1. Основные определения

•Среда передачи данных - совокупность линий передачи данных и блоков взаимодействия (т.е. сетевого

оборудования, не входящего в станции данных), предназначенных для передачи данных между станциями данных. Среды передачи данных могут быть общего пользования или выделенными для конкретного пользователя.

•Линия передачи данных - средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении. Примерами линий передачи данных являются коаксиальный кабель, витая пара проводов, световод.

Характеристики линий передачи данных

•Характеристиками линий передачи данных являются зависимости затухания сигнала от частоты и расстояния. Затухание принято оценивать в децибеллах, 1 дБ = 10*lg(P1/P2), где Р1 и Р2 - мощности сигнала на входе и выходе линии соответственно.

полоса пропускания

•При заданной длине можно говорить о полосе пропускания (полосе частот) линии. Полоса пропускания связана со скоростью передачи информации. Различают бодоеую (модуляционную) и информационную скорости.

Бодовая и информационная скорость

•Бодовая скорость измеряется в бодах, т.е. числом изменений дискретного сигнала в единицу времени, а информационная - числом битов информации, переданных в единицу времени. Именно бодовая скорость определяется полосой пропускания линии.

•Если на бодовом интервале (между соседними изменениями сигнала) передается N бит, то число градаций модулируемого параметра несущей равно 2^N. Например, при числе градаций 16 и скорости 1200 бод одному боду соответствует 4 бит/с и информационная скорость составит 4800 бит/с.

формула Хартли-Шеннона

•Максимально возможная информационная скорость V связана с полосой пропускания F канала связи формулой Хартли-Шеннона (предполагается, что одно изменение величины сигнала приходится на log2k бит, где к - число

возможных дискретных значений сигнала)

•V = 2*F*log2k бит/с,

•так как V = log2k/t, где t - длительность переходных процессов, приблизительно равная

³*^тв> ^а V ^1/(²*Р *^р)’ ³Д^{есь к=1+А}- ^гД^{е А} "

отношение сигнал/помеха.

канал связи

•Канал (канал связи) - средства односторонней передачи данных. Примером канала может быть полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В некоторой линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами.

методы разделения линии передачи данных

•Существуют два метода разделения линии передачи данных: временное мультиплексирование (иначе разделение по времени или TDM), при котором каждому каналу выделяется некоторый квант времени, и частотное разделение (FDM - Frequency Division Method), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.

Канал передачи данных

•Канал передачи данных - средства двустороннего обмена данными, включающие АКД и линию передачи данных.

Классификация каналов

•По природе физической среды передачи данных (ПД) различают каналы передачи данных на оптических линиях связи, проводных (медных) линиях связи и беспроводные. В свою очередь, медные каналы могут быть представлены коаксиальными кабелями и витыми парами, а беспроводные - радио- и инфракрасными каналами.

•В зависимости от способа представления информации электрическими сигналами различают аналоговые и цифровые каналы передачи данных. В аналоговых каналах для согласования параметров среды и сигналов применяют амплитудную, частотную, фазовую и квадратурно-амплитудную модуляции. В цифровых каналах для передачи данных используют

самосинхронизирующиеся коды, а для передачи аналоговых сигналов - кодово­импульсную модуляцию.

История развития сетей

•Первые сети ПД были аналоговыми, поскольку использовали распространенные телефонные технологии. Но в дальнейшем устойчиво растет доля цифровых коммуникаций (это каналы типа Е1/Т1, ISDN, сети Frame Relay, выделенные цифровые линии и др.)

направление передачи

•В зависимости от направления передачи различают каналы симплексные (односторонняя передача), дуплексные (возможность одновременной передачи в обоих направлениях) и полудуплексные (возможность попеременной передачи в двух направлениях).

одно- и многоканальные средства ПД

•В зависимости от числа каналов связи в аппаратуре ПД различают одно- и многоканальные средства ПД. В локальных вычислительных сетях и в цифровых каналах передачи данных обычно используют временное

мультиплексирование, в аналоговых каналах - частотное разделение.

Выделенные и разделяемые

каналы

•Если канал ПД монопольно используется одной организацией, то такой канал называют выделенным, в противном случае канал является разделяемым или виртуальным (общего пользования).

•К передаче информации имеют прямое отношение телефонные сети,

вычислительные сети передачи данных, спутниковые системы связи, системы сотовой радиосвязи.

Лекция 5. Проводные линии связи

•План лекции •Проводные линии связи •Аналоговые каналы передачи данных •Модемы

•Амплитудная модуляция •Частотная и фазовая модуляция •Квадратурно-амплитудная модуляции •Организация дуплексной связи •Многоканальная аппаратура

Проводные линии связи

•В вычислительных сетях проводные линии связи представлены коаксиальными кабелями и витыми парами проводов.

коаксиальные кабели

•Используются коаксиальные кабели: "толстый" диаметром 12,5 мм и "тонкий" диаметром 6,25 мм. "Толстый" кабель имеет меньшее затухание, лучшую

помехозащищенность, что обеспечивает возможность работы на больших расстояниях, но он плохо гнется, что затрудняет прокладку соединений в помещениях, и дороже "тонкого".

•Существуют экранированные (STP - Shielded Twist Pair) и неэкранированные (UTP - Unshielded Twist Pair) витые пары проводов. Экранированные пары сравнительно дороги. Неэкранированные витые пары имеют несколько категорий (типов).

Категории витых пар

•Обычный телефонный кабель - пара категории 1. Пара категории 2 может использоваться в сетях с пропускной способностью до 4 Мбит/с. Для сетей Ethernet (точнее, для ее варианта с названием 10Base-T) разработана пара категории 3, а для сетей Token Ring - пара категории 4. Наиболее совершенной является витая пара категории 5, которая применима при частотах до 100 МГц. В паре категории 5 проводник представлен медными жилами диаметром 0,51 мм, навитыми по определенной технологии и заключенными в термостойкую изолирующую оболочку.

•В высокоскоростных ЛВС на UTP длины соединений обычно не превышают 100 м. Затухание на 100 МГц и при длине 100 м составляет около 24 дБ, при 10 МГЦ и 100 м - около 7 дБ.

•Витые пары иногда называют сбалансированной линией в том смысле, что в двух проводах линии передаются одни и те же уровни сигнала (по отношению к земле), но разной полярности. При приеме воспринимается разность сигналов, называемая парафазным сигналом. Синфазные помехи при этом самокомпенсируются.

Аналоговые каналы передачи данных

•Типичным и наиболее распространенным типом аналоговых каналов являются телефонные каналы общего пользования (каналы тональной частоты). В каналах тональной частоты полоса пропускания составляет 0,3...3,4 кГц, что соответствует спектру человеческой речи.

•Для передачи дискретной информации по каналам тональной частоты необходимы устройства преобразования сигналов, согласующие характеристики дискретных сигналов и аналоговых линий. Кроме того, в случае непосредственной передачи двоичных сигналов по телефонному каналу с полосой пропускания 0,3...3,4 кГц скорость передачи не превысит 3 кбит/с. Действительно, пусть на передачу одного бита требуются два перепада напряжения, а длительность одного перепада ТВ = (3...4)/(6,28*FB), где FB - верхняя частота полосы пропускания. Тогда скорость передачи есть В < 1/(2*ТВ).

•Согласование параметров сигналов и среды при использовании аналоговых каналов осуществляется с помощью воплощения сигнала, выражающего передаваемое сообщение, в некотором процессе, называемом переносчиком и приспособленном к реализации в данной среде. Переносчик в системах связи представлен электромагнитными

колебаниями U некоторой частоты, называемой несущей частотой:

•U = U_m*sin(v *t+y ),

•где U_m. амплитуда, v - частота, у - фаза колебаний несущей.

модуляция

•Изменение параметров несущей (переносчика) по закону передаваемого сообщения называется модуляцией. Если это изменение относится к амплитуде U„, то модуляцию называют амплитудной (AM), если к частоте v - частотной (ЧМ), и если к фазе у - фазовой (ФМ). При приеме сообщения предусматривается обратная процедура извлечения полезного сигнала из переносчика, называемая демодуляцией. Модуляция и демодуляция выполняются в устройстве, называемом модемом.

Модемы

•Модем - устройство преобразования кодов и представляющих их электрических сигналов при взаимодействии аппаратуры окончания канала данных и линий связи. Слово "модем" образовано из частей слов "модуляция" и "демодуляция", что подчеркивает способы согласования параметров сигналов и линий связи - сигнал, подаваемый в линию связи, модулируется, а при приеме данных из линии сигналы подвергаются обратному преобразованию (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Связь узлов сети с помощью модемов

Компьютер

М - моден Т-терминал

КК- кластерный контроллер

Функции модема

•Модем выполняет функции аппаратуры окончания канала данных. В качестве оконечного оборудования обычно выступает компьютер, в котором имеется приемопередатчик - микросхема UART (Universal Asynchronous

Receiver/Transmitter). Приемопередатчик подключается к модему через один из последовательных портов компьютера и последовательный интерфейс RS-232C, в котором обеспечивается скорость не ниже 9,6 кбит/с на расстоянии до 15 м.

Амплитудная модуляция

•При амплитудной модуляции на входы модулятора поступают сигнал V и несущая U. Например, если сигнал есть гармоническое колебание

•V = Vm*sin(W *t+j)

•с амплитудой Vm, частотой w и фазой j , то на выходе нелинейного элемента в модуляторе будут модулированные колебания

•UAM = U_m*(1+m*sin(W *t+j ))*sin(v *t+y ),

•где m = V_m/U„ - коэффициент модуляции.

несущая частота и боковые частоты

•На выходе модулятора в спектре сигнала присутствуют несущая частота v и две боковые частоты v +W и v-W . Если сигнал занимает некоторую полосу частот, то в спектре модулированного колебания появятся две боковые полосы, как это показано на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Спектры модулирующего и модулированного сигналов при AM

Спектр сигнала

U

АМ

частота

Спектр модулированных колебаний

частота

Боковые полосы

•При амплитудной модуляции во избежание искажений, называемых качанием фронта, нужно выполнение условия v » W , где v и W - соответственно несущая и модулирующая частоты. Соблюдение этого условия при стандартной (для среднескоростной аппаратуры передачи данных) несущей частоте 1700 Гц не может обеспечить информационные скорости выше 300 бит/с.

•Поэтому в модемах применяют дополнительное преобразование частоты: сначала производят модуляцию несущей, имеющей повышенную частоту, например Рид = 10 кГц, затем с помощью фильтра выделяют спектр модулированного сигнала и с помощью преобразователя частоты переносят модулирующие колебания на промежуточную частоту, например 1700 Гц. Тогда при боковых полосах до 1400 Гц спектр сигнала согласуется с полосой пропускания телефонных линий. Однако достигаемые при этом скорости передачи данных остаются невысокими.

•Скорости передачи повышаются с помощью квадратурно-амплитудной или фазовой модуляции за счет того, что вместо двоичных модулирующих сигналов используются дискретные сигналы с большим числом возможных значений.

Частотная и фазовая

модуляции

•В сравнительно простых модемах применяют частотную модуляцию (FSK - Frequency Shift Keying) со скоростями передачи до 1200 бит/с. Так, если необходима дуплексная связь по двухпроводной линии, то возможно представление 1 и 0 в вызывном модеме частотами 980 и 1180 Гц соответственно, а в ответном модеме - 1650 и 1850 Гц. При этом скорость передачи составляет 300 бод.

•Обычно для передачи сигнала об ошибке от приемника к передатчику нужен канал обратной связи. При этом требования к скорости передачи данных по обратному каналу могут быть невысокими. Тогда в полосе частот телефонного канала образуют обратный канал с ЧМ, по которому со скоростью 75 бит/с передают 1 частотой 390 Гц и 0 частотой 450 Гц.

Фазовая модуляция

•Фазовая модуляция (PSK - Phase Shift Keying) двумя уровнями сигнала (1 и 0) осуществляется переключением между двумя несущими, сдвинутыми на полпериода друг относительно друга. Другой вариант PSK изменение фазы на р 12 в каждом такте при передаче нуля и на 3/4*р , если передается единица.

Квадратурно-амплитудная модуляция

•Квадратурно-амплитудная модуляция (QAM - Quadrature Amplitude Modulation, ее также называют квадратурно-импульсной) основана на передаче одним элементом модулированного сигнала п бит информации, где п = 4...8 (т.е. используются 16... 256 дискретных значений амплитуды). Однако для надежного различения этих значений амплитуды требуется малый уровень помех (отношение сигнал/помеха не менее 12 дБ при п = 4).

•При меньших отношениях сигнал/помеха лучше применять фазовую модуляцию с четырьмя или восемью дискретными значениями фазы для представления соответственно 2 или 3 бит информации. Тогда при скорости модуляции в 1200 бод (т.е. 1200 элементов аналогового сигнала в секунду, где элемент - часть сигнала между возможными сменами фаз) и четырехфазной модуляции скорость передачи данных равна 2400 бит/с. Используются также скорости передачи 4800 бит/с (при скорости модуляции 1600 бод и восьмифазной модуляции), 9600 бит/с и более при комбинации фазовой и амплитудной модуляций.

Организация дуплексной связи

•Для организации дуплексной используются следующие способы:

- Четырехпроводная линия связи

- Частотное разделение

- Эхо-компенсация

связи

четырехпроводная линия связи

•одна пара проводов для прямой и другая для обратной передачи;

частотное разделение

•прямая и обратная передачи ведутся на разных частотах, т.е. полоса для каждого направления сужается более чем вдвое по сравнению с полосой симплексной связи;

Эхо-компенсация

•при установлении соединения с помощью посылки зондирующего сигнала определяются параметры (запаздывание и мощность) эха - отраженного собственного сигнала; в дальнейшем из принимаемого сигнала вычитается эхо собственного сигнала (рис.2.3).

Рис. 2.3. Эхо-компенсация

в пинию

Многоканальная аппаратура

•В многоканальной аппаратуре одна (или несколько) линия связи разделяется между сообщениями по частоте или времени. В широкополосных аналоговых каналах используется частотное разделение. Каналы группируются в первичные (полоса 60...108 кГц), вторичные (312...552 кГц), третичные (812...2044 кГц) и т.д. В группе первичных каналов помещаются 12 каналов тональной частоты, в группе вторичных каналов - пять первичных групп и т.д.

цифровые каналы передачи данных

•В современных телекоммуникационных технологиях большее распространение получили цифровые каналы передачи данных.

Лекция 6. Протоколы

•План лекции

•Протоколы физического уровня для модемной связи

•Протоколы канального уровня для модемной связи

•Цифровые каналы передачи данных •Беспроводные каналы связи •Спутниковые каналы передачи данных •Сети мобильной связи •Оптические линии связи

Протоколы физического уровня для модемной связи

•Протоколы физического уровня определяют в телекоммуникационных технологиях способ модуляции, направленность передачи (дуплекс, симплекс, полудуплекс), ориентированность на выделенный или коммутируемый канал. Возможно отражение в протоколах и некоторых других характеристик передачи, например способа исправления ошибок и/или сжатия информации.

Протокол V.21

•Он используется в простых модемах на 300 бит/с, применена частотная модуляция с передачей по двухпроводной линии. Используются четыре частоты (от 980 до 1850 Гц) для представления 1 и 0 в прямом и обратном направлениях передачи.

Протокол V.22

•Он характеризуется скоростью 1200 бит/с, используются частотное разделение каналов (для дуплекса) и двукратная фазовая модуляция (ФМ), т.е. ФМ с четырьмя значениями фазы. В V.27 с помощью трехкратной ФМ (с восемью значениями фазы) достигается скорость 4800 бит/с по дуплексным выделенным каналам.

Применение квадратурно амплитудной модуляции

•Возможно применение квадратурно­амплитудной модуляции. В протоколе V.22bis используются несущие частоты 1200 и 2400 Гц, при скорости модуляции 600 бод скорость передачи данных составляет 2400 бит/с, так как каждый элемент сигнала отражает одно из 16 значений четырехбитовой комбинации (для каждого значения - своя амплитуда). В протоколе V.29 скорость составляет 9600 бит/с, используется четырехпроводный

выделенный канал.

•В модемах, соответствующих V.32, достигается скорость 9600 бит/с за счет фазовой модуляции и отфильтровывания эха собственного передатчика от принимаемых сигналов. Специальный процессор автоматически снижает скорость передачи при наличии шумов в линии. Используется помехоустойчивое

кодирование.

протокол V.32bis

•В протоколе V.32bis при тех же несущих и бодовой скорости пропускная способность повышена до 14,4 кбит/с за счет комбинирования квадратурно-амплитудной и фазовой модуляций. Расширение V.32terbo этого протокола уже рассчитано на скорости 16,8 и 19,2 кбит/с.

протокол V.34

•Современные высокоскоростные модемы строятся в соответствии с протоколом V.34 или его предшественником V.FC. Здесь скорости составляют от 2,4 до 28,8 кбит/с с шагом 2,4 кбит/с. Протокол предусматривает адаптацию передачи под конкретную обстановку, изменяя несущую в пределах