Линии связи (каналы связи)
Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются информационные сигналы, аппаратура передачи информации и промежуточной аппаратуры.
В зависимости от среды передачи линии связи бывают:
Проводные (воздушные). Низкая скорость передачи данных и высокие помехи.
Кабельные (медные и волоконно-оптические). Медные линии – коаксиальный кабель и витая пара. Оптоволоконные – одномодовые и многомодовые.
Радиоканала наземный и спутниковой связи. Чем выше частота – тем выше скорость с которой можно передавать информацию. 2.4-2.7 ГГц.
Инфракрасные лучи. Относительно невысокие скорости передачи информации.
Аппаратура линий связи
Аппаратура передачи данных. Сетевые адаптеры и последовательные порты. Непосредственная передача и приём информации в сети. Обеспечивают приём и передачу сигналов нужной формы и мощности.
Промежуточная аппаратура. Выполняет две основные задачи: улучшение качества сигнала и создание постоянного составного канала связи. Фильтрация трафика, перенаправление его разными способами.
В зависимости от типа промежуточной аппаратуры, все виды связи делятся на:
Аналоговые.
Цифровые.
Основное отличие цифровых и аналоговых линий связи состоит в том, что в цифровых линиях связи передаваемые сигналы имеют конечное число состояний. Т.е. в оптическом проводе всего два – свет и темнота. А в медном, например, может быть 2, 3, 6 состояний кодирования сигнала. Другими словами на цифровых линиях связи протокол физического уровня определён, на аналоговых линиях протокол физического уровня не определён.
Характеристики линий связи
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на её входе для всех возможных частот передаваемого сигнала.
Полоса пропускания. Непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел (0,5). Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимальную возможную скорость в передачи данных по линии связи.
Затухание. Определяется, как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передачи по линии связи определённой частоты. Одна точка из амплитудно-частотной характеристики.
Пример.
Кабель витая пара категории 5 имеет затухание не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100м.
Помехоустойчивость. Определяет способность линий уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде на внутренние проводники. Достоверность (интенсивность битовых ошибок) передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита. Для медных кабелей достоверность 10-4 - 10-6, для оптоволоконных – 10-9.
Перекрёстные наводки на ближнем конце линии (витая пара). NEXT. Данный показатель определяет помехоустойчивость кабеля ко внутренним показателе помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемое по одной паре проводников, наводит на другую пару сигнала помехи.
Чем меньше значение, тем меньше помех будет на кабеле.
Пропускная способность. Характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Бит/сек. Пропускная способность линии зависит от АЧХ и от спектра передаваемого сигнала. Зависит как от характеристики линии связи, так и от характеристик сигнала, который передаётся по этой линии связи.
Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых в линию связи, называется физическим кодированием. От способа кодирования зависит спектр, передаваемых сигналов, т.е. частота основной гармонии, следовательно и пропускная способность.
Теория информации гласит: любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несёт в себе информацию.
Периодический сигнал, параметры которого могут изменятся, называется несущим сигналом (несущей частотой) и используется в качестве опорного для передачи полезной информации.
Если сигнал изменяется таким образом, что можно различить только 2 его состояния, то любое его изменение будет соответствовать минимальному объёму информации – биту. Если сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение будет нести несколько бит информации.
Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду, измеряется в бодах.
На пропускную способность линий влияет способ логического кодирования. Логическое кодирование выполняется до физического и подразумевает замену бит исходной информации новой последовательность бит, несущей ту же информацию, но обладающей дополнительными свойствами.
Достоверность передачи данных.
Удельная стоимость.
Прежде чем будет определён протокол передачи данных на физическом уровне необходимо определить характеристики линии связи. Для этого используется анализ её реакции на некоторые эталонные воздействия. В качестве эталонных сигналов для исследования реакции линии связи используются синусоидальные сигналы различных частот, так как с их помощью можно представить любую функцию времени – как непрерывный звуковой сигнал, так и прямоугольные импульсы, генерируемые компьютером.
Типы:
1. Затухание.
2. Искажение. Из-за ограниченности полосы пропускания.
3. Искажение из-за задержки.
4. Шумы на линиях связи.
5. Результат на выходе.
Связь между пропускной способность и полосой пропускания.
Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передаётся и тем выше пропускная способность, при фиксированном способе физического кодирования.
Связь между полосой пропускания и максимальной пропускной способностью, в независимости от способа физического кодирования определяется выражением Шеннона.
F – ширина полосы пропускания в герцах.
Pс и Pш – мощность сигнала и мощность шума.
Формула Найкеста:
M – количество различимых состояний информационного параметра.
Формула Найкеста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано, с учётом возможностей устойчивого распознавания сигналов приёмника.
Типы и виды кабельных связей
Все кабели, применяемые для построения распределённых информационных систем, изготавливаются в соответствии с принятыми мировыми стандартами. При стандартизации кабелей принят протокольно-независимый подход.
Коаксиальный кабель.
RG-8, RG-11, RG-59, RG-60.
Структура: внутренняя центральная медная жила, диэлектрическая изоляция, экран в виде сеточки из металлических проводников, защитное покрытие.
Витая пара.
UTP 5, UTP 6, UTP 3, RJ-45.
Шаг скрутки определён и непостоянный. Рассчитаны на различные скорости передачи информации по ним. Чаще всего используется кабель категории 5 для скорость около 100 Мб/с.
Оптоволоконный кабель.
ST, SC.
Бывают одномодовые и многомодовые.
Мода – угол отражения луча.
Типичные размеры многомодового кабеля 625*125 мкм (внешний и внутренний диаметры). В одномодовом – 7,5*60 мкм.
Для передачи информации используется свет с длинной волны 1550 нм, 1300 нм, 850 нм. Источниками информационных сигналов являются светодиоды и полупроводниковые лазеры.
Методы передачи дискретных данных на физическом уровне
Метод аналоговой модуляции.
Применяется для передачи дискретных данных для каналов с узкой пропускной полосой частот (телефонные сети).
П
ри
амплитудной модуляции логические
единицы и нули кодируются амплитудой
синусоиды разного значения. Данный
метод обладает низкой помехоустойчивостью
и в чистом виде практически не используется.
При частотной модуляции единицы и нули кодируются частотой синусоиды различного значения. Метод характеризуется сложностью схемы реализации и применяется в низкоскоростных модемах.
При фазовой модуляции используется 2 или 4 значения фазы сигнала. Либо 0-180, либо 0-90-180-270 градусов. В скоростных модемах обычно используется амплитудно-фазовая модуляция.
Цифровое кодирование
При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды. В первых методах для представления логических единиц и нулей используется только значения потенциала сигнала. В импульсных методах двоичные данные представляются импульсами определённой полярности либо частью импульсов – перепадом потенциала определённого направления.
Требования к методам цифрового кодирования:
Метод должен иметь при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала.
Должен обеспечивать синхронизацию между передатчиком и приёмником.
Обладать способностью распознавать ошибки.
Должен обладать низкой стоимость реализации.
Потенциальный код без возвращения к нулю.
При передачи последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта. Метод прост в реализации. Обладает хорошей распознаваемостью ошибок, не обладает свойством самосинхронизации. При передачи длинных последовательностей единиц и нулей появляется постоянная составляющая сигнала.
Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией.
Для кодирования логического нуля используется нулевой потенциал, а логические единицы кодируются либо положительным, либо отрицательным потенциалом, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.
Биполярный импульсный код
Единицы представляются импульсами одной полярности, нули – противоположной. Метод обладает самосинхронизирующими свойствами. Обладает широким спектром.
Манчестерский код
Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единицы кодируются перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, ноль – обратным перепадом. Обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Обладает узкой полосой пропускания. Использует всего два уровня потенциала.
2B1Q
Каждые два бита 2B передаются за один такт сигнала, имеющим 4 состояния (1Q). Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 вольта. Паре 01 соответствует -0,833 вольта. Паре 11 соответствует 0,833 вольта. Паре 10 соответствует 2,5 вольта.