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

Попередній перегляд:

Щоб користуватися попереднім переглядом презентацій, створіть собі акаунт ( обліковий запис) Google і увійдіть до нього: https://accounts.google.com

Підписи до слайдів:

Засоби та технології обміну інформацією за допомогою комп'ютерних мереж(Мережні технології)

Канали зв'язку. Передача інформації.

Каналами зв'язку називають технічні засоби, що дозволяють здійснювати передачу даних на відстані. Каналами зв'язку називатимемо засоби встановлення зв'язку для передачі інформації між віддаленими комп'ютерами.

Характеристики каналів зв'язку: Пропускна здатність - максимальна швидкість передачі інформації по каналу зв'язку (Кбіт/с) Перешкодостійкість - задає параметр рівня спотворення переданої інформації

Канали зв'язку: за способом кодування: цифрові та аналогові; за способом комунікації: виділені (постійне з'єднання) та комутовані (тимчасове з'єднання); за способом передачі сигналу: кабельні, телефонні, радіо

Канали зв'язку: Симплексні (інформація передається лише в одному напрямку) Дуплексні (інформація передається у двох напрямках)

Перешкоди: - власні перешкоди; - взаємні перешкоди; - Зовнішні перешкоди (поділяються на промислові, радіоперешкоди, атмосферні та космічні).

Функція захисту при передачі по каналах зв'язку включає три компоненти: Підтвердження; виявлення помилок та повідомлення про них; повернення у вихідний стан.

Проксі-сервер - проміжний, транзитний веб-сервер, який використовується як посередник між браузером та кінцевим веб-сервером. Протокол (protocol) - повний набіроперацій, що один об'єкт може здійснювати над іншим об'єктом разом із правильним порядком, у якому ці операції викликаються; сукупність правил, що регламентують формат та процедури обміну інформацією між двома незалежними процесами чи пристроями.

Протокол міжмережевого обміну пакетами (IPX - Internet Work Packet Exchange) Протокол передачі гіпертекстової інформації (Hyper Text Transfer Protocol, HTTP) Протокол мережевий (network protocol) Розрізняють три основні типи протоколів, що працюють у різних мережах і з різними операційними системами: Novell IPX (Inter Packet Exchange), TCP / IP, NetBEUI (Network BIOS User Interface). Протокол управління передачею/міжмережевий протокол (Transmission Control Protocol / Internet Protocol, TCPMP). У сімейство TCP/IP входять: протокол Telnet,; система доменної адресації DNS; протокол передачі файлів FTP; протокол передачі гіпертексту HTTP.

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 проблемапід час передачі сигналу через будь-який канал – адитивний шум. Взагалі кажучи, адитивний шум створюється часто всередині різних електронних компонентів, таких як резистори та тверді 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 зумовлене 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 провідні лінії для передачі звукового сигналу, а також даних та відеосигналів. Виті провідні пари та коаксіальний кабель в основному дають електромагнітний канал, який забезпечує проходження щодо помірної ширини смуги частот. Телефонний провід, зазвичай використовується, щоб з'єднати клієнта з центральної станціїмає ширину смуги кілька сотень кілогерц. З іншого боку, коаксіальний кабель має зазвичай використовувану ширину смуги частот кілька мегагерц. Рисунок 1.2.1 пояснює частотний діапазон використовуваних електромагнітних каналів, які включають хвилеводи та оптичний кабель.

Рис. 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 крученої пари також схильна до інтерференції перехідних перешкод від поруч розташованих пар. Оскільки провідні канали становлять великий відсоток каналів зв'язку по всій країні та світі, 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 були розроблені 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 передачідетектується і відновлюється ретрансляторами) уздовж 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 мережіна рубежі сторіччя.

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 насамперед від робочої частоти. Щоб отримати ефективне випромінювання електромагнітної енергії, розміри антени повинні бути більшими за 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.

Рисунок 1.2.2 пояснює різні діапазони частот для радіозв'язку. Способи поширення електромагнітних хвиль в атмосфері та вільному просторіможна розділити втричі категорії, саме: поширення поверхневої 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. Тому ці діапазони частот перш за все використовується в усьому 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, що передається через ці канали, має відносно низьку швидкістьпередачі 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.

Поширення 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 земної хвилею дальність зв'язку, навіть за використання потужних радіостанцій, обмежена 150 км. Атмосферні шуми, промислові шуми та теплові шуми від електронних компонентів приймача є основними причинами спотворень сигналів, що передаються в діапазоні середніх частот.

Рис. 1.2.2. Частотні діапазони для бездротових каналів зв'язку

Приватним випадком поширення просторової хвилі є іоносферне поширення, що ілюструється на 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 розігрів нижніх шарів атмосфери сонцем обумовлює 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 хвилі радіопередач AM радіомовлення. Однак протягом нічних годин електронна концентрація частинок у нижніх шарах іоносфери різко падає, і приватне поглинання, що зустрічається у денний час, значно скорочується. Як наслідок, потужні радіомовні сигнали з AM можуть поширюватися великі відстані за допомогою відбиття від іоносферних шарів (які розташовуються на висоті від 140 до 400 км над поверхнею землі), і земної поверхні.

Рис. 1.2.3. Ілюстрація розповсюдження поверхневою хвилею

Часто виникає проблема при іоносферному поширенні електромагнітної хвилі в частотному діапазоні ВЧ - це багатоколійність. Багатоколійність утворюється тому, що переданий сигнал 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 межі 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 частинкам атмосфері на висотах близько 10 км. Зазвичай іоносферне та тропосферне розсіювання викликає великі сигнальні втрати та вимагає великої потужностіпередавача та щодо великих розмірів антен.

Рис. 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 передає та приймальна антениповинні бути у прямій видимості із 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 передавальна антена встановлена ​​на висоті м над поверхнею землі, відстань до радіогоризонту, не зважаючи на 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 та відеосигналів на частотах вище ніж 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 у діапазоні НВЧ вище 10 ГГц при поширення сигналу головну роль грають атмосферні умови. Наприклад, на частоті 10 ГГц загасання змінюється приблизно від 0,003 дБ/км за легкого дощу до 0,3 дБ/км за важкого дощу. На частоті 100 ГГц загасання змінюється приблизно від 0,1 дБ/км за легкого дощу до 6 дБ/км за важкого дощу. Отже, у цьому частотному діапазоні важкий дощ спричиняє надзвичайно високі втрати при поширенні, які можуть призводити до відмови 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 використовуватись для застосування ППВ оптичного зв'язкуу 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 до центру збирання 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 шару, Що є відстанню, на якій сигнал послаблюється в раз. Для морської води глибина поверхневого шару, де виражена в герцах, 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 й у результаті до завмирань 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 за номінальне значення залежно від глибини, на якій сигнал поширюється.

Навколишній океанський акустичний шум викликаний креветкою, рибою та різними ссавцями. Ближні гавані додають до навколишнього шуму промисловий шум. Незважаючи на це перешкодове довкілля, можливо проектувати та виконувати ефективні та безпечні підводні акустичні системизв'язку передачі цифрових сигналів великі 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 розглядати як канали зв'язку. Процес запам'ятовування даних на магнітній стрічці або магнітному або оптичному диску еквівалентний передачі сигналу телефоном або радіоканалом. 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 дротовий 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.

Основною функцією інформаційної системи є зберігання інформації та її перенесення у просторі. Сукупність технічних засобів передачі 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 створювати безперервне або дискретне повідомлення. Джерелом повідомлень та одержувачем в одних системах зв'язку може бути людина, в інших - різноманітних пристроїв (автомат, обчислювальна машина тощо). 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, 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 - ое 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 літера, тобто таке повідомлення є елементарне повідомлення . У загальному випадку при m > 1 та сама 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 апарату 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. В цьому випадку по вихідному сигналу можна, в принципі, відновити первинний вхідний сигнал, тобто отримати всю інформацію, що міститься в переданому повідомленні. В інакшечастина 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. Інакше кажучи, сигнал – це переносник інформації, один 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 , яке 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 Вможуть бути обрані довільно, аби між ними проходив сигнал. Частина системи зв'язку, розташована до точки А, є джерелом сигналу цього каналу.

Рис. 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 і приймаються з його виходу, є дискретними за 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, або 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 вибрані точки Аі Ввходу та виходу каналу.

У даному посібнику будемо розглядати дискретний канал зв'язку .

Якщо шкідливим дією перешкод у каналі можна знехтувати, то аналізу використовується модель як ідеалізованого каналу, званого каналом без перешкод. В ідеальному каналі кожному повідомленню на вході однозначно відповідає певне співвідношення на виході та навпаки. Коли вимоги до достовірності великі і 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, і визначається заданою умовною ймовірністю
, визначеною для всіх букв алфавіту на вході та всіх літер на виході. Прикладом може служити двійковий симетричний канал (рис.4), який є дискретним каналом 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 шумом 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.

Рис. 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 як від відповідної літери вхідний послідовності.

Канал зв'язку - це сукупність засобів, призначених передачі сигналів (повідомлень).

Існують різні типиканалів, які можна класифікувати за різними ознаками:

1. За типом ліній зв'язку: провідні; кабельні; оптико-волоконні; лінії електропередач; радіоканали тощо.

2. За характером сигналів: безперервні; дискретні; дискретно-безперервні (сигнали на вході системи дискретні, а на виході безперервні, і навпаки).

3. За перешкодами: канали без перешкод; з перешкодами.

Канали зв'язку характеризуються:

1. Ємність каналувизначається як добуток часу використання каналу Tк, ширини спектра частот, що пропускаються каналом Fк та динамічного діапазону Dк., який характеризує здатність каналу передавати різні рівні сигналів Vк = Tк Fк Dк. (1) Умова узгодження сигналу з каналом: Vc Vk; Tc Tk; Fc Fk; Vc Vk; Dc Dk.

2. Швидкість передачі- Середня кількість інформації, що передається в одиницю часу.

3.Пропускна здатність каналу зв'язку- максимальна теоретично досяжна швидкість передачі за умови, що похибка вбирається у заданої величини.

4. Надмірність- забезпечує достовірність інформації, що передається (R = 01).

Одним із завдань теорії інформації є визначення залежності швидкості передачі інформації та пропускної спроможностіканалу зв'язку від параметрів каналу та характеристик сигналів та перешкод. Канал зв'язку образно порівнювати з дорогами. Вузькі дороги – мала пропускна спроможність, але дешево. Широкі дороги – хороша пропускна спроможність, але дорого. Пропускна здатність визначається найвужчим місцем. Швидкість передачі даних значною мірою залежить від передавального середовища в каналах зв'язку, як використовуються різні типи ліній зв'язку.

Провідні:

1. Провідні - кручена пара. Швидкість передачі до 1 Мбіт/с.

2. Коаксіальний кабель . Швидкість передачі 10-100 Мбіт/с

3. Оптико-волоконна. Швидкість передачі 1 Гбіт/с.

Радіолінії:

Радіоканал. Швидкість передачі 100-400 Кбіт/с. Використовує радіочастоти до 1000 МГц. До 30 МГц з допомогою відбиття від іоносфери можливе поширення електромагнітних хвиль межі прямої видимості.

Мікрохвильові лінії. Швидкість передачі до 1 Гбіт/с. Використовують радіочастоти понад 1000 МГц. При цьому необхідна пряма видимість та гостронаправлені параболічні антени. Відстань між регенераторами 10-200 км. Використовуються для телефонного зв'язку, телебачення та передачі даних.

Супутниковий зв'язок.Використовуються мікрохвильові частоти, а супутник є регенератором.

Теорема Шеннона для каналів без перешкодзавжди можна створити систему ефективного кодування дискретних повідомлень, у якій середня кількість двійкових кодових сигналів на один символ повідомлення наближається як завгодно близько до ентропії джерела повідомлень.

Нехай джерело повідомлень має продуктивність H ¢(U) = u C ×H(U), а канал має пропускну здатність C = u K ×log M. Тоді можна закодувати повідомлення на виході джерела таким чином, щоб отримати середнє число кодових символів елемент повідомлення h = u K /u C = (H (U) / log M) + e (2.2), де e - скільки завгодно мало (пряма теорема). Отримати менше значення h неможливо (зворотна теорема). Зворотна частина теореми стверджує, що неможливо набути значення h = u K / u C< H(U)/ log M (2.3), может быть доказана если учесть, что неравенство (2.3) эквивалентно неравенству u C × H(U) >u K × log M, H¢ (U) > C. Остання нерівність може бути виконано т.к. розглянуте кодування має бути оборотним перетворенням (тобто без втрат інформації). Ентропія в секунду на вході каналу або продуктивність кодера не може перевищувати пропускну здатність каналу. А ентропія сигналів визначається з умови максимального значення H'(y)= log m.

Теорема Шеннона для дискретного каналуз шумом називається так само основною теоремою кодування Шеннона. Якщо продуктивність джерела повідомлень H¢ (U) менша за пропускну здатність каналу, тобто. H¢(U)< C, то существует такая система кодирования которая обеспечивает возможность передачи сообщений источника со сколь угодно малой вероятностью ошибки (или со сколь угодно малой ненадежностью).

Якщо H¢(U) > C, то можна закодувати повідомлення таким чином, що ненадійність в одиницю часу буде меншою ніж H¢(U)-C+ e, де e ®0(Пряма теорема).

Не існує способу кодування, що забезпечує ненадійність в одиницю часу меншу, ніж H¢(U)-C(Зворотна теорема).

У такому формулюванні ця теорема була дана самим Шенноном. У літературі часто друга частина прямої теореми та зворотна теорема об'єднуються у вигляді зворотної теореми, сформульованої так: якщо H¢(U) > C, то такого способу кодування не існує.

2. Типи сигналів, їх дискретизація та відновлення. Спектральна густина сигналів. Частота Найквіста, теорема Котельникова. Частотне представлення дискретних сигналів. Ортогональні перетворення дискретних сигналів. Завдання інтерполяції та проріджування сигналів.

Типи сигналів, їх дискретизація та відновлення

за видам (типам) сигналіввиділяються такі:

1. аналоговий

2. дискретний

3. цифровий

Аналоговий сигнал (Analog signal) є безперервною функцією безперервного аргументу, тобто. визначено для будь-якого значення аргументів. Джерелами аналогових сигналів, як правило, є фізичні процеси і явища, безперервні в динаміці свого розвитку в часі, в просторі або за будь-якою іншою незалежною змінною, при цьому реєстрований сигнал подібний (аналогічний) породжує його процесу. Приклад математичного запису сигналу: y(t) = 4.8 exp/2.8]. При цьому як сама функція, так і її аргументи можуть приймати будь-які значення в межах деяких інтервалів y J , t J . Якщо інтервали значень сигналу або його незалежних змінних не обмежуються, за замовчуванням вони приймаються рівними від -Ґ до +Ґ . Багато можливих значень сигналу утворює континуум - безперервний простір, в якому будь-яка сигнальна точка може бути визначена з точністю до нескінченності. Приклади сигналів, аналогових за своєю природою - зміна напруженості електричного, магнітного, електромагнітного поля у часі та просторі.

Дискретний сигнал (discrete signal) за своїми значеннями також є безперервною функцією, але визначеною лише дискретними значеннями аргументу. За множиною своїх значень він є кінцевим (рахунковим) і описується дискретною послідовністю відліків (samples) y(nDt), де y , Dt - інтервал між відліками (інтервал або крок дискретизації, sample time), n = 0, 1, 2, ...,N. Величина, обернена до кроку дискретизації: f = 1/Dt, називається частотою дискретизації (sampling frequency). Якщо дискретний сигнал отриманий дискретизацією (sampling) аналогового сигналу, він є послідовність відліків, значення яких у точності рівні значенням вихідного сигналу по координатам nDt.

Цифровий сигнал (digital signal) квантований за своїми значеннями та дискретний за аргументом. Він описується квантованою решітчастою функцією yn = Qk, де Qk - функція квантування з числом рівнів квантування k, при цьому інтервали квантування можуть бути як з рівномірним розподілом, так і з нерівномірним, наприклад, логарифмічним. Задається цифровий сигнал, зазвичай, як дискретного ряду (discrete series) числових даних - числового масивупо послідовним значенням аргументу при Dt = const, але у випадку сигнал може задаватися і як таблиці для довільних значень аргументу.

Дискретизація, відновлення (інтерполяція) сигналів.

Процес дискретизації - це процес отримання значень величин сигналу, що перетворюється, в певні проміжки часу ( відліки).

Під дискретизацією сигналів розуміють перетворення функцій безперервних змінних у функції дискретних змінних, якими вихідні безперервні функції можуть бути відновлені з заданою точністю. Роль дискретних відліків виконують, як правило, квантовані значення функцій дискретної шкалою координат. Під квантуванням розуміють перетворення безперервної за значеннями величини у величину з дискретною шкалою значень із кінцевої множини дозволених, які називають рівнями квантування. Якщо рівні квантування нумеровані, результатом перетворення є число, яке може бути виражено в будь-якій числовій системі. Округлення з певною розрядністю миттєвих значень безперервної аналогової величини з рівномірним кроком за аргументом є найпростішим випадком дискретизації та квантування сигналів при їх перетворенні на цифрові сигнали.

Принципи дискретизації. Сутність дискретизації аналогових сигналів полягає в тому, що безперервність у часі аналогової функції s(t) замінюється послідовністю коротких імпульсів, амплітудні значення яких визначаються за допомогою вагових функцій або безпосередньо вибірками (відліками) миттєвих значень сигналу s(t) в моменти часу. сигналу s(t) на інтервалі Т сукупністю дискретних значень записується у вигляді:

(С1, с2, ..., cN) = А,

де А – оператор дискретизації. Запис операції відновлення сигналу s(t):

s"(t) = В [(с1, с2, ..., cN)].

Вибір операторів А та В визначається необхідною точністю відновлення сигналу. Найбільш простими є лінійні оператори. У загальному випадку:

(5.1.1)

Де – система вагових функцій.

Відліки у виразі (5.1.1) пов'язані з операцією інтегрування, що забезпечує високу стійкість до перешкод дискретизації. Однак через складність технічної реалізації "зваженого" інтегрування, останнє використовується досить рідко, при високих рівняхперешкод. Більше поширення отримали методи, у яких сигнал s(t) замінюється сукупністю його миттєвих значень s() у часи . Роль вагових функцій у разі виконують гребневі (решітчасті) функції. Відрізок часу Dt між сусідніми відліками називають кроком дискретизації.Дискретизація називається рівномірною з частотою F=1/Dt, якщо значення Dt постійно у всьому діапазоні перетворення сигналу. У разі нерівномірної дискретизації значення Dt між вибірками може змінюватись за певною програмою або залежно від зміни будь-яких параметрів сигналу.

Відновлення сигналів

Відновлення безперервногосигналуза вибірками може проводитись як на основі ортогональних, так і неортогональних базисних функцій. Відтворювальна функція s"(t) відповідно є апроксимуючим поліномом:

Де система базових функцій. Ортогональні базисні функції забезпечують збіжність ряду s(t) при n Ю Ґ . Оптимальними є методи дискретизації, що забезпечують мінімальний числовий ряд за заданої похибки відтворення сигналу. При неортогональних базисних функціях використовуються в основному статечні алгебраїчні поліноми виду:

Якщо значення апроксимуючого полінома збігаються зі значеннями вибірок у моменти їхнього відліку, то такий поліном називають інтерполюючим. Як інтерполіруючі поліноми зазвичай використовуються багаточлени Лагранжа. Для реалізації поліполімів, що інтерполюють, необхідна затримка сигналу на інтервал дискретизації, що в системах реального часу вимагає певних технічних рішень. Як екстраполюючих поліномів використовують, як правило, багаточлени Тейлора.

Природною вимогою вибору частоти дискретизації є внесення мінімальних спотворень в динаміку зміни сигнальних функцій. Логічно вважати, що спотворення інформації будуть тим меншими, чим вища частота дискретизації F. З іншого боку також очевидно, що чим більше значення F, тим більше великою кількістюцифрових даних будуть відображатися сигнали, і тим більше часу буде витрачатися на їх обробку. В оптимальному варіанті значення частоти дискретизації сигналу F має бути необхідним та достатнім для обробки інформаційного сигналу із заданою точністю, тобто. що забезпечує допустиму похибку відновлення аналогової форми сигналу (середньоквадратичну загалом за інтервалом сигналу, або з максимальним відхиленням від істинної форми у характерних інформаційних точках сигналів).

Квантування сигналу.

Дискретизація аналогових сигналів із перетворенням на цифрову форму пов'язана з квантуванням сигналів. Сутність квантування полягає у заміні незліченної множини можливих значень функції, у випадку випадкових, кінцевим безліччю цифрових відліків, і виконується округленням миттєвих значень вхідний функції s(ti) у моменти часу ti до найближчих значень si(ti) = niDs, де Ds- крок квантування шкали цифрових відліків. Квантування із постійним кроком Ds називається рівномірним. Математично операція квантування може бути виражена формулою:

де дужки [..] означають цілу частину значення дужках.

При квантуванні сигналів у великому динамічному діапазонізначень крок квантування то, можливо і нерівномірним, наприклад, логарифмическим, тобто. пропорційним логарифму значень вхідного сигналу. Встановлений діапазон шкали квантування від smin до smax і крок квантування Ds визначають число поділів шкали Ns = (smax-smin)/Ds відповідно цифрову розрядність квантування. В результаті дискретизації та квантування безперервна функція s(t) замінюється числовою послідовністю (s(kDt)). Похибка округлення ei = s(kDt)-si(kDt) укладена в межах -Ds/2

При досить малому етапі квантування будь-яке значення в його межах можна вважати рівноймовірним, при цьому значення e розподілені за рівномірним законом:

p(e) = 1/Ds, -Ds/2 e e Ds/2.

Відповідно, дисперсія та середнє квадратичне значення шуму квантування:

e2 = Ds2/12, 0.3 Ds. .1)

При заданні рівня шуму квантування з використанням виразу (5.5.1) легко визначити допустиме значення кроку квантування.

Вхідний сигнал містить, як правило, адитивну суміш власне сигналу s(t) та перешкоди q(t) з дисперсією відповідно sq2. Якщо перешкоди не кореловані із сигналом, то після квантування сумарна дисперсія шумів:

Насправді крок квантування вибирають зазвичай таким, ніж відбувалося помітного зміни відносини сигнал/шум, тобто. e2<

Тема 1.4: Основи локальних мереж

Тема 1.5: Базові технології локальних мереж

Тема 1.6: Основні програмні та апаратні компоненти ЛОМ

Локальні мережі

1.2. Середовище та методи передачі даних у обчислювальних мережах

1.2.2. Лінії зв'язку та канали передачі даних

Для побудови комп'ютерних мереж застосовуються лінії зв'язку, що використовують різне фізичне середовище. Як фізичне середовище в комунікаціях використовуються: метали (в основному мідь), надпрозоре скло (кварц) або пластик та ефір. Фізичне середовище передачі даних може являти собою кабель "кручена пара", коаксіальний кабель, волоконно-оптичний кабель і навколишній простір.

Лінії зв'язку або лінії передачі даних - це проміжна апаратура та фізичне середовище, яким передаються інформаційні сигнали (дані).

В одній лінії зв'язку можна утворити кілька каналів зв'язку (віртуальних чи логічних каналів), наприклад, шляхом частотного або тимчасового поділу каналів. Канал зв'язку – це засіб односторонньої передачі даних. Якщо лінія зв'язку монопольно використовується каналом зв'язку, то цьому випадку лінію зв'язку називають каналом зв'язку.

Канал передачі даних - це засоби двостороннього обміну даними, які включають лінії зв'язку та апаратуру передачі (прийому) даних. Канали передачі даних пов'язують між собою джерела інформації та приймачі інформації.

Залежно від фізичного середовища передачі даних лінії зв'язку можна поділити на:

• провідні лінії зв'язку без ізолюючих та екрануючих обплетень;
• кабельні, де передачі сигналів використовуються такі лінії зв'язку як кабелі "вита пара", коаксіальні кабелі або оптоволоконні кабелі;
• бездротові (радіоканали наземного та супутникового зв'язку), що використовують для передачі сигналів електромагнітні хвилі, які поширюються по ефіру.

Провідні лінії зв'язку

Провідні (повітряні) лінії зв'язку використовуються передачі телефонних і телеграфним сигналом, і навіть передачі комп'ютерних даних. Ці лінії зв'язку застосовуються як магістральні лінії зв'язку.

По провідних лініях зв'язку можуть бути організовані аналогові та цифрові канали передачі даних. Швидкість передачі по дротових лініях "простий старої телефонної лінії" (POST - Primitive Old Telephone System) є дуже низькою. Крім того, до недоліків цих ліній відносяться перешкодозахисність та можливість простого несанкціонованого підключення до мережі.

Кабельні лінії зв'язку

Кабельні лінії мають досить складну структуру. Кабель складається з провідників, ув'язнених у кілька шарів ізоляції. У комп'ютерних мережах використовуються три типи кабелів.

Кручена пара(twisted pair) - кабель зв'язку, який є кручена пара мідних проводів (або кілька пар проводів), укладених в екрановану оболонку. Пари дротів скручуються між собою з метою зменшення наведень. Віта пара є досить стійкою до перешкод. Існує два типи цього кабелю: неекранована кручена пара UTP і екранована кручена пара STP.

Характерним для цього кабелю є простота монтажу. Даний кабель є найдешевшим і найпоширенішим видом зв'язку, який знайшов широке застосування у найпоширеніших локальних мережах з архітектурою Ethernet, побудованих за топологією типу "зірка". Кабель підключається до мережевих пристроїв за допомогою з'єднувача RJ45.

Кабель використовується для передачі даних на швидкості 10 Мбіт/с та 100 Мбіт/с. Віта пара зазвичай використовується для зв'язку на відстань не більше кількох сотень метрів. До недоліків кабелю "кручена пара" можна віднести можливість простого несанкціонованого підключення до мережі.

Коаксіальний кабель(coaxial cable) - це кабель з центральним мідним дротом, який оточений шаром ізолюючого матеріалу для того, щоб відокремити центральний провідник від зовнішнього провідного екрана (мідної оплетки або шар алюмінієвої фольги). Зовнішній провідний екран кабелю покривається ізоляцією.

Існує два типи коаксіального кабелю: тонкий коаксіальний кабель діаметром 5 мм та товстий коаксіальний кабель діаметром 10 мм. У товстого коаксіального кабелю згасання менше, ніж у тонкого. Вартість коаксіального кабелю вище вартості крученої пари та виконання монтажу мережі складніше, ніж крученої парою.

Коаксіальний кабель застосовується, наприклад, у локальних мережах з архітектурою Ethernet, побудованих за топологією типу "загальна шина".

Коаксіальний кабель більш схиблений, ніж кручена пара і знижує власне випромінювання. Пропускна спроможність – 50-100 Мбіт/с. Допустима довжина лінії зв'язку – кілька кілометрів. Несанкціоноване підключення до коаксіального кабелю складніше, ніж крученої пари.

Кабельні оптоволоконні канали зв'язку. Оптоволоконний кабель (fiber optic) – це оптичне волокно на кремнієвій або пластмасовій основі, укладене в матеріал із низьким коефіцієнтом заломлення світла, закритого зовнішньою оболонкою.

Оптичне волокно передає сигнали лише одному напрямку, тому кабель і двох волокон. На передавальному кінці оптоволоконного кабелю потрібно перетворення електричного сигналу у світловий, але в приймальному кінці зворотне перетворення.

Основна перевага цього типу кабелю – надзвичайно високий рівень перешкодозахищеності та відсутність випромінювання. Несанкціоноване підключення дуже складне. Швидкість передачі 3Гбіт/c. Основні недоліки оптоволоконного кабелю – це складність його монтажу, невелика механічна міцність та чутливість до іонізуючих випромінювань.

Бездротові (радіоканали наземного та супутникового зв'язку) канали передачі даних

Радіоканали наземного (радіорелейного та стільникового) та супутникового зв'язку утворюються за допомогою передавача та приймача радіохвиль і відносяться до технології бездротової передачі даних.

Радіорелейні канали передачі даних

Радіорелейні канали зв'язку складаються із послідовності станцій, що є ретрансляторами. Зв'язок здійснюється в межах прямої видимості, дальності між сусідніми станціями – до 50 км. Цифрові радіорелейні лінії зв'язку (ЦРРС) застосовуються як регіональні та місцеві системи зв'язку та передачі даних, а також для зв'язку між базовими станціями стільникового зв'язку.

Супутникові канали передачі даних

У супутникових системах використовуються антени НВЧ-діапазону частот для прийому радіосигналів від наземних станцій та ретрансляції цих сигналів назад на наземні станції. У супутникових мережах використовуються три основних типи супутників, що знаходяться на геостаціонарних орбітах, середніх або низьких орбітах. Супутники запускаються зазвичай групами. Рознесені один від одного можуть забезпечити охоплення майже всієї поверхні Землі. Робота супутникового каналу передачі даних представлена ​​малюнку

Рис. 1.

Доцільніше використовувати супутниковий зв'язок для організації каналу зв'язку між станціями, розташованими на дуже великих відстанях, та можливості обслуговування абонентів у важкодоступних точках. Пропускна здатність висока – кілька десятків Мбіт/с.

Стільникові канали передачі даних

Радіоканали стільникового зв'язку будуються за тими самими принципами, що й стільникові телефонні мережі. Стільниковий зв'язок - це бездротова телекомунікаційна система, що складається з мережі наземних базових приймально-передаючих станцій та стільникового комутатора (або центру комутації мобільного зв'язку).

Базові станції підключаються до центру комутації, який забезпечує зв'язок як між базовими станціями, так і з іншими телефонними мережами та з глобальною мережею Інтернет. За функціями, що виконуються, центр комутації аналогічний звичайної АТС провідного зв'язку.

LMDS (Local Multipoint Distribution System) – це стандарт стільникових мереж бездротової передачі інформації для фіксованих абонентів. Система будується за стільниковим принципом, одна базова станція дозволяє охопити район радіусом кілька кілометрів (до 10 км) та підключити кілька тисяч абонентів. Самі БС об'єднуються друг з одним високошвидкісними наземними каналами зв'язку чи радіоканалами. Швидкість передачі до 45 Мбіт/c.

Радіоканали передачі даних WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) аналогічні Wi-Fi. WiMAX, на відміну від традиційних технологій радіодоступу, працює і на відбитому сигналі, поза прямою видимістю базової станції. Експерти вважають, що мобільні мережі WiMAX відкривають набагато цікавіші перспективи для користувачів, ніж фіксований WiMAX, призначений для корпоративних замовників. Інформацію можна передавати на відстані до 50 км. зі швидкістю до 70 Мбіт/с.

Радіоканали передачі даних MMDS(Multichannel Multipoint Distribution System). Ці системи здатні обслуговувати територію в радіусі 50-60 км, у своїй пряма видимість передавача оператора не обов'язковою. Середня гарантована швидкість передачі становить 500 Кбіт/с - 1 Мбіт/с, але можна забезпечити до 56 Мбіт/с однією канал.

Радіоканали передачі даних для локальних мереж. Стандартом бездротового зв'язку для локальних мереж є технологія Wi-Fi. Wi-Fi забезпечує підключення у двох режимах: точка-точка (для підключення двох ПК) та інфраструктурне з'єднання (для підключення кілька ПК до однієї точки доступу). Швидкість обміну даними до 11 Мбіт/с при підключенні точка-точка та до 54 Мбіт/с при інфраструктурному з'єднанні.

Радіоканали передачі даних Bluetooht- це технологія передачі на короткі відстані (не більше 10 м) і може бути використана для створення домашніх мереж. Швидкість передачі не перевищує 1 Мбіт/с.