Які бувають канали зв'язку способом кодування. Основні поняття та характеристики каналів зв'язку. Пропускна спроможність дискретного каналу зв'язку

Основною функцією інформаційної системи є зберігання інформації та її перенесення у просторі. Сукупність технічних засобівпередачі повідомлень від джерела до споживача називається системою зв'язку.Цими засобами є передавальний пристрій, лінія зв'язку та приймальний пристрій. Іноді до поняття система зв'язку включаються джерело та споживач повідомлень.

Структурна схема найпростішої системи зв'язку представлена ​​малюнку 2. Тут вихідним пунктом є джерело повідомлення. Джерело може виробляти безперервне або дискретне повідомлення. Джерелом повідомлень і одержувачем в одних системах зв'язку може бути людина, в інших - різноманітних пристроїв (автомат, обчислювальна машина і т. п.). Передача повідомлень на відстань здійснюється за допомогою будь-якого матеріального носія (папір, магнітна стрічка тощо) або фізичного процесу (звукових або електромагнітних хвиль, струму тощо).

Джерело інформації або повідомлення - це фізичний об'єкт, система або явище, що формують повідомлення, що передається.

Повідомлення - це значення чи зміна деякої фізичної величини, що відбивають стан об'єкта (системи чи явища). Як правило, первинні повідомлення - мова, музика, зображення, вимірювання параметрів навколишнього середовища і т.д., є функцією часу - f (t) або інших аргументів - f (x, y, z) неелектричної природи (акустичний тиск, температура, розподіл яскравості на деякій площині тощо).

Рис.2. Структурна схема системи зв'язку.

кожне i - е повідомлення джерела є довільною послідовністю елементів алфавіту
(
,
, ...,) довжиною m , Де верхній індекс у елементів є номер послідовності, а нижній індекс означає тільки місце літери в повідомленні, але не її вигляд.

При m = 1 повідомленням є одна буква, тобто таке повідомлення є елементарне повідомлення . У загальному випадку при m > 1 одна і та ж літера може з'явитися в повідомленні декілька разів. Загальною властивістю елементарного повідомлення є його неподільність більш дрібні повідомлення.

Кінцева безліч повідомлень X c заданим на ньому розподілом ймовірностей p ( x ) називається дискретним ансамблем повідомлень і позначається ( X , p ( x )}.

Пристрій, що перетворює повідомлення сигнал, називають передавальним пристроєм, а пристрій, що перетворює прийнятий сигнал повідомлення, - приймальним пристроєм.

За допомогою перетворювача в передавальному пристрої повідомлення а, яке може мати будь-яку фізичну природу (зображення, звукове коливання тощо), перетворюється на первинний електричний сигнал b(t). У телефонії, наприклад, ця операція зводиться до перетворення звукового тиску в електричний струм мікрофона, що пропорційно змінюється. У телеграфії спочатку проводиться кодування, в результаті якого послідовність елементів повідомлення (літер) замінюється послідовністю кодових символів (0, 1 або точка, тире), яка потім за допомогою телеграфного апарата перетворюється на послідовність електричних імпульсів постійного струму.

У передавачі первинний сигнал b(t) (зазвичай низькочастотний) перетворюється на вторинний (високочастотний) сигнал u(t), придатний передачі по використовуваному каналу. Це здійснюється за допомогою модуляції.

Перетворення повідомлення на сигнал має бути оборотним. У цьому випадку вихідним сигналом можна, в принципі, відновити вхідний первинний сигнал, тобто отримати всю інформацію, що міститься в переданому повідомленні. В іншому випадку частина інформації буде втрачена під час передачі, навіть якщо сигнал доходить до приймального пристрою без спотворень.

Фізичний процес, що відображає (несе) повідомлення, що передається, називається сигналом.

Сигнал - це матеріально-енергетична форма подання інформації. Інакше кажучи, сигнал – це переносник інформації, одне чи кілька параметрів якого, змінюючись, відображають повідомлення.

Ланцюг “інформація – повідомлення – сигнал” – це приклад процесу обробки, яка потрібна там, де знаходиться джерело інформації. За споживача інформації здійснюється обробка у порядку: “сигнал – повідомлення – информация”.

Будь-яке перетворення повідомлення на певний сигнал шляхом встановлення між ними однозначної відповідності називають у широкому значенні кодуванням.

Кодування може включати процеси перетворення і дискретизації безперервних повідомлень (аналого-цифрове перетворення), модуляцію (маніпуляцію в цифрових системах зв'язку) і безпосередньо кодування у вузькому сенсі слова. Зворотна операція називається декодуванням.

Ліній зв'язку називається середовище, що використовується для передачі сигналів від передавача приймачеві.

У системах електричного зв'язку - це кабель чи хвилевід, у системах радіозв'язку - область простору, у якому поширюються електромагнітні хвилі від передавача до приймача. При передачі сигнал може спотворюватись і на нього можуть накладатися перешкоди n(t).

Приймальний пристрій обробляє прийняте коливання z(t)=u(t)+n(t), що являє собою суму спотвореного сигналу, що прийшов u(t) та перешкоди n(t), і відновлює по ньому повідомлення , що з деякою похибкою відображає передане повідомлення a. Іншими словами, приймач повинен на основі аналізу коливання z(t) визначити, яке із можливих повідомлень передавалося. Тому приймальний пристрій є одним із найбільш відповідальних та складних елементів системи зв'язку.

Каналом зв'язку називається сукупність засобів, що забезпечують передачу сигналу від деякої точки системи А до точки В(Рис. 3).

Крапки Аі Уможуть бути обрані довільно, аби між ними проходив сигнал. Частина системи зв'язку, розташована до точки А, є джерелом сигналу цього каналу.

Мал. 3. Канал зв'язку.

Канал як джерело перешкод, надає сигнал якийсь вплив. Завданнями приймача є виділення із зашумленого сигналу переданого повідомлення та надсилання його споживачеві.

Класифікують канали зв'язку за різними ознаками, у тому числі за математичним описом (безперервні та дискретні канали, безперервного та дискретного часу).

Якщо сигнали, що надходять на вхід каналу і приймаються з його виходу, є дискретними станами, то канал називається дискретним. Якщо ці сигнали є безперервними, то канал називається безперервним. Зустрічаються також дискретно-безперервні та безперервно-дискретні канали, на вхід яких надходять дискретні сигнали, а з виходу знімаються безперервні, чи навпаки. Зі сказаного видно, що канал може бути дискретним або безперервним незалежно від характеру повідомлень, що передаються. Понад те, у тому ж системі зв'язку можна назвати як дискретний, і безперервний канали. Все залежить від того, яким чином обрані точки Аі Увходу та виходу каналу.

У даному посібнику будемо розглядати дискретний канал зв'язку .

Якщо шкідливу дію перешкод у каналі можна знехтувати, то для аналізу використовується модель у вигляді ідеалізованого каналу, що називається каналом без перешкод. В ідеальному каналі кожному повідомленню на вході однозначно відповідає певне співвідношення на виході та навпаки. Коли вимоги до достовірності великі та зневага до неоднозначності зв'язку між повідомленнями xі y неприпустимо, використовується складніша модель – канал із перешкодами.

Найпростіший клас моделей каналів утворюють дискретні без пам'яті; вони визначаються в такий спосіб. Входом є послідовність букв (елементів) із кінцевого алфавіту, нехай
, виходом – послідовність букв того самого чи іншого алфавіту, скажімо
. Нарешті, кожна літера вихідної послідовності залежить статистично лише від літери, що стоїть на відповідній позиції у вхідній послідовності, та визначається заданою умовною ймовірністю
, визначеною для всіх букв алфавіту на вході та всіх букв на виході. Прикладом може бути двійковий симетричний канал (рис.4), який є дискретний канал без пам'яті з двійковими послідовностями на вході і виході, в якому кожен символ послідовності на вході з деякою ймовірністю 1-q відтворюється на виході каналу правильно і з q ймовірністю змінюється шум на протилежний символ. У загальному випадку, в дискретному каналі без пам'яті перехідні ймовірності вичерпують всі відомі відомості про те, як сигнал на вході, взаємодіючи з шумом, утворює сигнал на виході.

Мал. 4. Двійковий симетричний канал.

Набагато ширший клас каналів – каналів з пам'яттю, утворюють канали, у яких сигналами на вході є послідовності букв із кінцевих алфавітів, але у яких кожна літера на виході може статистично залежати лише від відповідної літери вхідної послідовності.

Як було зазначено в попередньому обговоренні, канал зв'язку забезпечує з'єднання передавача та приймача. Фізичний канал може бути двопровідною лінією, яка пропускає електричний сигнал, або скловолокном, яке переносить інформацію за допомогою модульованого світлового променя, або підводним каналом океану, в якому інформація передається акустично, або вільним простором, яким несучий інформаційний сигнал випромінюється за допомогою антени. Інші середовища, які можуть характеризуватись як канали зв'язку - засоби зберігання даних, такі як магнітна стрічка, магнітні та оптичні диски.

Одна загальна проблема під час передачі сигналу через будь-який канал – адитивний шум. Взагалі, адитивний шум створюється часто всередині різних електронних компонентів, таких як резистори і твердотільні пристрої, що використовуються в системах зв'язку. Ці шуми часто називають тепловим шумом. Інші джерела шуму та інтерференції (накладання) можуть виникати поза системою, наприклад, перехідні перешкоди від інших користувачів каналу. Коли такий шум і перехідні перешкоди займають той же діапазон частот, що і корисний сигнал, їх вплив може бути мінімізовано шляхом відповідного вибору сигналу, що передається, і демодулятора в приймачі. Інші види сигнальних спотворень, які можуть зустрічатися при передачі сигналу по каналу, - це згасання сигналу, амплітудні та фазові спотворення сигналу та спотворення сигналу, зумовлені багатоколійним поширенням хвиль.

Вплив шуму може бути зменшено збільшенням потужності сигналу, що передається. Однак конструктивні та інші практичні міркування обмежують рівень потужності сигналу, що передається. Інше базове обмеження – доступна ширина лінії частот каналу. Обмеження ширини смуги зазвичай обумовлено фізичними обмеженнями середовища та електричних компонентів, що використовуються в передавачі та приймачі. Ці дві обставини призводять до обмеження кількості даних, які можуть бути надійно передані по будь-якому каналу зв'язку, як ми побачимо в наступних розділах книги. Нижче ми наведемо деякі з важливих характеристик окремих каналів зв'язку.

Дротові канали. Телефонна мережа екстенсивно використовує дротові лінії передачі звукового сигналу, і навіть даних і відеосигналів. Виті провідні пари та коаксіальний кабель в основному дають електромагнітний канал, який забезпечує проходження щодо помірної ширини смуги частот. Телефонний провід, який зазвичай використовується, щоб з'єднати клієнта з центральної станції, має ширину смуги кілька сотень кілогерц. З іншого боку, коаксіальний кабель має зазвичай використовувану ширину смуги частот кілька мегагерц. Малюнок 1.2.1 пояснює частотний діапазон використовуваних електромагнітних каналів, які включають хвилеводи та оптичний кабель.

Мал. 1.2.1. Частотні діапазони для каналів зв'язку з напрямними системами

Сигнали, що передаються через такі канали, спотворюються по амплітуді та фазі, та, крім того, на них накладається адитивний шум. Дротова лінія зв'язку у вигляді кручений пари також схильна до інтерференції перехідних перешкод від рядом розташованих пар. Оскільки провідні канали становлять великий відсоток каналів зв'язку по всій країні та світу, широкі дослідження були спрямовані на визначення їх властивостей передачі та зменшення амплітудних властивостей передачі та зменшення амплітудних та фазових спотворень у каналі. У гол. 9 ми опишемо метод синтезу оптимальних сигналів, що передаються, і демодуляторів; у гол. 10 та 11 розглянемо синтез канальних еквалайзерів (вирівнювачів), які компенсують амплітудні та фазові спотворення в каналі.

Волоконно-оптичні канали.Скловолокно представляє проектувальнику системи зв'язку ширину смуги частот, яка на кілька порядків більша, ніж у каналів з коаксіальним кабелем. Протягом минулого десятиліття було розроблено оптичні кабелі, які мають відносно низьке згасання для сигналу, та високонадійні оптичні пристрої для генерування та детектування сигналу. Ці технологічні досягнення призвели до швидкого освоєння таких каналів як внутрішніх систем електрозв'язку, так трансатлантичних і світових систем зв'язку. З урахуванням великої ширини смуг частот, доступної на волоконно-оптичних каналах, стало можливим для телефонних компаній запропонувати абонентам широкий діапазон послуг електрозв'язку, включаючи передачу мови, даних, факсимільних та відеосигналів.

Передавач або модулятор у волоконно-оптичній системі зв'язку - джерело світла, світловипромінюючий діод (СІД) або лазер. Інформація передається шляхом зміни (модуляції) інтенсивності джерела світла у вигляді сигналу повідомлення. Світло поширюється через волокно як світлова хвиля, і вона періодично посилюється (у разі цифрової передачі детектується та відновлюється ретрансляторами) вздовж тракту передачі, щоб компенсувати загасання сигналу.

У приймачі інтенсивність світла детектується фотодіодом, вихід якого є електричним сигналом, який змінюється пропорційно потужності світла на вході фотодіода. Джерела шуму у волоконно-оптичних каналах – це фотодіоди та електронні підсилювачі.

Передбачається, що волоконно-оптичні канали замінять майже всі канали провідної лінії зв'язку телефонної мережі межі століття.

Бездротові канали.У системах бездротового зв'язку(Радіозв'язку) електромагнітна енергія передається в середовище поширення антеною, яка служить випромінювачем. Фізичні розміри та структура антени залежать передусім від робочої частоти. Щоб отримати ефективне випромінювання електромагнітної енергії, розміри антени повинні бути більшими ніж 1/10 довжини хвилі. Отже, передача радіостанції з AM на несучій, припустимо, МГц, що відповідає довжині хвилі м, вимагає антени з діаметром принаймні 30м. Інші важливі характеристикита властивості антен для бездротової передачі описані в гол. 5.

Малюнок 1.2.2 пояснює різні діапазони частот для радіозв'язку. Способи поширення електромагнітних хвиль в атмосфері та у вільному просторі можна розділити на три категорії, а саме: поширення поверхневою хвилею, поширення просторової хвилею, поширення прямої хвилі. У діапазоні дуже низьких частот(ОНЧ) та звуковому діапазоні, в яких довжини хвиль перевищують 10км, земля та іоносфера утворюють хвилевід для поширення електромагнітних хвиль. У цих частотних діапазонах сигнали зв'язку фактично поширюються навколо всієї земної кулі. З цієї причини ці діапазони частот насамперед використовують у всьому світі для вирішення навігаційних завдань з берега до кораблів.

Ширина смуги частот каналу, доступної в цих діапазонах, відносно мала (зазвичай становить 1 ... 10% центральної частоти), і, отже, інформація, яка передається через ці канали, має відносно низьку швидкість передачі та зазвичай неприйнятна для цифрової передачі.

Домінуючий тип шуму цих частотах обумовлений грозової діяльністю навколо земної кулі, особливо у тропічних областях. Інтерференція виникає через велику кількість станцій у цих діапазонах частот.

Розповсюдження земної хвилею, як ілюструється на рис. 1.2.3 є основним видом поширення для сигналів у смузі середніх частот (0,3…3 МГц). Це діапазон частот, що використовується для радіомовлення з AM і морського радіомовлення. При AM радіомовленні та поширенні земною хвилею дальність зв'язку, навіть за використання потужних радіостанцій, обмежена 150 км. Атмосферні шуми, промислові і теплові шуми від електронних компонентів приймача є основними причинами спотворень сигналів, що передаються в діапазоні середній частот.

Мал. 1.2.2. Частотні діапазони для бездротового зв'язку

Окремим випадком поширення просторової хвилі є іоносферне поширення, що ілюструється рис. 1.2.4. Воно зводиться до відображення (відхилення або рефракція хвилі) сигналу, що передається від іоносфери, яка складається з декількох шарів заряджених частинок, розташованих на висоті 50...400 км від поверхні землі. Вдень доби розігрів нижніх шарів атмосфери сонцем зумовлює появу нижнього шару на висоті нижче 120 км. Ці нижні шари, особливо D-шар, викликають поглинання частот нижче 2 МГц, таким чином обмежуючи поширення іоносферної хвилею радіопередач AM радіомовлення. Однак протягом нічних годин електронна концентрація частинок у нижніх шарах іоносфери різко падає, і приватне поглинання, що зустрічається вдень, значно скорочується. Як наслідок, потужні радіомовні сигнали з AM можуть поширюватися на великі відстані від відображення від іоносферних шарів (які розташовуються на висоті від 140 до 400 км над поверхнею землі), і земної поверхні.

Мал. 1.2.3. Ілюстрація розповсюдження поверхневою хвилею

Проблема, що часто виникає при іоносферному поширенні електромагнітної хвилі в частотному діапазоні ВЧ - це багатоколійність. Багатоколійність утворюється тому, що сигнал, що передається, досягає приймача по багатьох шляхах з різними затримками. Це зазвичай призводить до міжсимвольної інтерференції у системі цифрового зв'язку. Більше того, сигнальні компоненти, що прибувають по різних шляхах поширення, можуть підсумовуватися таким чином, що це призводить до явища, названого завмираннями. Ця більшість людей зазнала при слуханні віддаленої радіостанції вночі, коли іоносферна хвиля є домінуючим способом розповсюдження. Адитивний шум у ВЧ діапазоні – це комбінація атмосферних перешкод та теплового шуму. Поширення іоносферної хвилі припиняється на частотах вище 30 МГц, що межею діапазону ВЧ. Однак можливе іоносферно-тропосферне поширення на частотах у діапазоні від 30 до 60 МГц, обумовлене розсіюванням сигналів від нижніх шарів іоносфери. Також можна зв'язатись на відстані кількох сотень миль за допомогою тропосферного розсіювання в діапазоні від 40 до 300 МГц. Тропосферне розсіювання обумовлюється розсіюванням сигналу завдяки часткам в атмосфері на висотах близько 10 км. Зазвичай іоносферне та тропосферне розсіювання викликає великі сигнальні втрати і вимагає великої потужності передавача і великих розмірів антен.

Мал. 1.2.4. Ілюстрація розповсюдження просторовою хвилею

Частоти вище 30 МГц проходять через іоносферу з відносно малими втратами і уможливлюють супутниковий та позаземний зв'язок. Отже, на частотах УВЧ діапазону та вище основним способом електромагнітного поширення хвиль є поширення в межах прямої видимості (ППВ). Для земних систем зв'язку це означає, що передавальна та приймальна антени повинні бути у прямій видимості з відносно малою перешкодою (або її відсутністю). З цієї причини передача телевізійних станцій в УВЧ та НВЧ діапазонах частот для досягнення широкої зони охоплення здійснюється антенами на високих опорах.

Взагалі, зона охоплення для ППВ поширення обмежена кривизною поверхні землі. Якщо антена, що передає, встановлена ​​на висоті м над поверхнею землі, відстань до радіогоризонту, не беручи до уваги фізичні перешкоди, такі як гори, приблизно км. Наприклад, антена телебачення, встановлена ​​на висоті 300 м, забезпечує покриття території приблизно 67 км. Інший приклад – релейні системи мікрохвильового радіозв'язку, що екстенсивно використовуються для передачі телефонних і відеосигналів на частотах вище 1 МГц, мають антени, встановлені на високих опорах або зверху на високих будівлях.

Домінуючий шум, що обмежує якість системи зв'язку у ВЧ та УВЧ діапазонах, – тепловий шум, створюваний у вхідних ланцюгах приймача, та космічні шуми, уловлені антеною. На частотах в діапазоні НВЧ вище 10 ГГц при поширенні сигналу головну роль відіграють атмосферні умови. Наприклад, на частоті 10 ГГц загасання змінюється приблизно від 0,003 дБ/км при легкому дощі до 0,3 дБ/км за важкого дощу. На частоті 100 ГГц згасання змінюється приблизно від 0,1 дБ/км за легкого дощу до 6 дБ/км за важкого дощу. Отже, у цьому частотному діапазоні важкий дощ викликає надзвичайно високі втрати при поширенні, які можуть спричинити відмову системи обслуговування (повний обрив у системі зв'язку).

На частотах вище КВЧ (вкрай високі частоти) смуги ми маємо діапазон інфрачервоного та видимого випромінювань – області електромагнітного спектру, який може використовуватися для застосування ППВ оптичного зв'язку у вільному просторі. Досі ці діапазони частот використовувалися в експериментальних системах зв'язку типу зв'язку між супутниками.

Підводні акустичні канали.За останні 40 років дослідження океанської діяльності безперервно розширювалися. Це з посиленням потреби передати дані, зібрані датчиками, розміщеними під водою і поверхні океану. Звідти дані передаються центру збору інформації.

Електромагнітні хвилі не поширюються великі відстані під водою, крім вкрай низьких частот. Однак передача сигналів таких низьких частот гранично дорога через надзвичайно великі та потужні передавачі. Згасання електромагнітних хвиль у воді може бути виражене глибиною поверхневого шаруяка є відстанню, на якій сигнал послаблюється в раз. Для морської води глибина поверхневого шару, де виражена в герцях, а – у метрах. Наприклад, для частоти 10 кГц глибина поверхневого шару 2,5 м. Навпаки, акустичні сигнали поширюються на відстані десятків і навіть сотень кілометрів.

Підводний акустичний канал веде себе як багатоколійний канал завдяки сигнальним відбиттям від поверхні та дна моря. Через випадкового руху хвилі сигнальні продукти багатоколійного (багатопроменевого) поширення призводять до випадкових у часі затримок поширення і в результаті до завмирання сигналу. Крім того, є частотно-залежне згасання, яке приблизно пропорційне квадрату частоти сигналу. Глибинна швидкість номінально дорівнює приблизно 1500 м/с, але реальне значення вище або нижче від номінального значення в залежності від глибини, на якій сигнал поширюється.

Навколишній океанський акустичний шум викликаний креветкою, рибою та різними ссавцями. Близькі гавані додають до навколишнього шуму промисловий шум. Незважаючи на це перешкодове довкілля, можливо проектувати та виконувати ефективні та безпечні підводні акустичні системизв'язку для передачі цифрових сигналіввеликі відстані.

Системи збереження інформації. І системи пошуку інформації становлять значну частину систем повсякденної обробки даних. Це магнітна стрічка, включаючи цифровий похило-рядковий звукозапис, та відеострічка, магнітні диски, що використовуються для зберігання великої кількості даних комп'ютера, оптичні диски, що використовуються для зберігання даних комп'ютера. Компакт-диски - також приклад систем зберігання інформації, які можна як канали зв'язку. Процес запам'ятовування даних на магнітній стрічці або магнітному або оптичний дискеквівалентний передачі сигналу по телефону чи радіоканалу. Процес зчитування та сигнальні процеси, що використовуються в системах зберігання, щоб відновлювати запасену інформацію, еквівалентний функцій, що виконуються приймачем у системі зв'язку для відновлення інформації, що передається.

Адитивний шум, що видається електронними контактами, і інтерференція від суміжних доріжок зазвичай представлені сигналі зчитування записаної інформації точно так, як це має місце в системі провідної телефонії або системі радіозв'язку. Кількість даних, які можна зберігати, обмежена розміром диска або стрічки та щільністю запису (числом бітів, що зберігаються на одиниці площі), яка може бути досягнута електронними системами та головками запису-зчитування. Наприклад, щільність упаковки біт квадратний сантиметр демонструвалася в експериментальній системі зберігання на магнітному диску. (Поточні комерційні магнітні вироби зберігання досягають значно меншої щільності.) Швидкість, з якою дані можуть бути записані на диску або стрічці, і швидкість, з якою інформація може зчитуватися, також обмежені механічними та електричними підсистемами, що входять до системи зберігання інформації.

Кодування каналу та модуляція - суттєві компоненти добре розробленої цифрової магнітної або оптичної системи зберігання. У процесі зчитування сигнал демодулюється та його надмірність, введена кодером каналу, використовується для виправлення помилок зчитування.

Мережеві технології, канали зв'язку та їх основні характеристики.

Ц ялини:

Навчати основ мережевих технологій.

Розвивати пізнавальний інтерес.

Виховувати інформаційну культуру.

П роверка домашнього завдання.

Х від уроку:

Мережева технологія - це узгоджений набір стандартних протоколів та програмно-апаратних засобів (наприклад, мережевих адаптерів, драйверів, кабелів та роз'ємів), достатній для побудови обчислювальної мережі.
Сьогодні Інтернет – це поєднання великої кількості мереж. Кожна мережа складається з десятків та сотень серверів. Сервери з'єднані між собою безпосередньо різними лініями зв'язку: кабельними, наземним радіозв'язком, супутниковим радіозв'язком. До кожного сервера підключається велика кількістькомп'ютерів та локальних комп'ютерних мережякі є клієнтами мережі. Клієнти можуть з'єднуватися з сервером не тільки прямими лініями, але й звичайними телефонними каналами.
Каналами зв'язку називають технічні засоби, що дозволяють здійснювати передачу даних з відривом. У контексті, який ми розглядаємо, каналами зв'язку будемо називатизасоби встановлення зв'язку для передачі інформації між віддаленими комп'ютерами . Як технічні засоби передачі можуть використовуватися звичайні канали зв'язку (телефонні, телеграфні, супутникові тощо. буд.). Зараз прогресивнішими засобами вважаються канали зв'язку, побудовані спеціально для передачі цифрової інформації. До таких відносяться, наприклад, оптоволоконні мережі.

Основними характеристиками каналів зв'язку єпропускна здатність іперешкодостійкість . Пропускна здатність відображає здатність каналу надсилати задану кількість повідомлень за одиницю часу. Цей параметр залежить від фізичних властивостей каналу зв'язку. Іншими словами,пропускна здатність - це обсяг даних, що передаються модемом в одиницю часу, без урахування додаткової службової інформаціїнаприклад стартового і стопового бітів, початкових кінцевих записів Стоків і т.д.
Перешкодостійкість задає параметр рівня спотворення інформації, що передається. Щоб уникнути зміни чи втрати інформації під час її передачі, використовують спеціальні методи, дозволяють скоротити вплив шумів.

Класифікація комп'ютерних каналів зв'язку:

за способом кодування:цифрові іаналогові ;

за способом комунікації:виділені (постійне з'єднання) такомутовані (тимчасове з'єднання);

за способом передачі сигналу:кабельні (кручена пара, коаксіальний кабель, оптико-волоконні, оптичні (світловоди), радіорелейні, бездротові, супутникові;телефонні , радіо (Радіорелейні, супутникові).

Кручена пара складається з двох ізольованих дротів, звитих між собою. Скручування проводів зменшує вплив зовнішніх електромагнітних полів на сигнали, що передаються.

Коаксіальний кабель в порівнянні з крученою парою має більш високу механічну міцність, помехозащищенность.

Оптоволоконний кабель - ідеальне передавальне середовище, він не схильний до дії електромагнітних полів і сам практично не має випромінювання.

Лінії зв'язку:
Радіорелейні лінії зв'язку (РРЛ) призначені для передачі сигналів у діапазонах дециметрових, сантиметрових та міліметрових хвиль. Передача здійснюється через систему ретрансляторів, розташованих на відстані прямої видимості.

Бездротове мережеве обладнання призначено передачі по радіоканалах інформації між комп'ютерами, мережевими та іншими спеціалізованими пристроями.

Супутникові лінії зв'язку працюють у 9 - 11 діапазонах частот і, у перспективі, в оптичних діапазонах. У цих системах сигнал із земної станції посилається на супутник, що містить приймальну апаратуру, там посилюється, обробляється і посилається назад на Землю, забезпечуючи зв'язок на великі відстані та перекриваючи великі площі.

Канали зв'язку поділяються насимплексні ідуплексні . В одному випадку інформація передається лише в одному напрямку, що є менш ефективним засобом. В іншому випадку інформація передається у двох напрямках, причому одночасно можуть передаватися кілька повідомлень.

Як фізичний процес, що здійснює передачу даних на відстані, використовуютьсигнали . На цей процес можуть впливати різні явища, що створюютьперешкоди (наприклад, це може бути напруга стороннього походження, що з'являється в каналах зв'язку та обмежує дальність передачі корисних сигналів).

Залежно від джерела виникнення та від характеру їхнього впливу перешкоди поділяються на:

власні перешкоди каналу зв'язку;

взаємні , що створюються впливом каналів один на одного;

зовнішні - Від сторонніх електромагнітних полів.

Практика показала, що звільнення від шумів (перешкод) неможливе через природні (непереборні) причини їх виникнення. Тоді було запропоновано ідею пошуку можливості захисту у самому переданому тексті (К.Э. Шеннон). Найкращим способомстало використання надлишкового коду. Функція захисту інформації при передачі каналами зв'язку включає три компоненти:підтвердження , виявлення помилок іповідомлення про них, повернення у вихідний стан. Інформація кодується відповідним чином, разом з основним змістом передається інформація про розмір інформації, що передається. При отриманні інформації звіряється інформація про довжину повідомлення з вихідним станом, при розбіжності значень пункт передачі інформації передається сигнал про необхідність повторного пересилання.

Проксі-сервер - проміжний, транзитний веб-сервер, який використовується як посередник між браузером та кінцевим веб-сервером. Основна причина використання проксі-сервера – економія обсягу передачі інформації та збільшення швидкості доступу за рахунок кешування. Наприклад, якщо більшість співробітників компанії часто користуються одним і тим же веб-сервером, що містить актуальний курс валют, то ця інформація збережеться в проксі, і, таким чином, сторінки будуть запрошені з оригінального сервера лише один раз. При використанні проксі компанії потрібна лише одна публічна IP-адреса.

Протокол (protocol) - сукупність правил, що регламентують формат та процедури обміну інформацією між двома незалежними процесами чи пристроями.

Протокол мережевий (network protocol) - сукупність правил і угод, що використовуються під час передачі даних.

Розрізняють три основні типи протоколів, що працюють у різних мережах та з різними операційними системами: Novell IPX (Inter Packet Exchange), TCP/IP, NetBEUI (Network BIOS User Interface).
Протокол управління передачею/міжмережевий протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) - набір протоколів, розроблений для Інтернету і його основою. TCP гарантує, що кожен надісланий байт дійде до одержувача без втрат. IP надає локальні IP-адреси фізичним мережевим адресам, забезпечуючи цим адресний простір з яким працюють маршрутизатори.

До сімейства TCP/IP входять:

протокол Telnet, який дозволяє віддаленим терміналам підключатися до віддалених вузлів (комп'ютерів);

система доменної адресації DNS, що дозволяє користувачам адресуватися до вузлів мережі за символьним доменному іменізамість цифрової IP-адреси;

протокол передачі файлів FTP, який визначає механізм зберігання та передачі файлів;

протокол передачі гіпертексту HTTP

Запитання та завдання

Що називається мережевими технологіями?

Що таке канали зв'язку?

Назвіть основні характеристики каналів зв'язку.

Наведіть класифікацію каналів зв'язку.

Що таке проксі-сервер?

Що таке протоколи?

Яку функцію виконує протокол TCP/IP?

Домашнє завдання : конспект.

Характеристики

Використовують такі характеристики каналу

Перешкодостійкість

Перешкоднозахищеність 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))). Де P m i n s i g n a l P n o i s e (\displaystyle (P_(min~signal) \over P_(noise)))- мінімальне відношення сигнал/шум;

Об'єм каналу

Об'єм каналу V (\displaystyle V)визначається за формулою: V k = Δ F k ⋅ T k ⋅ D k (\displaystyle V_(k)=\Delta F_(k)\cdot T_(k)\cdot D_(k)),

де T k (\displaystyle T_(k))- час, протягом якого канал зайнятий сигналом, що передається;

Для передачі сигналу каналом без спотворень обсяг каналу V k (\displaystyle V_(k))повинен бути більшим або дорівнює обсягу сигналу V s (\displaystyle V_(s)), тобто . Найпростіший випадок вписування обсягу сигналу обсяг каналу - це досягнення виконання нерівностей Δ F k ⩾ Δ F s (\displaystyle \Delta F_(k)\geqslant ~\Delta F_(s)), T k ⩾ T s (\displaystyle T_(k)\geqslant ~T_(s))> і Δ D k ⩾ Δ D s (\displaystyle \Delta D_(k)\geqslant ~\Delta D_(s)). Проте, V k ⩾ V s (\displaystyle V_(k)\geqslant ~V_(s))може виконуватися і в інших випадках, що дає можливість досягти необхідних характеристик каналу зміною інших параметрів. Наприклад, зі зменшенням діапазону частот можна збільшити смугу пропускання.

Класифікація

Існує безліч видів каналів зв'язку, серед яких найчастіше виділяють канали провідного зв'язку (повітряні, кабельні, світловодні та ін.) та канали радіозв'язку (тропосферні, супутникові та ін.). Такі канали у свою чергу прийнято кваліфікувати на основі характеристик вхідного та вихідного сигналів, а також зміни характеристик сигналів залежно від таких явищ, що відбуваються в каналі, як завмирання і згасання сигналів.

За типом середовища поширення канали зв'язку діляться на провідні, акустичні, оптичні, інфрачервоні та радіоканали.

Канали зв'язку також класифікують на

• безперервні (на вході та виході каналу - безперервні сигнали),
• дискретні або цифрові (на вході та виході каналу - дискретні сигнали),
• безперервно-дискретні (на вході каналу - безперервні сигнали, а на виході - дискретні сигнали),
• дискретно-безперервні (на вході каналу - дискретні сигнали, але в виході - безперервні сигнали).

Канали можуть бути лінійними та нелінійними, тимчасовими та просторово-часовими. Можлива класифікація каналів зв'язку діапазону частот.

Моделі каналу зв'язку

Канал зв'язку описується математичною моделлю, завдання якої зводиться до визначення математичних моделей вихідного та вхідного та S 1 (\displaystyle S_(1)), а також встановлення зв'язку між ними, що характеризується оператором L (\displaystyle L), тобто

Моделі безперервних каналів

Моделі безперервних каналів можна класифікувати на модель каналу з адитивним шумом Гауса, модель каналу з невизначеною фазою сигналу і адитивним шумом і модель каналу з міжсимвольною інтерференцією і адитивним шумом.

Модель ідеального каналу

Модель ідеального каналу використовується тоді, коли можна знехтувати наявністю перешкод. При використанні цієї моделі вихідний сигнал S 2 (\displaystyle S_(2))є детермінованим, тобто

де - константа, що визначає коефіцієнт передачі, - постійна затримка.

Модель каналу з невизначеною фазою сигналу та адитивним шумом

Модель каналу з невизначеною фазою сигналу та адитивним шумом відрізняється від моделі ідеального каналу тим, що τ (\displaystyle \tau )є випадковою величиною. Наприклад, якщо вхідний сигналє вузькосмуговим , то сигнал S 2 (t) (\displaystyle S_(2)(t))на виході каналу з невизначеною фазою сигналу та адитивним шумом визначається наступним чином:

де враховано, що вхідний сигнал S 1 (t) (\displaystyle S_(1)(t))може бути представлений у вигляді:

де H () (\displaystyle H())- перетворення Гільберта, θ (\displaystyle \theta)- випадкова фаза, розподіл якої вважається зазвичай рівномірним на інтервалі

Модель каналу з міжсимвольною інтерференцією та адитивним шумом

Модель каналу з міжсимвольною інтерференцією та адитивним шумом враховує появу розсіювання сигналу в часі через нелінійність фазо-частотної характеристики каналу та обмеженість його смуги пропускання, тобто наприклад, при передачі дискретних повідомлень через канал на значення вихідного сигналу впливатимуть відгуки каналу не тільки на переданий символ, але й більш ранні чи пізніші символи. У радіоканалах виникнення міжсимвольної інтерференціївпливає багатопроменеве поширення радіохвиль.

Для оцінки якості каналів передачі даних можна використовувати такі характеристики:

швидкість передачі даних каналом зв'язку;

пропускну спроможність каналу зв'язку;

достовірність передачі;

надійність каналу зв'язку.

Швидкість передачі даних. Розрізняють бодову (модуляційну) та інформаційну швидкості (bit rate). Інформаційна швидкість - визначається кількістю бітів, що передаються каналом зв'язку за одну секунду біт/с, що в англомовному варіанті позначається як bps.

Бодова швидкість вимірюється у бодах (baud). Ця одиниця швидкості одержала свою назву на прізвище французького винахідника телеграфного апарату Emilie Baudot – Е. Бодо. Бод – це кількість змін стану середовища передачі за секунду (або числом змін сигналу за одиницю часу). Саме бодова швидкість визначається смугою пропускання лінії. Швидкість передачі інформації 2400 бод означає, що стан сигналу, що передається, змінювалося 2400 разів на секунду, що еквівалентно частоті 2400 Гц.

Для ілюстрації цих понять звернемося до передачі цифрових даних звичайними телефонними каналами зв'язку. У ранніх моделях модемів, ці дві швидкості збігалися. Сучасні модеми кодують кілька бітів даних в одній зміні стану аналогового сигналуі очевидно, що швидкість передачі і швидкість роботи каналу у разі не збігаються. Якщо на бодовому інтервалі (між сусідніми змінами сигналу) передається N біт, то число значень параметра, що модулюється несучої (переносника) дорівнює 2 N . Наприклад, за числі градацій 16 і швидкості 1200 бод одному боду відповідає 4 біт/сек інформаційна швидкість становитиме 4800 біт/сек, тобто. швидкість у бітах за секунду перевищує швидкість у бодах. Зокрема, модеми на 2400 і 1200 біт/с передають 600 бод, а модеми на 9600 і 14400 біт/с-2400 бод.

В аналогових телефонних мережах швидкість передачі визначається типом протоколу який підтримують обидва модеми, що у з'єднанні. Так, сучасні модеми працюють за протоколами V.34+ зі швидкістю до 33600 біт/с або протоколу асиметричного обміну даними V.90 зі швидкістю передачі до 56 Kbps.

Стандарт V.34+ дозволяє працювати за телефонними лініями практично будь-якої якості. Початкове з'єднання модемів відбувається за асинхронним інтерфейсом на мінімальній швидкості 300 біт/с, що дозволяє працювати на найгірших лініях. Після тестування лінії вибираються основні параметри передачі (частота несучої 1,6-2,0 КГц, спосіб модуляції, перехід у синхронний режим) які можуть динамічно змінюватися без розриву зв'язку, адаптуючись до зміни якості лінії.

Протокол V.90 був прийнятий Міжнародним Союзом електрозв'язку (МСЕ) у лютому 1998 р. Відповідно до цього стандарту модеми, встановлені у користувача, можуть приймати дані від провайдера мережі (вхідний потік – Downstream) на швидкості 56 Kbps, а посилати (вихідний потік) – Upstream) – на швидкості до 33,6 Kbps. Досягається це завдяки тому, що дані на вузлі мережі, підключеному до цифрового каналу, піддаються лише цифровому кодуванню, а чи не аналого-цифровому перетворенню, яке завжди вносить шум дискретизації і квантування. На стороні користувача через "останню аналогову милю" відбувається і цифро-аналогове (в модемі) і аналого-цифрове перетворення (на АТС), тому збільшення швидкості неможливе. Очевидно, що застосувати таку схему вдається тільки там, де один із модемів має доступ до цифрового каналу. Практично лише провайдер мережі Інтернет може бути пов'язаний із АТС користувача цифровим каналом.

Для з'єднань типу абонент-абонент за телефонною мережею загального користування, що комутирується. нова технологіянепридатна і робота можлива лише на швидкості не вище 33,6 Kbps.

Швидкості передачі цифрової інформації для ЛОМ різних типів наведено у таблиці 2.1, а глобальних мереж у таблиці 2.2.

Таблиця 2.1

Таблиця 2.2

Ієрархія швидкостей цифрових каналівглобальних мереж

На ВОЛЗ досягнуто рекордних швидкостей передачі інформації. В експериментальній апаратурі з використанням методу мультиплексування з поділом каналів по довжинах хвиль (WDM - Wavelengths Division Multiplexing) досягнуто швидкості 1100 Гбіт/с на відстані 150 км. В одній із діючих систем на основі WDM передача йде зі швидкістю 40 Гбіт/с на відстані до 320 км. У методі WDM виділяється кілька несучих частот (каналів). Так, в останній згаданій системі є 16 таких каналів поблизу частоти 4 * 105 ГГц, що віддаляються один від одного на 103 ГГц, в кожному каналі досягається швидкість 2,5 Гбіт/с.

Максимально можлива інформаційна швидкість, пропускна здатністьC (bandwidth) пов'язана зі смугою пропускання F (точніше з верхньою частотою смуги пропускання) каналу зв'язку формулою Хартлі-Шеннона. Нехай N – число можливих дискретних значень сигналу, наприклад число різних значень параметра, що модульується. Тоді одну зміну величини сигналу, відповідно до формулою Хартлі, доводиться трохи більше I=log 2 N біт інформації.

Максимальну інформаційну швидкість передачі можна визначити як

З = log 2 N / t,

де t - тривалість перехідних процесів, приблизно рівна (3-4) ТВ, а ТВ = 1/(2πF). Тоді

біт/с,(2.1)

У разі каналу з перешкодами кількість значень значень модульованого сигналу N повинна бути ≤ 1+A, де A - відношення потужностей сигналу і перешкоди.

Для користувачів обчислювальних мереж значення мають не абстрактні біти в секунду, а інформація, одиницею вимірювання якої є байти або знаки. Тому зручнішою характеристикою каналу є його реальна чи ефективна швидкість, яка оцінюється кількістю знаків (символів), що передаються каналом за секунду (cps, character per second), не включаючи службову (наприклад, біти початку і кінця блоку, заголовки блоків та контрольні суми).

Ефективна швидкість залежить від низки чинників, серед яких як швидкість передачі, а й спосіб передачі, і якість каналу зв'язку, і його експлуатації, і структура повідомлень. Наприклад, оскільки в середньому, при асинхронному методі передачі даних через модем кожним 10 переданим біт відповідає 1 байт або 1 символ повідомлення, то 1 cps=10 bps. Для підвищення ефективної швидкості передачі використовуються різні методи стиснення інформації, що реалізуються як самими модемами, і комунікаційним ПО.

Істотною характеристикою будь-якої комунікаційної системи є достовірність інформації, що передається. Достовірність передачі інформаціїабо рівень помилок(error ratio) оцінюють або як можливість безпомилкової передачі блоку даних, або як відношення кількості помилково переданих бітів до загальному числупереданих бітів (одиниця виміру: кількість помилок на знак – помилок/знак) Наприклад, ймовірність 0,999 відповідає 1 помилці на 1000 біт (дуже поганий канал). Необхідний рівень достовірності мають забезпечувати як апаратура каналу, і стан лінії зв'язку. Недоцільно використовувати дорогу апаратуру, якщо лінія зв'язку не забезпечує необхідних вимог щодо стійкості до перешкод.

При передачі даних у обчислювальних мережах цей показник має лежати не більше 10 -8 -10 -12 помилок/знак, тобто. допускається трохи більше однієї помилка на 100 мільйонів переданих бітів. Для порівняння, припустима кількість помилок при телеграфному зв'язку становить приблизно 3 10 -5 на знак.

Нарешті, надійність комунікаційної системи визначається або часткою часу справного стану загалом часу роботи, або середнім часом безвідмовної роботи у годинах. Друга характеристика дозволяє ефективніше оцінити надійність системи.

Для обчислювальних мереж середній час безвідмовної роботи має бути досить великим і складати щонайменше кілька тисяч годин