использованием вероятности Рош получила широкое применение из-за своей простоты и удобства.
Достоверность передачи непрерывных сообщений наиболее часто
оценивается средним квадратом ошибки
ош
22
ˆ
)( ttt λ−λ=ε=σ
2
, (1.2)
)()(
где угловыми скобками обозначена операция усреднения по всем возмож
ным реализациям
λ(t) и их
оценкам
ˆ
)(
tλ .
Помехоустойчивость − это способность системы связи выполнять
поставленные задачи по передаче сообщений в условиях воздействия по
мех. Помехоустойчивость системы радиосвязи зависит от классов излуче
ния радиосигналов (видов модуляции
),
методов приема сигналов, спосо
бов кодирования и т.п. Обеспечение высокой помехоустойчивости отно
сится к числу основных проблем радиосвязи
.
-
-
-
-
-
5
Для оценки помехоустойчивости систем связи применяют различные
критерии. Наиболее распространенным из них является критерий, в
соответствии с которым помехоустойчивость оценивается требуемым
отношением средних мощностей сигнала Ps и помехи Pп (отношением
сигнал−шум) на входе приемника
q
вх
обеспечивающим заданную достоверность передачи Рош или
, (1.3)
P
п
вх
σ
2
ош
. Чем
P
s
=
меньше требуется qвх, тем выше помехоустойчивость.
Количественная оценка помехоустойчивости систем связи и сравнение различных систем по этому показателю производятся с помощью зависимостей
Р
= f(qвх) или
ош
2
σ
ош
= f(qвх),
которые функционально связывают достоверность передачи информации с
величиной отношения мощностей сигнала и помехи на входе приемника qвх.
Скорость передачи информации. Одни и те же сообщения можно
передавать с помощью различных систем связи с различной скоростью.
Передача непрерывных сообщений обычно осуществляется в реальном
масштабе времени, т.е. в темпе, определяемом естественной скоростью
создания таких сообщений источником. Однако в некоторых случаях
целесообразно сообщения от источника записать (например, на магнитофон или другое запоминающее устройство), а затем передавать со скоростью, отличающейся (в большую или меньшую сторону) от скорости
их создания.
Такой принцип передачи позволяет эффективнее использовать
каналы связи, организовывать более гибкую связь и получать ряд других
преимуществ.
Численно скорость передачи информации R определяется количеством информации, поступающей от отправителя к получателю за 1 с. Количество информации обычно измеряют в двоичных единицах (битах). Поэтому скорость передачи определяется числом бит в секунду. Эта скорость
зависит от ряда факторов: характеристик канала связи, статистических
свойств сообщений и помех и др.
При передаче дискретных сообщений для характеристики быстродействия аппаратуры, формирующей информационный поток в передающей части системы, пользуются понятием техническая скорость передачи
vМ (скорость телеграфирования, скорость манипуляции). Она определяется количеством элементарных посылок дискретного сообщения, формируемых в единицу времени, и измеряется в Бодах, т.е.
, (1.4)
T1vМ=
6
где T − длительность передачи одной элементарной посылки дискретного
сообщения.
Предельные возможности скорости передачи информации по каналу
связи оценивают величиной пропускной способности канала. Пропускная
способность канала С численно определяется максимальным количеством
информации, которое может быть передано по нему в 1 с.
Эффективность системы связи. Передача информации с требуемой
достоверностью и заданной скоростью еще не может служить достаточным основанием для оценки качества работы рассматриваемой системы
связи. Одни и те же достоверность и скорость передачи информации можно получить, применяя разные системы. Желательно иметь такую систему
связи, которая обеспечивала бы передачу информации с заданной точностью и скоростью наиболее экономно, т.е. с наименьшими «затратами».
Под затратами можно понимать мощность сигнала, полосу частот, стоимость аппаратуры, ее габаритные размеры, массу и т.д., которые необходимы для передачи определенного количества информации. Совокупность
свойств, характеризующих экономичность системы с точки зрения указанных затрат, называют эффективностью системы.
Для сравнения различных систем связи по эффективности нужно выбрать совокупность затрат различного вида и указать критерии, в соответствии с которыми можно принять решение о предпочтительности одной
системы по сравнению с другой. Наиболее широкое применение в теории
связи получили критерии, в соответствии с которыми система связи оценивается величиной затрат на передачу двоичной единицы информации
при заданной точности приема сообщений. Такие критерии называют
критериями удельных затрат. В соответствии с ними более эффективной
считается та система, которая характеризуется меньшими удельными затратами.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Современные системы передачи информации характеризуются большим разнообразием видов передаваемых сообщений, способов модуляции, принципов построения, режимов работы и т.п. Соответственно они
могут быть классифицированы по многим признакам.
Независимо от признака классификации все системы передачи информации удобно разделить на проводные (кабельные, волноводные, световодные и т.д.) и беспроводные (радиотехнические, оптические, гидроакустические и др.).
При классификации радиотехнических систем передачи информации
(см. рис. 1.1) обычно учитываются: вид передаваемых сообщений; вид
радиосигналов; диапазон рабочих частот; значение базы сигнала; количе-
7
ство одновременно передаваемых сообщений; направление обмена сообщениями; порядок обмена сообщениями; вид радиолинии связи.
По виду передаваемых сообщений различают следующие типы
систем: телефонные, предназначенные для передачи речевых сообщений;
телеграфные, предназначенные для передачи буквенно-цифрового текста,
факсимильные, предназначенные для передачи неподвижных изображе-
ний; телевизионные, предназначенные для передачи изображений; системы передачи данных, предназначенные для обслуживания автоматизированных систем управления.
Следует отметить, что современные средства связи, как правило,
обеспечивают возможность передачи сообщений нескольких видов. Например, многие типы наземных и бортовых радиостанций обеспечивают
передачу и прием речевых и телеграфных сообщений, а также различных
данных.
По виду радиосигналов все системы передачи информации делятся
на три группы: системы передачи аналоговых сигналов (аналоговые системы радиосвязи); системы передачи цифровых сигналов (цифровые системы радиосвязи); системы передачи импульсных сигналов (импульсные
системы радиосвязи).
В аналоговых системах радиосвязи передаваемые сообщения являются непрерывными и преобразуются в аналоговый радиосигнал с помощью
различных видов модуляции. В современных системах радиосвязи наиболее широко применяются амплитудная (АМ), однополосная (ОМ) и частотная модуляции (ЧМ).
В цифровых системах радиосвязи передаваемые сообщения (дискретные, а также непрерывные) вначале преобразуются в цифровую форму (в последовательность символов, например двоичных), а затем с помощью манипуляции в цифровой радиосигнал. Для преобразования непрерывных сообщений в цифровую форму используют операции: дискретизацию по времени, квантование по уровню и кодирование. Наиболее
распространенными способами преобразования непрерывных сообщений
в цифровую форму являются импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) и дельтамодуляция (ДМ). Для преобразования двоичных символов в модулированные радиосигналы могут использоваться различные виды манипуляции:
амплитудная (АМн), частотная (ЧМн), фазовая (ФМн) и др.
В импульсных системах радиосвязи непрерывные сообщения (аналоговые сигналы) преобразуются в импульсные сигналы. При этом могут
использоваться следующие виды импульсной модуляции: амплитудноимпульсная (АИМ), широтно-импульсная (ШИМ) и фазоимпульсная
(ФИМ). В дальнейшем для передачи по радиоканалу видеоимпульсы преобразуются в радиоимпульсы с помощью различных видов модуляции
(АМ, ЧМ и др.).
8
По диапазону рабочих частот (радиоволн) классификация радиотех-
нических систем может быть проведена в соответствии с данными табл. 1.1.
Наиболее широкое применение в радиотехнических системах находят дека-
метровые, метровые, дециметровые и сантиметровые волны.
По значениям базы сигнала различают широкополосные и узкополосные системы радиосвязи. Базой радиосигнала называется отношение
ширины спектра радиосигнала к ширине спектра сообщения (первичного
сигнала). Широкополосной называется система радиосвязи, в которой используются радиосигналы с базой много больше единицы. В узкополосных системах радиосвязи используются радиосигналы, база которых примерно равна единице.
1.1. Основные диапазоны радиочастот и радиоволн
Диапазон частот
Диапазон
волн
30...300 кГц 1...10 км
300...3000 кГц 100...1000 м
3...30 МГц 10...100 м
30...300 МГц 1...10 м Метровые
300...3000 МГц 10...100 см Дециметровые
3...30 ГГц 1...10 см Сантиметровые
30...300 ГГц 1...10 мм Миллиметровые
300...3000 ГГц 0,1...1 см Децимиллиметровые
Название волн Название частот
Километровые
(длинные)
Гектометровые
(средние)
Декаметровые
(короткие)
Низкие (НЧ)
Средние (СЧ)
Высокие (ВЧ)
Очень высокие
(ОВЧ)
Ультравысокие
(УВЧ)
Сверхвысокие
(ВЧ)
Крайне высо-
кие (КВЧ)
Гипервысокие
(ГВЧ)
По количеству одновременно передаваемых сообщений радиотехнические системы передачи информации делятся на одноканальные и мно-
гоканальные. Многоканальные системы радиосвязи, в свою очередь, подразделяются по методам разделения каналов связи. Наиболее распространены многоканальные системы радиосвязи с частотным, временным и
кодовым разделением каналов.
9
По направлению обмена сообщениями системы передачи делятся
на односторонние и двухсторонние. В системе односторонней радиосвязи
одна из радиостанций осуществляет только передачу, а другая или другие − только прием. В системе двухсторонней радиосвязи радиостанции
осуществляют передачу и прием.
По порядку обмена сообщениями различают симплексные, дуплексные и полудуплексные системы радиосвязи. В симплексной системе пере-
дача и прием ведутся поочередно. В дуплексной системе передача и прием
осуществляются одновременно. Системы полудуплексной радиосвязи относятся к симплексным системам, в которых предусматривается автоматический переход с передачи на прием и наоборот.
По виду радиолинии связи различают системы радиосвязи прямой
видимости, радиорелейные, тропосферные, ионосферные, метеорные,
спутниковые и декаметровые системы связи.
Следует отметить, что рассмотренная классификация радиотехнических систем передачи информации не является исчерпывающей и не учитывает, например, ряд тактических и других технических признаков.
1.3. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Системы радиосвязи прямой видимости. Такие системы работают,
как правило, в метровом и дециметровом диапазонах волн. Наиболее широкое применение находят волны от 3 м до 10 см (100 МГц ≤ f ≤ 3 ГГц).
Важными особенностями таких радиоволн являются:
• распространение в пределах прямой видимости, позволяющее
уменьшить взаимное влияние различных систем и использовать одни и те
же диапазоны частот в системах, расположенных вне зон видимости;
• значительный частотный диапазон, позволяющий разместить
большое количество различных систем и использовать в них широкополосные виды модуляции;
• малый уровень промышленных и атмосферных помех по сравне-
нию с внутренними флуктуационными шумами системы;
• возможность реализации сравнительно малогабаритных антенных
устройств с узкой диаграммой направленности. Это позволяет существенно ослабить мешающее влияние других радиосистем, а также уменьшить
мощность передатчика, необходимую для нормальной работы системы.
Дальность радиосвязи рассматриваемых систем с учетом кривизны
поверхности Земли и небольшой рефракции радиоволн (преломления в
нижних слоях атмосферы) определяется по формуле
10