Чернега В., Платтнер Б. Компьютерные сети. Учебное пособие для вузов

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

вида активной среды различают газовые, твердотельные и жидкостные лазе-

ры.

В инфракрасных беспроводных сетях необходимо генерировать до-

вольно сильный сигнал, так как на него воздействуют помехи других источ-

ников тепла. Этот способ позволяет передавать сигналы с большой скоро-

стью, поскольку инфракрасные колебания имеет широкий диапазон частот.

Инфракрасные сети способны нормально функционировать на скорости око-

ло 10 Мбит/с. Существует четыре типа инфракрасных сетей.

Сети прямой видимости. Передача возможна лишь в случае прямой

видимости между передатчиком и приемником. Сети, использующие прямое

излучение, строятся по схеме "точка-точка". Организация сетей, применяю-

щих прямое излучение, требует очень точного наведения, особенно если в

качестве источников излучения применяются лазеры. В инфракрасных сетях

используются частоты излучения в диапазоне 100…1000 ГГц, достигаемая

пропускная способность колеблется от 0,1 до 16 Мбит/с.

Сети на рассеянном инфракрасном излучении. Связь между пользова-

телями обеспечивается за счет поступления на вход инфракрасного прием-

ника лучей, отраженных от различных поверхностей (стен, потолка и пр.).

Эффективная область распространения сигналов ограничивается расстоя-

ниями до 30 м. Сети, использующие рассеянное излучение, не предъявляют

требования к точной настройке излучателей и приемников, что позволяет

абоненту перемещаться в пространстве. Однако такие сети обладают мень-

шей пропускной способностью, которая обычно не превышает 1 Мбит/с.

Сети на отраженном инфракрасном излучении. В этих сетях инфра-

красные передатчики, расположенные рядом с компьютером, передают сиг-

налы на отражатель, устанавливаемый, как правило, на потолке. Отражен-

ный сигнал направляется на вход приемника соответствующего компьютера.

Широкополосные инфракрасные сети. Сети такого рода позволяют

вести передачу данных на очень высокой скорости, они практически не ус-

тупают кабельным сетям.

Хотя скорость и удобство использования инфракрасных сетей очень

привлекательны, возникают трудности при передаче сигналов на расстояние

более 30 м. К тому же такие сети подвержены помехам со стороны источни-

ков тепла (лампы накаливания, калориферы), которые имеются в большин-

стве организаций.

Технология, использующая видимые оптические лучи, похожа на ин-

фракрасную тем, что требует прямой видимости между передатчиком и

приемником. Если по каким–либо причинам оптический луч будет прерван,

то это приведет к прекращению обмена данными. Для генерирования опти-

ческих колебаний используется полупроводниковый прибор – лазер. Качест-

во передачи в большой степени зависит от внешних атмосферных условий

Компьютерные сети

(дождь, туман, запыленность атмосферы). Использование в сетях передачи

данных источника видимого света, по сравнению с инфракрасным излучени-

ем, более проблематично, так как функционирующий источник видимого

света (лазер) может вызвать ожог тканей человека. Поэтому при построении

сетей, использующих видимый свет, следует также решать проблемы ис-

ключения случайной травмы пользователей сети, обслуживающего персона-

ла или случайных людей.

Отличительной особенностью радиолиний является распространение

электромагнитных сигналов в свободном пространстве. Радиоизлучение

осуществляется на частотах от сотен кГц до сотен ГГц. В сетях передачи

данных нашли применение радиоволны ультракороткого (УКВ) диапазона

(выше 30 МГц), которые распространяются прямолинейно и не отражаются

ионосферой (как короткие волны) и не огибают встречающиеся препятствия,

как длинные и средние волны. Поэтому связь в сетях передачи данных, по-

строенных на УКВ радиосредствах, ограничена по расстоянию (до 40 км).

Для преодоления этого ограничения обычно используют ретрансляторы.

УКВ колебания, в свою очередь, подразделяются на метровые, дециметро-

вые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые волны. В послед-

нее время в локальных вычислительных сетях начали использоваться ра-

диоизлучения на дециметровых волнах (частота – 300…3000 МГц), санти-

метровых (3…30 ГГц) и миллиметровых волнах (30…300 ГГц).

К беспроводной технологии радиосвязи, использующий диапазон час-

тот от 2,4 до 2,4835 ГГц, относится популярная технология Bluetooth. Пере-

датчики, излучающие радиоволны в этом диапазоне, разделены по мощности

на три категории: 100 мВт (дальность связи 100 м), 2,5 мВт (10 м) и 1 мВт

(10 см).

К системам передачи, использующим радиоизлучение в сверхвысоко-

частотном (СВЧ) диапазоне (3…30 ГГц), относятся микроволновые системы.

Микроволновая технология помогает организовать взаимодействие между

зданиями в небольших, компактных системах, например в университетских

городках. Микроволновая система состоит из приемопередатчика и двух на-

правленных антенн. Они нацелены друг на друга так, чтобы осуществить

прием сигналов, передаваемых трансивером. Эти антенны часто устанавли-

вают на вышки, чтобы преодолеть большие расстояния.

В беспроводных локальных компьютерных сетях преимущественно

используется ненаправленное излучение радиоволн в СВЧ диапазоне (2… 30

ГГц). Электромагнитная энергия радиоволн распространяется во всех на-

правлениях и может приниматься многими антеннами. Радиоволны СВЧ

диапазона обладают практически идеальной отражающей способностью. По-

этому на антенну радиоадаптера компьютера приходят волны, многократно

отраженные от потолка и стен помещения (рисунок 2.6). При этом имеет ме-

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

сто так называемое многолучевое распространение сигнала S(t). В связи с

тем, что волны распространяются по различным путям, они проходят не

одинаковое расстояние. Время распространения сигналов t

каждого из лу-

чей различно. Таким образом, в месте приема происходит сложение (интер-

ференция) колебаний электромагнитных волн, прошедших различный путь.

Кроме этого, приемная антенна воспринимает электромагнитные коле-

бания других источников, суммарный эффект воздействия которых пред-

ставляет собой аддитивную помеху n(t). Результирующее колебание в ан-

тенне можно представить в виде суммы k сигнальных лучей и аддитивной

помехи n(t)







pkkc

tnttstS

,)()()(



(2.5)

где μ

– коэффициент затухания k-гопути распространения; t

– время рас-

пространения k-голуча; L – общее количество лучей.

Следствием многолучевой интерференции является искажение прини-

маемого сигнала, так как сигнал в антенне представляет сумму отдельных

колебаний с различными фазами и амплитудами. При многолучевой интер-

ференции выделяют два крайних случая. В первом максимальная задержка

между сигналами, прошедшими различный путь, не превосходит времени

длительности одного единичного элемента сигнала и интерференция возни-

кает в пределах одного передаваемого элемента. Во втором случае макси-

мальная задержка между различными сигналами больше длительности одно-

го единичного элемента, а в результате интерференции складываются сигна-

Рисунок 2.6 – Схема распространения радиосигналов в помещении

Компьютерные сети

лы, представляющие разные символы, и возникает так называемая межсим-

вольная интерференция (Inter Symbol Interference, ISI).

2.1.4. Каналы связи, их типы и иерархии

Как уже упоминалось выше, под каналом связи понимают независи-

мый тракт передачи сигналов от источника к получателю, образованный ап-

паратурой уплотнения на физической линии путем использования части ре-

сурсов этой линии. Канал также может быть образован путем вторичного

уплотнения широкополосного канала.

Для организации каналов связи на линиях первичной сети применяют-

ся аналоговые, с частотным разделением каналов (ЧРК), и цифровые, с вре-

менным разделением каналов (с ИКМ и дельта-модуляцией) многоканаль-

ные системы передачи. Процесс объединения информационных потоков от

многих источников в один называется мультиплексированием. Поэтому в за-

рубежной литературе частотное разделение каналов имеет название мульти-

плексирование с частотным разделением, сокращенно FDM (Frequency

Division Multiplexing), а временное разделение каналов – мультиплексирова-

ние с разделением времени, сокращенно TDM (Time Division Multiplexing).

Основным параметром каналов, образованных аналоговой аппарату-

рой уплотнения, является эффективная полоса пропускания, измеряемая в

Гц, а основным параметром цифровых каналов – пропускная способность,

измеряемая в бит/с.

В основе созданной в нашей стране первичной сети лежит телефон-

ный канал, так как исторически сеть связи создавалась для передачи рече-

вых (голосовых) сообщений. При создании многоканальной аппаратуры пе-

редачи, обеспечивающей организацию большого числа каналов, оказалось

целесообразным наращивать емкости системы последовательной организа-

цией и объединением групп каналов. Это позволило более эффективно ис-

пользовать каналообразующее оборудование и обеспечить его широкую

унификацию.

Аналоговая аппаратура уплотнения с ЧРК позволяет образовывать

следующие типовые каналы:

 канал тональной частоты (ТЧ) с полосой пропускания то 0,3 до 3,4

кГц;

 первичный широкополосный канал с полосой пропускания 60…108

кГц, который состоит из 12 каналов ТЧ, перенесенных в диапазон 60…108

кГц;

 вторичный широкополосный канал, содержащий 5 первичных 12-ти

канальных групп (60 каналов ТЧ), перенесенных в диапазон частот 312…552

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

кГц (фактическая полоса составляет 312,3…551,4 кГц);

 третичный широкополосный канал, состоящий из пяти вторичных

групп (300 каналов ТЧ), перенесенных в диапазон частот 812…2044 кГц;

 четверичный широкополосный канал – из трех третичных групп (900

каналов ТЧ), перенесенных в диапазон частот 8516…12388 кГц.

Наряду с устаревшими аналоговыми системами передачи на внутризо-

новых и местных участках первичной сети широко применяются системы

уплотнения с импульсно–кодовой модуляцией (ИКМ). В настоящее время

определились следующие типы групп уплотнения:

 основная цифровая группа (ОЦ), соответствующая основному кана-

лу ТЧ в аналоговых сетях, скорость передачи 64 кбит/с;

 первичная цифровая группа, эквивалентная тридцати двум ОЦ, со

скоростью передачи 2048 кбит/с, организована на основе аппаратуры уплот-

нения ИКМ-30 (30 каналов информационных и 2 канала для служебных це-

лей);

 вторичная цифровая группа, созданная на основе аппаратуры ИКМ-

120, скорость передачи в групповом тракте 8448 кбит/с;

 третичная цифровая группа, образованная объединением цифровых

потоков четырех вторичных групп, скорость передачи 35 Мбит/с, создана на

основе аппаратуры ИКМ-480;

 четверичная цифровая группа, объединяющая цифровые потоки четы-

рех третичных систем, образует цифровой поток со скоростью 139 Мбит/с,

что обеспечивает 1920 каналов ТЧ.

Аппаратура уплотнения построена на электронных компонентах, ко-

торые, как известно, обладают свойством односторонней передачи сигналов.

Поэтом канал связи в принципе передает сигналы только в одном направле-

нии, т.е. является однонаправленным (симплексным). Для организации

двухстороннего (дуплексного) канала используют два разнонаправленных

симплексных канала.

Канал двустороннего действия, образованный из двух симплексных

каналов, является четырехпроводным, так как передача в разных направле-

ниях осуществляется по двум различным двухпроводным цепям (рисунок

2.7). Такой канал называется каналом однополосной четырехпроводной сис-

темы передачи (передача сигналов в обоих направлениях осуществляется в

одной полосе частот).

Сигнал, приходящий по двухпроводной линии со станции А, направ-

ляется дифференциальной системой (ДС) в двухпроводную линию в направ-

лении передачи (верхняя ветвь схемы), усиливается последовательно усили-

телями передачи УсПд, промежуточным УсПр и на приемной стороне при-

емным усилителем УсПм. Затем дифференциальная система направляет его

Компьютерные сети

в двухпроводную линию станции Б и почти полностью подавляет принятый

сигнал в направлении обратной двухпроводной линии (нижняя ветвь), уст-

раняя тем самым нежелательную обратную связь.

Дифференциальная система представляет собой шестиполюсник, об-

ладающий различным затуханием в направлениях передачи и приема. На-

правлением пропускания ДС называются пути передачи сигналов с малым

затуханием, а направлением развязки (задерживания) – пути с большим за-

туханием. Для обеспечения гальванической развязки приемо-передающих

устройств с линией (каналом) связи применяются дифференциальные систе-

мы трансформаторного типа.

Дифференциальная система (рисунок 2.8,а) представляет собой урав-

новешенный мост переменного тока. В одно из плеч включается двухпро-

водная линия связи, а три других образуются линейной W

и балансной об-

мотками W

трансформатора и сопротивлением балансного контура Z

. В

диагональ моста 4-4΄ включают цепь передачи, а в диагональ 3-3΄– приема.

Выводы 4-4΄ соединяются со входом передающей части, а 3-3΄ – с выходом

приемника. Дифференциальная система должна вносить минимальное зату-

хание в направлении передачи a

1–4

и приема a

3–1

, а переходное затухание a

3–4

должно быть максимальным. Подбирая значение сопротивления балансного

контура Z

, уравновешивают мост и таким образом обеспечивают макси-

мальное переходное затухание a

3–4

Обычно при изготовлении дифференциального трансформатора коли-

чество витков выполняют W

= W

. Тогда для уравновешивания моста со-

противление Z

должно равняться сопротивлению 2-проводной линии связи

. Переходное затухание ДС в децибелах определяется выражением

Рисунок 2.7 – Схема четырехпроводного дуплексного канала связи

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

пер

= a

4–2

= 20 lg [(Z

+ Z

) / (Z

– Z

)] + 20lg2.

При Z

= Z

переходное затухание ДС равно бесконечности. Физиче-

ски это объясняется тем, что ток, поступающий с приемной линии I

прм

, в

точке соединения линейной и балансной обмоток делится пополам, т.е. i

. Так как обмотки катушек трансформатора W

и W

относительно точки

втекания тока I

пр

включены встречно (на схеме точками обозначены начала

обмоток), то магнитные потоки в сердечнике трансформатора, создаваемые

катушками W

и W

равны по величине и противоположны по направлению

и взаимно компенсируются. Следовательно, Э.Д.С., наводимая в выходной

обмотке дифсистемы W

за счет входного сигнала U

3–3

будет равна нулю.

Затухание дифференциальной системы от выводов 1-1΄ к выводам 2-2΄

равно бесконечности, так как приходящий из двухпроводной линии ток,

проходя по линейной обмотке W

наводит в балансной обмотке W

Э.Д.С.

обратного направления, равной практически Э.Д.С. в линейной обмотке. За

счет этого результирующий ток в балансном контуре близок к нулю. Поэто-

му мощность сигнала, приходящего по 2-проводной линии, будет распреде-

ляться поровну между Z

и Z

, т. е. затухание в направлении передачи при

отсутствии потерь в обмотках трансформатора определится как

1–2

= a

1–4

= 10 lg (2P

/ P

) =10 lg2 = 3 дБ ,

где Р

– мощность сигнала, поступающего из линии.

В направлении приема затухание a

3–1

в идеальном случае тоже равно 3

дБ в связи с тем, что мощность поступающего сигнала делится поровну ме-

Рисунок 2.8 – Схемы дифференциальных систем

Компьютерные сети

жду двухпроводной линией и балансным контуром. В действительности, в

связи с потерями в катушках трансформатора, затухания a

1–4

и a

3–1

несколь-

ко больше 3-х децибел.

В реальных системах подобрать величину входного сопротивления ба-

лансного контура, равную величине входного сопротивления двухпроводной

линии во всем диапазоне рабочих частот практически невозможно. Поэтому

в полосе тональных частот 0,3…3,4 кГц величина переходного затухания ДС

не превышает 30 дБ. На практике в устройствах передачи сигналов по теле-

фонным каналам схема балансного контура представляет собой цепочку, со-

стоящую из последовательного включения резистора 600 Ом и конденсатора

емкостью 1 мкФ (рисунок 2.8,в).

На рисунке 2.8,б показано устройство разделения направлений переда-

чи и приема на основе мостовой схемы, реализованной на резисторах R1, R2,

R3 и обмотки трансформатора Тр. Стабилитроны D1,D2 защищают входные

цепи от перенапряжений в линии связи.

В высокоскоростных устройствах передачи данных для уменьшения

степени воздействия эхо-сигналов на вход приемника дополнительно приме-

няют эхокомпенсаторы. Эхокомпенсатор (ЭК) представляет собой адаптив-

ный фильтр, включаемый между выходом передатчика Прд и входом прием-

ника Прм параллельно дифференциальной системе, разделяющей направле-

ния передачи (рисунок 2.9).

Коэффициенты фильтра ЭК настраиваются таким образом, чтобы его

частотная характеристика повторяла характеристику цепи, по которой сиг-

нал передатчика поступает на вход своего приемника. В результате на входы

вычитающего устройства (ВУ) поступают близкие по форме напряжения с

выхода фильтра и дифсистемы, которые взаимно компенсируются. При этом

сигнал передатчика удаленной станции проходит на вход приемника без из-

менений.

Рисунок 2.9 – Схема дуплексной передачи сигналов по

Раздел 2. Передача данных в компьютерных сетях

2.2. Сигналы для передачи по физическим линиям

2.2.1. Основные параметры сигналов и требования к их

характеристикам

Сигналом называется физический процесс, однозначно отображаю-

щий сообщение. Для представления цифрового сообщения в компьютере

применяются импульсы напряжения постоянного тока единичного и нулево-

го уровней.

К временным параметрам сигнала относится длительность единичного

элемента 

для периодической последовательности единичных элементов –

период Т и скважность =Т/ 

(рисунок 2.10)

Количество единичных эле-

ментов В, передаваемых в единицу времени, называется скоростью манипу-

ляции. Эта величина получила размерность бод.

В = 1/

. (2.6)

Скорость манипуляции и частота периодической последовательности со

скважностью  связаны следующим соотношением: F = 1/T = 1/



/ .

Скорость передачи информации определяется количеством информа-

ции I (бит), передаваемых в единицу времени. Для многопозиционных рав-

новероятных сигналов с числом значащих позиций (уровней, фаз) равном m

вероятность появления i-го сигнала p

= 1/m

. Тогда информационная ско-

рость передачи данных

V = I / 

= log

/ 

= B log

(бит/с). (2.7)

В системах передачи данных периодическую последовательность

единичных элементов (Е. Э.) записывают в виде 

: (Т–

) или в нормиро-

ванной форме 1: ( – 1). На рисунке 2.11 и показаны последовательности ти-

па "точки" 1:1 (а) и сигналы вида 1:3 (б).

Рисунок 2.10 – Периодическая последовательность сигналов данных

Компьютерные сети

К энергетическим параметрам сигналов относятся мощность Р

и энер-

гия Е

сигнала, определяемые соответственно по формулам:

= U

эф

/ R ; при R=1 Ом Р

= U

эф

;







эфэфc

UdtUE

(на единичном сопротивлении).

Спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов

типа "точки" вида 1:1 амплитудой U

с периодом следования Т определяется

на основании ряда Фурье:

sin

cos













tdtkU







(2.8)







dtU





Здесь С

– постоянная составляющая; С

– амплитуда k-й гармоники; Ω –

частота первой (основной) гармоники, Ω =2π/Т.

Реальный процесс передачи данных представляет собой последова-

тельность независимых и равновероятных кодовых комбинаций, образую-

щих случайную последовательность взаимнонезависимых импульсов с по-

стоянной амплитудой U

и одинаковой длительностью τ

. При этом вероят-

ности появления импульсов со значениями +U

и –U

обычно одинаковы.

Такой вид последовательности называют случайным телеграфным сигналом.

Для оценки спектральных составляющих случайного сигнала используется

энергетический спектр G(ω), определяемый известным соотношением на ос-

нове его корреляционной функции F(τ), которая имеет вид

F(τ) = U

[1– ( | τ

| / τ

)] .

Рисунок 2.11 – Примеры периодических последовательностей различных видов