Каковы бывают каналы связи по способу кодирования. Основные понятия и характеристики каналов связи. Пропускная способность дискретного канала связи

Основной функцией информационной системы является хранение информации и ее перенос в пространстве. Совокупность технических средств для передачи сообщений от источника к потребителю называется системой связи. Этими средствами являются передающее устройство, линия связи и приемное устройство. Иногда в понятие система связи включаются источник и потребитель сообщений.

Структурная схема простейшей системы связи представлена на рисунке 2. Здесь исходным пунктом является источник сообщения. Источник может вырабатывать непрерывное или дискретное сообщения. Источником сообщений и получателем в одних системах связи может быть человек, в других - различного рода устройства (автомат, вычислительная машина и т. п.). Передача сообщений на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя (бумага, магнитная лента и т.п.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн, тока и.т.п.).

Источник информации или сообщения - это физический объект, система или явление, формирующие передаваемое сообщение.

Сообщение - это значение или изменение некоторой физической величины, отражающие состояние объекта (системы или явления). Как правило, первичные сообщения - речь, музыка, изображения, измерения параметров окружающей среды и т.д., представляют собой функции времени - f (t) или других аргументов - f (x, y, z) неэлектрической природы (акустическое давление, температура, распределение яркости на некоторой плоскости и т.п.).

Рис.2. Структурная схема системы связи.

Каждое i - ое сообщение источника есть произвольная последовательность элементов алфавита
(
,
, ...,) длиной m , где верхний индекс у элементов есть номер последовательности, а нижний индекс означает только место буквы в сообщении, но не ее вид.

При m = 1 сообщением является одна буква, то есть такое сообщение есть элементарное сообщение . В общем случае при m > 1 одна и та же буква может появиться в сообщении несколько раз. Общим свойством элементарного сообщения является его неделимость на более мелкие сообщения.

Конечное множество сообщений X c заданным на нем распределением вероятностей p ( x ) называется дискретным ансамблем сообщений и обозначается { X , p ( x )}.

Устройство, преобразующее сообщение в сигнал, называют передающим устройством, а устройство, преобразующее принятый сигнал в сообщение, - приемным устройством.

С помощью преобразователя в передающем устройстве сообщение а , которое может иметь любую физическую природу (изображение, звуковое колебание и т.п.), преобразуется в первичный электрический сигнал b (t ). В телефонии, например, эта операция сводится к превращению звукового давления в пропорционально изменяющийся электрический ток микрофона. В телеграфии сначала производится кодирование, в результате которого последовательность элементов сообщения (букв) заменяется последовательностью кодовых символов (0, 1 или точка, тире), которая затем с помощью телеграфного аппарата преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока.

В передатчике первичный сигнал b (t ) (обычно низкочастотный) превращается во вторичный (высокочастотный) сигнал u (t ), пригодный для передачи по используемому каналу. Это осуществляется посредством модуляции.

Преобразование сообщения в сигнал должно быть обратимым. В этом случае по выходному сигналу можно, в принципе, восстановить входной первичный сигнал, т. е. получить всю информацию, содержащуюся в переданном сообщении. В противном случае часть информации будет потеряна при передаче, даже если сигнал доходит до приемного устройства без искажений.

Физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение, называется сигналом.

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”.

Любое преобразование сообщения в определенный сигнал путем установления между ними однозначного соответствия называют в широком смысле кодированием.

Кодирование может включать в себя процессы преобразования и дискретизации непрерывных сообщений (аналого-цифровое преобразование), модуляцию (манипуляцию в цифровых системах связи) и непосредственно кодирование в узком смысле слова. Обратная операция называется декодированием.

Линией связи называется среда, используемая для передачи сигналов от передатчика приемнику.

В системах электрической связи - это кабель или волновод, в системах радиосвязи - область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику. При передаче сигнал может искажаться и на него могут накладываться помехи n (t ).

Приемное устройство обрабатывает принятое колебание z (t )=u (t )+n (t ), представляющее собой сумму пришедшего искаженного сигнала u (t ) и помехи n (t ), и восстанавливает по нему сообщение , которое с некоторой погрешностью отражает переданное сообщение a . Другими словами, приемник должен на основе анализа колебания z (t ) определить, какое из возможных сообщений передавалось. Поэтому приемное устройство является одним из наиболее ответственных и сложных элементов системы связи.

Каналом связи называется совокупность средств, обеспечивающих передачу сигнала от некоторой точки А системы до точки В (рис. 3).

Точки А и В могут быть выбраны произвольно, лишь бы между ними проходил сигнал. Часть системы связи, расположенная до точки А , является источником сигнала для этого канала.

Рис. 3. Канал связи.

Канал как источник помех, оказывает на передаваемый сигнал некоторое влияние. Задачами приемника является выделение из зашумленного сигнала переданного сообщения и отправка его потребителю.

Классифицируют каналы связи по различным признакам, в том числе по математическому описанию (непрерывные и дискретные каналы, непрерывного и дискретного времени).

Если сигналы, поступающие на вход канала и принимаемые с его выхода, являются дискретными по состояниям, то канал называется дискретным. Если же эти сигналы являются непрерывными, то канал называется непрерывным. Встречаются также дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы, на вход которых поступают дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные, или наоборот. Из сказанного видно, что канал может быть дискретным или непрерывным независимо от характера передаваемых сообщений. Более того, в одной и той же системе связи можно выделить как дискретный, так и непрерывный каналы. Все зависит от того, каким образом выбраны точки А и В входа и выхода канала.

В данном пособии будем рассматривать дискретный канал связи .

Если вредным действием помех в канале можно пренебречь, то для анализа используется модель в виде идеализированного канала, называемого каналом без помех . В идеальном канале каждому сообщению на входе однозначно соответствует определенное соотношение на выходе и наоборот. Когда требования к достоверности велики и пренебрежение неоднозначностью связи между сообщениями x и y недопустимо, используется более сложная модель – канал с помехами.

Простейший класс моделей каналов образуют дискретные каналы без памяти; они определяются следующим образом. Входом является последовательность букв (элементов) из конечного алфавита, пусть
, выходом – последовательность букв того же самого или другого алфавита, скажем
. Наконец, каждая буква выходной последовательности зависит статистически только от буквы, стоящей на соответствующей позиции во входной последовательности, и определяется заданной условной вероятностью
, определенной для всех буквалфавита на входе и всех буквна выходе. Примером может служить двоичный симметричный канал (рис.4), который представляет собой дискретный канал без памяти с двоичными последовательностями на входе и выходе, в котором каждый символ последовательности на входе с некоторой вероятностью 1-q воспроизводится на выходе канала правильно и с вероятностью q изменяется шумом на противоположный символ. В общем случае, в дискретном канале без памяти переходные вероятности исчерпывают собой все известные сведения о том, как сигнал на входе, взаимодействуя с шумом, образует сигнал на выходе.

Рис. 4. Двоичный симметричный канал.

Намного более широкий класс каналов – каналов с памятью, образуют каналы, в которых сигналами на входе являются последовательности букв из конечных алфавитов, но в которых каждая буква на выходе может статистически зависеть не только от соответствующей буквы входной последовательности.

Как было указано в предшествующем обсуждении, канал связи обеспечивает соединение передатчика и приёмника. Физический канал может быть двухпроводной линией, которая пропускает электрический сигнал, или стекловолокном, которое переносит информацию посредством модулированного светового луча, или подводным каналом океана, в котором информация передаётся акустически, или свободным пространством, по которому несущий информационный сигнал излучается при помощи антенны. Другие среды, которые могут характеризоваться как каналы связи - средства хранения данных, такие как магнитная лента, магнитные и оптические диски.

Одна общая проблема при передаче сигнала через любой канал – аддитивный шум. Вообще говоря, аддитивный шум создаётся часто внутри различных электронных компонентов, таких как резисторы и твёрдотельные устройства, используемых в системах связи. Эти шумы часто называют тепловым шумом. Другие источники шума и интерференции (наложения) могут возникать вне системы, например переходные помехи от других пользователей канала. Когда такой шум и переходные помехи занимают тот же самый диапазон частот, что и полезный сигнал, их влияние может быть минимизировано путем соответствующего выбора передаваемого сигнала и демодулятора в приемнике. Другие виды сигнальных искажений, которые могут встречаться при передаче сигнала по каналу, - это затухание сигнала, амплитудные и фазовые искажения сигнала и искажения сигнала, обусловленные многопутевым распространением волн.

Влияние шума может быть уменьшено увеличением мощности передаваемого сигнала. Однако конструктивные и другие практические соображения ограничивают уровень мощности передаваемого сигнала. Другое базовое ограничение – доступная ширина полосы частот канала. Ограничение ширины полосы обычно обусловлено физическими ограничениями среды и электрических компонентов, используемых в передатчике и приемнике. Эти два обстоятельства приводят к ограничению количества данных, которые могут быть переданы надёжно по любому каналу связи, как мы увидим в последующих главах книги. Ниже мы опишем некоторые из важных характеристик отдельных каналов связи.

Проводные каналы. Телефонная сеть экстенсивно использует проводные линии для передачи звукового сигнала, а также данных и видеосигналов. Витые проводные пары и коаксиальный кабель в основном дают электромагнитный канал, который обеспечивает прохождение относительно умеренной ширины полосы частот. Телефонный провод, обычно используемый, чтобы соединить клиента с центральной станции, имеет ширину полосы несколько сотен килогерц. С другой стороны, коаксиальный кабель имеет обычно используемую ширину полосы частот несколько мегагерц. Рисунок 1.2.1 поясняет частотный диапазон используемых электромагнитных каналов, которые включают волноводы и оптический кабель.

Рис. 1.2.1. Частотные диапазоны для каналов связи с направляющими системами

Сигналы, передаваемые через такие каналы, искажаются по амплитуде и фазе, и, кроме того, на них накладывается аддитивный шум. Проводная линия связи в виде витой пары также склонна к интерференции переходных помех от рядом расположенных пар. Поскольку проводные каналы составляют большой процент каналов связи по всей стране и миру, широкие исследования были направлены на определение их свойств передачи и на уменьшение амплитудных свойств передачи и на уменьшение амплитудных и фазовых искажений в канале. В гл. 9 мы опишем метод синтеза оптимальных передаваемых сигналов и демодуляторов; в гл. 10 и 11 рассмотрим синтез канальных эквалайзеров (выравнивателей), которые компенсируют амплитудные и фазовые искажения в канале.

Волоконно-оптические каналы. Стекловолокно представляет проектировщику системы связи ширину полосы частот, которая на несколько порядков больше, чем у каналов с коаксиальным кабелем. В течение прошедшего десятилетия были разработаны оптические кабели, которые имеют относительно низкое затухание для сигнала, и высоконадежные оптические устройства для генерирования и детектирования сигнала. Эти технологические достижения привели к быстрому освоению таких каналов как для внутренних систем электросвязи, так и для трансатлантических и мировых систем связи. С учётом большой ширины полос частот, доступной на волоконно-оптических каналах, стало возможно для телефонных компаний предложить абонентам широкий диапазон услуг электросвязи, включая передачу речи, данных, факсимильных и видеосигналов.

Передатчик или модулятор в волоконно-оптической системе связи – источник света, светоизлучающий диод (СИД) или лазер. Информация передаётся путем изменения (модуляции) интенсивности источника света посредством сигнала сообщения. Свет распространяется через волокно как световая волна, и она периодически усиливается (в случае цифровой передачи детектируется и восстанавливается ретрансляторами) вдоль тракта передачи, чтобы компенсировать затухания сигнала.

В приемнике интенсивность света детектируется фотодиодом, чей выход является электрическим сигналом, который изменяется пропорционально мощности света на входе фотодиода. Источники шума в волоконно-оптических каналах – это фотодиоды и электронные усилители.

Предполагается, что волоконно-оптические каналы заменят почти все каналы проводной линии связи в телефонной сети на рубеже столетия.

Беспроводные (радио) каналы. В системах беспроводной связи (радиосвязи) электромагнитная энергия передается в среду распространения антенной, которая служит излучателем. Физические размеры и структура антенны зависят прежде всего от рабочей частоты. Чтобы получить эффективное излучение электромагнитной энергии, размеры антенны должны быть больше чем 1/10 длины волны. Следовательно, передача радиостанции с AM на несущей, допустим, МГц, соответствующей длине волны м, требует антенны с диаметром по крайней мере 30м. Другие важные характеристики и свойства антенн для беспроволочной передачи описаны в гл. 5.

Рисунок 1.2.2 поясняет различные диапазоны частот для радиосвязи. Способы распространения электромагнитных волн в атмосфере и в свободном пространстве можно разделить на три категории, а именно: распространение поверхностной волной, распространение пространственной волной, распространение прямой волны. В диапазоне очень низких частот (ОНЧ) и звуковом диапазоне, в которых длины волн превышают 10км, земля и ионосфера образуют волновод для распространения электромагнитных волн. В этих частотных диапазонах сигналы связи фактически распространяются вокруг всего земного шара. По этой причине эти диапазоны частот прежде всего используется во всём мире для решения навигационных задач с берега до кораблей.

Ширина полосы частот канала, доступной в этих диапазонах, относительно мала (обычно составляет 1…10% центральной частоты), и, следовательно, информация, которая передаётся через эти каналы, имеет относительно низкую скорость передачи и обычно неприемлема для цифровой передачи.

Доминирующий тип шума на этих частотах обусловлен грозовой деятельностью вокруг земного шара, особенно в тропических областях. Интерференция возникает из-за большого числа станций в этих диапазонах частот.

Распространения земной волной, как иллюстрируется на рис. 1.2.3, является основным видом распространения для сигналов в полосе средних частот (0,3…3 МГц). Это – диапазон частот, используемый для радиовещания с AM и морского радиовещания. При AM радиовещании и распространении земной волной дальность связи, даже при использовании мощных радиостанций, ограничена 150 км. Атмосферные шумы, промышленные шумы и тепловые шумы от электронных компонентов приёмника являются основными причинами искажений сигналов, передаваемых в диапазоне средний частот.

Рис. 1.2.2. Частотные диапазоны для беспроводных каналов связи

Частным случаем распространения пространственной волны является ионосферное распространение, иллюстрируемое рис. 1.2.4. Оно сводится к отражению (отклонение или рефракция волны) передаваемого сигнала от ионосферы, которая состоит из нескольких слоёв заряженных частиц, расположенных на высоте 50…400 км от поверхности земли. В дневное время суток разогрев нижних слоёв атмосферы солнцем обуславливает появление нижнего слоя на высоте ниже 120 км. Эти нижние слои, особенно D-слой, вызывают поглощение частот ниже 2 МГц, таким образом ограничивая распространение ионосферной волной радиопередач AM радиовещания. Однако в течение ночных часов электронная концентрация частиц в нижних слоях ионосферы резко падает, и частное поглощение, которое встречается в дневное время, значительно сокращается. Как следствие, мощные радиовещательные сигналы с AM могут распространятся на большие расстояния посредством отражения от ионосферных слоев (которые располагаются на высоте от 140 до 400 км над поверхностью земли), и земной поверхности.

Рис. 1.2.3. Иллюстрация распространения поверхностной волной

Часто возникающая проблема при ионосферном распространении электромагнитной волны в частотном диапазоне ВЧ - это многопутёвость . Многопутёвость образуется потому, что передаваемый сигнал достигает приёмника по многим путям с различными задержками. Это обычно приводит к межсимвольной интерференции в системе цифровой связи. Более того, сигнальные компоненты, прибывающие по различным путям распространения, могут суммироваться таким образом, что это приводит к явлению, названному замираниями . Это большинство людей испытало при слушании отдалённой радиостанции ночью, когда ионосферная волна является доминирующим способом распространения. Аддитивный шум в ВЧ диапазоне - это комбинация атмосферных помех и теплового шума. Распространение ионосферной волны прекращается на частотах выше 30 МГц, что является границей диапазона ВЧ. Однако возможно ионосферно-тропосферное распространение на частотах в диапазоне от 30 до 60 МГц, обусловленное рассеянием сигналов от нижних слоев ионосферы. Также можно связаться на расстоянии нескольких сотен миль при помощи тропосферного рассеяния в диапазоне от 40 до 300 МГц. Тропосферное рассеяние обуславливается рассеянием сигнала благодаря частицам в атмосфере на высотах порядка 10 км. Обычно ионосферное и тропосферное рассеяние вызывает большие сигнальные потери и требует большой мощности передатчика и относительно больших размеров антенн.

Рис. 1.2.4. Иллюстрация распространения пространственной волной

Частоты выше 30 МГц проходят через ионосферу с относительно малыми потерями и делают возможным спутниковую и внеземную связь. Следовательно, на частотах УВЧ диапазона и выше основным способом электромагнитного распространения волн является распространение в пределах прямой видимости (ППВ). Для земных систем связи это означает, что передающая и приемная антенны должны быть в прямой видимости с относительно малой преградой (или ее отсутствием). По этой причине передача телевизионных станций в УВЧ и СВЧ диапазонах частот для достижения широкой зоны охвата осуществляется антеннами на высоких опорах.

Вообще, зона охвата для ППВ распространения ограничена кривизной поверхности земли. Если передающая антенна установлена на высоте м над поверхностью земли, расстояние до радиогоризонта, не принимая во внимание физические преграды, такие как горы, приблизительно км. Например, антенна телевидения, установленная на высоте 300 м, обеспечивает покрытие территории приблизительно 67 км. Другой пример – релейные системы микроволновой радиосвязи, экстенсивно используемые для передачи телефонных и видеосигналов на частотах выше чем 1 МГц, имеют антенны, установленные на высоких опорах или сверху на высоких зданиях.

Доминирующий шум, ограничивающий качество системы связи в ВЧ и УВЧ диапазонах, – тепловой шум, создаваемый во входных цепях приемника, и космические шумы, уловленные антенной. На частотах в диапазоне СВЧ выше чем 10 ГГц при распространения сигнала главную роль играют атмосферные условия. Например, на частоте 10 ГГц затухание меняется приблизительно от 0,003 дБ/км при лёгком дожде до 0,3 дБ/км при тяжёлом дожде. На частоте 100 ГГц затухание меняется приблизительно от 0,1 дБ/км при легком дожде до 6 дБ/км при тяжёлом дожде. Следовательно, в этом частотном диапазоне тяжелый дождь вызывает чрезвычайно высокие потери при распространении, которые могут приводить к отказу системы обслуживания (полный обрыв в системе связи).

На частотах выше КВЧ (крайне высокие частоты) полосы мы имеем диапазон инфракрасного и видимого излучений - области электромагнитного спектра, который может использоваться для применения ППВ оптической связи в свободном пространстве. До настоящего времени эти диапазоны частот использовались в экспериментальных системах связи типа связи между спутниками.

Подводные акустические каналы. За последние 40 лет исследования океанской деятельности непрерывно расширялись. Это связано с усилением потребности передать данные, собранные датчиками, размещенными под водой и на поверхности океана. Оттуда данные передаются к центру сбора информации.

Электромагнитные волны не распространяются на большие расстояния под водой, за исключением крайне низких частот. Однако передача сигналов таких низких частот предельно дорога из-за чрезвычайно больших и мощных передатчиков. Затухание электромагнитных волн в воде может быть выражено глубиной поверхностного слоя , которая является расстоянием, на котором сигнал ослабляется в раз. Для морской воды глубина поверхностного слоя , где выражена в герцах, а - в метрах. Например, для частоты 10 кГц глубина поверхностного слоя 2,5 м. Напротив, акустические сигналы распространяются на расстояния порядка десятков и даже сотен километров.

Подводный акустический канал ведет себя как многопутевой канал благодаря сигнальным отражениям от поверхности и дна моря. Из-за случайного движения волны сигнальные продукты многопутевого (многолучевого) распространения приводят к случайным во времени задержкам распространения и в итоге к замираниям сигнала. Кроме того, имеется частотно-зависимое затухание, которое приблизительно пропорционально квадрату частоты сигнала. Глубинная скорость номинально равна приблизительно 1500 м/с, но реальное значение выше или ниже номинального значения в зависимости от глубины, на которой сигнал распространяется.

Окружающий океанский акустический шум вызван креветкой, рыбой и различными млекопитающими. Ближние гавани добавляют к окружающему шуму промышленный шум. Несмотря на эту помеховую окружающую среду, возможно проектировать и выполнять эффективные и безопасные подводные акустические системы связи для передачи цифровых сигналов на большие расстояния.

Системы хранения информации. И системы поиска информации составляют значительную часть систем повседневной обработки данных. Это магнитная лента, включая цифровую наклонно-строчную звукозапись, и видеолента, магнитные диски, используемые для хранения больших количеств данных компьютера, оптические диски, используемые для хранения данных компьютера. Компакт-диски - также пример систем хранения информации, которые могут рассматриваться как каналы связи. Процесс запоминания данных на магнитной ленте или магнитном или оптическом диске эквивалентен передаче сигнала по телефону или радиоканалу. Процесс считывания и сигнальные процессы, используемые в системах хранения, чтобы восстанавливать запасенную информацию, эквивалентен функциям, выполняемым приемником в системе связи для восстановления передаваемой информации.

Аддитивный шум, издаваемый электронными контактами, и интерференция от смежных дорожек обычно представлены в сигнале считывания записанной информации точно так, как это имеет место в системе проводной телефонии или системе радиосвязи. Количество данных, которые можно хранить, ограничено размером диска или ленты и плотностью записи (числом битов, хранящихся на единице площади), которая может быть достигнута электронными системами и головками записи-считывания. Например, плотность упаковки бит на квадратный сантиметр демонстрировалась в экспериментальной системе хранения на магнитном диске. (Текущие коммерческие магнитные изделия хранения достигают значительно меньшей плотности.) Скорость, с которой данные могут быть записаны на диске или ленте, и скорость, с которой информация может считываться, также ограничены механическими и электрическими подсистемами, входящими в систему хранения информации.

Кодирование канала и модуляция - существенные компоненты хорошо разработанной цифровой магнитной или оптической системы хранения. В процессе считывания сигнал демодулируется и его избыточность, введённая кодером канала, используется для исправления ошибок считывания.

Сетевые технологии, каналы связи и их основные характеристики.

Ц ели:

Обучать основам сетевых технологий.

Развивать познавательный интерес.

Воспитывать информационную культуру.

П роверка домашнего задания.

Х од урока:

Сетевая технология - это согласованный набор стандартных протоколов и программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети.
Сегодня Интернет – это объединение большого количества сетей. Каждая сеть состоит из десятков и сотен серверов. Серверы соединены между собой напрямую различными линиями связи: кабельными, наземной радиосвязью, спутниковой радиосвязью. К каждому серверу подключается большое количество компьютеров и локальных компьютерных сетей, которые являются клиентами сети. Клиенты могут соединяться с сервером не только по прямым линиям, но и по обычным телефонным каналам.
Каналами связи называют технические средства, позволяющие осуществлять передачу данных на расстоянии. В рассматриваемом нами контексте каналами связи будем называть средства установления связи для передачи информации между удаленными компьютерами . В качестве технических средств передачи информации могут использоваться обычные каналы связи (телефонные, телеграфные, спутниковые и т. д.). Сейчас более прогрессивными средствами считаются каналы связи, построенные специально для передачи цифровой информации. К таковым относятся, например, оптоволоконные сети.

Основными характеристиками каналов связи являются пропускная способность и помехоустойчивость . Пропускная способность отражает способность канала передавать заданное количество сообщений за единицу времени. Данный параметр зависит от физических свойств канала связи. Другими словами, пропускная способность - это объем данных, передаваемых модемом в единицу времени, без учета дополнительной служебной информации, например стартового и стопового битов, начальных конечных записей Стоков и т. д.
Помехоустойчивость задает параметр уровня искажения передаваемой информации. Для того чтобы избежать изменения или потери информации при ее передаче, используют специальные методы, позволяющие сократить влияние шумов.

Классификация компьютерных каналов связи:

по способу кодирования: цифровые и аналоговые ;

по способу коммуникации: выделенные (постоянное соединение) и коммутируемые (временное соединение);

по способу передачи сигнала: кабельные (витая пара, коаксиальный кабель, оптико-волоконные, оптические (световоды), радиорелейные, беспроводные, спутниковые; телефонные , радио (радиорелейные, спутниковые).

Витая пара состоит из двух изолированных проводов, свитых между собой. Скручивание проводов уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые сигналы.

Коаксиальный кабель по сравнению с витой парой обладает более высокой механической прочностью, помехозащищённостью.

Оптоволоконный кабель - идеальная передающая среда, он не подвержен действию электромагнитных полей и сам практически не имеет излучения.

Линии связи:
Радиорелейные линии связи (РРЛ) предназначены для передачи сигналов в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Передача ведется через систему ретрансляторов, расположенных на расстоянии прямой видимости.

Беспроводное сетевое оборудование предназначено для передачи по радиоканалам информации между компьютерами, сетевыми и другими специализированными устройствами.

Спутниковые линии связи работают в 9 - 11 диапазонах частот и, в перспективе, в оптических диапазонах. В этих системах сигнал с земной станции посылается на спутник, содержащий приемопередающую аппаратуру, там усиливается, обрабатывается и посылается обратно на Землю, обеспечивая связь на большие расстояния и перекрывая большие площади.

Каналы связи делятся на симплексные и дуплексные . В одном случае информация передается только в одном направлении, что является менее эффективным средством. В другом случае информация передается в двух направлениях, причем одновременно могут передаваться несколько сообщений.

В качестве физического процесса, осуществляющего передачу данных на расстоянии, используют сигналы . На этот процесс могут влиять различные явления, создающие помехи (например, это может быть напряжение постороннего происхождения, появляющееся в каналах связи и ограничивающее дальность передачи полезных сигналов).

В зависимости от источника возникновения и от характера их воздействия помехи делятся на:

собственные помехи канала связи;

взаимные , создаваемые влиянием каналов друг на друга;

внешние - от посторонних электромагнитных полей.

Практика показала, что избавление от шумов (помех) невозможно из-за естественных (неустранимых) причин их возникновения. Тогда была предложена идея поиска возможности защиты в самом передаваемом тексте (К.Э. Шеннон). Наилучшим способом стало использование избыточного кода. Функция защиты информации при передаче по каналам связи включает три компонента: подтверждение , обнаружение ошибок и уведомление о них, возврат в исходное состояние. Информация кодируется соответствующим образом, вместе с основным содержанием передается информация о размере передаваемой информации. При получении информации сверяется информация о длине сообщения с исходным состоянием, при несовпадении значений в пункт передачи информации передается сигнал о необходимости повторной пересылки.

Прокси-сервер - промежуточный, транзитный веб-сервер, используемый как посредник между браузером и конечным веб-сервером. Основная причина использования прокси-сервера - экономия объема передачи информации и увеличение скорости доступа за счет кэширования. Например, если большинство сотрудников компании часто пользуются одним и тем же веб-сервером, содержащим актуальный курс валют, то эта информация сохранится в прокси, и, таким образом, страницы будут запрошены с оригинального сервера всего 1 раз. При использовании прокси компании нужен всего один публичный IP-адрес.

Протокол (protocol) - совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры обмена информацией между двумя независимыми процессами или устройствами.

Протокол сетевой (network protocol) - совокупность правил и соглашений, использующихся при передаче данных.

Различают три основных типа протоколов, работающих в разных сетях и с разными операционными системами: Novell IPX (Inter Packet Exchange), TCP/IP, NetBEUI (Network BIOS User Interface).
Протокол управления передачей/межсетевой протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) - набор протоколов, разработанный для Интернета и ставший его основой. TCP гарантирует, что каждый посланный байт дойдет до получателя без потерь. IP присваивает локальные IP-адреса физическим сетевым адресам, обеспечивая тем самым адресное пространство с которым работают маршрутизаторы.

В семейство TCP/IP входят:

протокол Telnet, который позволяет удаленным терминалам подключаться к удаленным узлам (компьютерам);

система доменной адресации DNS, дающая возможность пользователям адресоваться к узлам сети по символьному доменному имени вместо цифрового IP-адреса;

протокол передачи файлов FTP, который определяет механизм хранения и передачи файлов;

протокол передачи гипертекста HTTP.

Вопросы и задания

Что называется сетевыми технологиями?

Что такое каналы связи?

Назовите основные характеристики каналов связи.

Приведите классификацию каналов связи.

Что такое прокси-сервер?

Что такое протоколы?

Какую функцию выполняет протокол TCP/IP?

Домашнее задание : конспект.

Характеристики

Используют следующие характеристики канала

Помехоустойчивость

Помехозащищённость A = 10 lg ⁡ P m i n s i g n a l P n o i s e {\displaystyle A=10\lg {P_{min~signal} \over P_{noise}}} . Где P m i n s i g n a l P n o i s e {\displaystyle {P_{min~signal} \over P_{noise}}} - минимальное отношение сигнал/шум ;

Объём канала

Объём канала V {\displaystyle V} определяется по формуле: V k = Δ F k ⋅ T k ⋅ D k {\displaystyle V_{k}=\Delta F_{k}\cdot T_{k}\cdot D_{k}} ,

где T k {\displaystyle T_{k}} - время, в течение которого канал занят передаваемым сигналом;

Для передачи сигнала по каналу без искажений объём канала V k {\displaystyle V_{k}} должен быть больше либо равен объёму сигнала V s {\displaystyle V_{s}} , то есть . Простейший случай вписывания объёма сигнала в объём канала - это достижение выполнения неравенств Δ F k ⩾ Δ F s {\displaystyle \Delta F_{k}\geqslant ~\Delta F_{s}} , T k ⩾ T s {\displaystyle T_{k}\geqslant ~T_{s}} > и Δ D k ⩾ Δ D s {\displaystyle \Delta D_{k}\geqslant ~\Delta D_{s}} . Тем не менее, V k ⩾ V s {\displaystyle V_{k}\geqslant ~V_{s}} может выполняться и в других случаях, что даёт возможность добиться требуемых характеристик канала изменением других параметров. Например, с уменьшением диапазона частот можно увеличить полосу пропускания.

Классификация

Существует множество видов каналов связи, среди которых наиболее часто выделяют каналы проводной связи (воздушные, кабельные, световодные и др.) и каналы радиосвязи (тропосферные, спутниковые и др.). Такие каналы в свою очередь принято квалифицировать на основе характеристик входного и выходного сигналов, а также по изменению характеристик сигналов в зависимости от таких явлений, происходящих в канале, как замирания и затухание сигналов.

По типу среды распространения каналы связи делятся на проводные , акустические , оптические , инфракрасные и радиоканалы .

Каналы связи также классифицируют на

непрерывные (на входе и выходе канала - непрерывные сигналы),
дискретные или цифровые (на входе и выходе канала - дискретные сигналы),
непрерывно-дискретные (на входе канала - непрерывные сигналы, а на выходе - дискретные сигналы),
дискретно-непрерывные (на входе канала - дискретные сигналы, а на выходе - непрерывные сигналы).

Каналы могут быть линейными и нелинейными, временными и пространственно-временными . Возможна классификация каналов связи по диапазону частот.

Модели канала связи

Канал связи описывается математической моделью , задание которой сводится к определению математических моделей выходного и входного и S 1 {\displaystyle S_{1}} , а также установлению связи между ними, характеризующейся оператором L {\displaystyle L} , то есть

S 2 = L (S 1) {\displaystyle S_{2}=L(S_{1})} .

Модели непрерывных каналов

Модели непрерывных каналов можно классифицировать на модель канала с аддитивным гауссовским шумом, модель канала с неопределенной фазой сигнала и аддитивным шумом и модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом.

Модель идеального канала

Модель идеального канала используется тогда, когда можно пренебречь наличием помех. При использовании этой модели выходной сигнал S 2 {\displaystyle S_{2}} является детерминированным, то есть

S 2 (t) = γ S 1 (t − τ) {\displaystyle S_{2}(t)=\gamma ~S_{1}(t-\tau)}

где γ - константа, определяющая коэффициент передачи, τ - постоянная задержка.

Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом

Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом отличается от модели идеального канала тем, что τ {\displaystyle \tau } является случайной величиной . Например, если входной сигнал является узкополосным , то сигнал S 2 (t) {\displaystyle S_{2}(t)} на выходе канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом определяется следующим образом:

S 2 (t) = γ (c o s (θ) u (t) − s i n (θ) H (u (t)) + n (t) {\displaystyle S_{2}(t)=\gamma (cos(\theta)u(t)-sin(\theta)H(u(t))+n(t)} ,

где учтено, что входной сигнал S 1 (t) {\displaystyle S_{1}(t)} может быть представлен в виде:

S 1 (t) = c o s (θ) u (t) − s i n (θ) H (u (t)) {\displaystyle S_{1}(t)=cos(\theta)u(t)-sin(\theta)H(u(t))} ,

где H () {\displaystyle H()} - преобразование Гильберта , θ {\displaystyle \theta } - случайная фаза, распределение которой считается обычно равномерным на интервале

Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом

Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом учитывает появление рассеяния сигнала во времени из-за нелинейности фазо-частотной характеристики канала и ограниченности его полосы пропускания, то есть например, при передаче дискретных сообщений через канал на значение выходного сигнала будут влиять отклики канала не только на переданный символ, но и на более ранние или более поздние символы. В радиоканалах на возникновение межсимвольной интерференции влияет многолучёвое распространение радиоволн.

Для оценки качества каналов передачи данных можно использовать следующие характеристики:

скорость передачи данных по каналу связи;

пропускную способность канала связи;

достоверность передачи информации;

надежность канала связи.

Скорость передачи данных . Различают бодовую (модуляционную) и информационную скорости (bit rate). Информационная скорость - определяется количеством битов, передаваемых по каналу связи за одну секунду бит/с, что в англоязычном варианте обозначается как bps.

Бодовая скорость измеряется в бодах (baud). Эта единица скорости получила свое название по фамилии французского изобретателя телеграфного аппарата Emilie Baudot – Э. Бодо. Бод – это число изменений состояния среды передачи в секунду (или числом изменений сигнала в единицу времени). Именно бодовая скорость определяется полосой пропускания линии. Скорость передачи информации 2400 бод означает, что состояние передаваемого сигнала изменялось 2400 раз в секунду, что эквивалентно частоте 2400 Гц.

Для иллюстрации этих понятий обратимся к передаче цифровых данных по обычным телефонным каналам связи. В самых ранних моделях модемов, эти две скорости совпадали. Современные модемы кодируют несколько битов данных в одном изменении состояния аналогового сигнала и очевидно, что скорость передачи данных и скорость работы канала в этом случае не совпадают. Если на бодовом интервале (между соседними изменениями сигнала) передается N бит, то число значений модулируемого параметра несущей (переносчика) равно 2 N . Например, при числе градаций 16 и скорости 1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с и информационная скорость составит 4800 бит/с, т.е. скорость в битах в секунду превышает скорость в бодах. В частности, модемы на 2 400 и 1 200 бит/с передают 600 бод, а модемы на 9 600 и 14 400 бит/с- 2 400 бод.

В аналоговых телефонных сетях скорость передачи данных определяется типом протокола который поддерживают оба модема, участвующие в соединении. Так, современные модемы работают по протоколам V.34+ со скоростью до 33600 бит/с или по протоколу асимметричного обмена данными V.90 со скоростью передачи до 56 Kbps.

Стандарт V.34+ позволяет работать по телефонным линиям практически любого качества. Первоначальное соединение модемов происходит по асинхронному интерфейсу на минимальной скорости 300 бит/с, что позволяет работать на самых плохих линиях. После тестирования линии выбираются основные параметры передачи (частота несущей 1,6-2,0 КГц, способ модуляции, переход в синхронный режим) которые в последствии могут динамически изменяться без разрыва связи, адаптируясь к изменению качества линии.

Протокол V.90 был принят Международным Союзом Электросвязи (МСЭ) в феврале 1998 г. В соответствии с этим стандартом модемы, установленные у пользователя, могут принимать данные от провайдера сети (входящий поток – Downstream) на скорости 56 Kbps, а посылать (исходящий поток – Upstream) – на скорости до 33,6 Kbps. Достигается это за счет того, что данные на узле сети, подключенному к цифровому каналу, подвергаются только цифровому кодированию, а не аналого-цифровому преобразованию, которое всегда вносит шум дискретизации и квантования. На стороне пользователя из-за "последней аналоговой мили" происходит и цифро-аналоговое (в модеме) и аналого-цифровое преобразование (на АТС), поэтому увеличение скорости невозможно. Очевидно, что применить такую схему удается только там, где один из модемов имеет доступ к цифровому каналу. Практически только провайдер сети Интернет может быть связан с АТС пользователя цифровым каналом.

Для соединений типа абонент-абонент по коммутируемой телефонной сети общего пользования новая технология непригодна и работа возможна только на скорости не выше 33,6 Kbps.

Скорости передачи цифровой информации для ЛВС различных типов приведены в таблице 2.1, а для глобальных сетей в таблице 2.2.

Таблица 2.1

Тип сети (протокол канального уровня)	Вид линии передачи данных
	Толстый коаксиальный кабель (10Base-5) Тонкий коаксиальный кабель (10base-2) Неэкранированная витая пара UTP категории 3 (10Base-T) Оптоволокно (10Base-F)
	Оптоволокно (100Base-FX)
Gigabit Ethernet	Многомодовое оптоволокно (1000Base-SX) Одномодовое оптоволокно (1000Base-LX) Твинаксиальный кабель(1000Base-СX)
Token Ring (High Speed Token Ring)	Оптоволокно
FDDI (Fiber Distributed Data Interface)	Оптоволокно

Таблица 2.2

Иерархия скоростей цифровых каналов глобальных сетей

Тип сети	Тип интерфейса и линии передачи данных	Скорость передачи данных, Мбит/с
	T1/E1, кабель из 2-ух витых пар T2/E2,коаксиальный кабель T3/E3, коаксиальный и оптический кабель или радиолинии СВЧ
	STS-3, OC-3/STM-1 STS-9, OC-9/STM-3 STS-12, OC-12/STM-4 STS-18, OC-18/STM-6 STS-24, OC-24/STM-8 STS-36, OC-36/STM-12 STS-48, OC-48/STM-16
	BRI (базовый) PRI (специальный)
	Абонент-сеть (Upstream) Сеть-абонент (Downstream)

На ВОЛС достигнуты рекордные скорости передачи информации. В экспериментальной аппаратуре с использованием метода мультиплексирования с разделением каналов по длинам волн (WDM - Wavelengths Division Multiplexing) достигнута скорость 1100 Гбит/с на расстоянии 150 км. В одной из действующих систем на основе WDM передача идет со скоростью 40 Гбит/с на расстояния до 320 км. В методе WDM выделяется несколько несущих частот (каналов). Так, в последней упомянутой системе имеются 16 таких каналов вблизи частоты 4*10 5 ГГц, отстоящих друг от друга на 10 3 ГГц, в каждом канале достигается скорость 2,5 Гбит/с.

Максимально возможная информационная скорость, пропускная способность C (bandwidth ) связана с полосой пропускания F (точнее с верхней частотой полосы пропускания) канала связи формулой Хартли-Шеннона. Пусть N – число возможных дискретных значений сигнала, например число различных значений модулируемого параметра. Тогда на одно изменение величины сигнала, в соответствии с формулой Хартли, приходится не более I=log 2 N бит информации.

Максимальную информационную скорость передачи можно определить как

С = log 2 N / t,

где t - длительность переходных процессов, приблизительно равная (3-4)Т В, а Т В = 1/(2πF). Тогда

бит/с, (2.1)

В случае канала с помехами количество различимых значений модулированного сигнала N должно быть ≤ 1+A, где A - отношение мощностей сигнала и помехи.

Для пользователей вычислительных сетей значение имеют не абстрактные биты в секунду, а информация, единицей измерения которой служат байты или знаки. Поэтому более удобной характеристикой канала является его реальная или эффективная скорость , которая оценивается количеством знаков (символов), передаваемых по каналу за секунду (cps, character per second), не включая служебную (например, биты начала и конца блока, заголовки блоков и контрольные суммы).

Эффективная скорость зависит от ряда факторов, среди которых не только скорость передачи данных, но и способ передачи, и качество канала связи, и условия его эксплуатации, и структура сообщений. Например, так как в среднем, при асинхронном методе передачи данных через модем каждым 10 переданным битам соответствует 1 байт или 1 символ сообщения, то 1 cps=10 bps. Для повышения эффективной скорости передачи используются различные методы сжатия информации, реализуемые как самими модемами, так и коммуникационным ПО.

Существенной характеристикой любой коммуникационной системы является достоверность передаваемой информации. Достоверность передачи информации или уровень ошибок (error ratio) оценивают либо как вероятность безошибочной передачи блока данных, либо как отношение количества ошибочно переданных битов к общему числу переданных битов (единица измерения: количество ошибок на знак - ошибок/знак) Например, вероятность 0,999 соответствует 1 ошибке на 1000 бит (очень плохой канал). Требуемый уровень достоверности должны обеспечивать как аппаратура канала, так и состояние линии связи. Нецелесообразно использовать дорогостоящую аппаратуру, если линия связи не обеспечивает необходимых требований по помехоустойчивости.

При передаче данных в вычислительных сетях этот показатель должен лежать в пределах 10 -8 -10 -12 ошибок/знак, т.е. допускается не более одной ошибка на 100 миллионов переданных битов. Для сравнения, допустимое количество ошибок при телеграфной связи составляет примерно 3·10 -5 на знак.

Наконец, надежность коммуникационной системы определяется либо долей времени исправного состояния в общем времени работы, либо средним временем безотказной работы в часах. Вторая характеристика позволяет более эффективно оценить надежность системы.

Для вычислительных сетей среднее время безотказной работы должно быть достаточно большим и составлять, как минимум, несколько тысяч часов