Канал связи

Как следует из 2.3, длина интерфейса составляет всего 10-20 м, следовательно, он может объединить модули, расположенные в одной-двух комнатах. Но расстояние между отдельными частями системы контроля выбросов химкомбината составляет километры, для геостационарного спутника - 36.000 км, для межпланетной станции -несколько миллионов и даже миллиардов километров. Так, в 1977 году в США были запущены две межпланетные станции «Voyager-І, 2», которые в 1979 году исследовали Юпитер, в 1980 - 81 г.г. - Сатурн и его спутник Титан. После этого «Voyager-І» вышел из плоскости эклиптики (от греч. вкХшлсисг - затмение) в пространство, где нет планет. «Voyager-2» исследовал Нептун и тоже вылетел из плоскости эклиптики. В настоящее время они выходят за пределы Солнечной системы, и в марте 2005 года, когда связь с ними прекратилась, расстояние до них составило соответственно 14,2 и 11,4 млрд (фр. milliard) км. Поэтому для нормального функционирования ИИС обмен информацией между её отдельными элементами осуществляется по каналам связи.

Канал связи - совокупность технических средств и физической среды, предназначенных для передачи информации.

Канал связи является связующим компонентом измерительной системы (см. 5.1).

Основными техническими средствами, входящими в состав канала связи, являются: передатчики, приёмники, усилители сигналов, кодирующие и декодирующие устройства, модуляторы и демодуляторы, коммутаторы, фильтры и др.

Линия связи - совокупность технических средств и физической среды, обеспечивающих распространение сигналов от передатчика к приёмнику.

В зависимости от характера сигналов различают линии электрической (проводной и радиосвязи), звуковой (акустической) и световой, или оптической связи.

Способность канала связи передавать информацию характеризуется рядом параметров, важнейшим из которых является пропускная способность, определяемая максимально возможным количеством информации, передаваемой за единицу времени. Кроме того, канал связи характеризуется амплитудно-частотной характеристикой, полосой пропускания, помехоустойчивостью, шумами и т.д.

Качество передачи (ГОСТ Р МЭК 870-1-4-98) -термин, определяющий показатели качества сетей связи, например такие, как частота искажения бита, готовность выделенного канала, вероятность искажения пакетов битов, отношение сигнал/шум, амплитудные и фазовые искажения, нелинейность, помехи внутри канала.

Связь между полосой пропускания линии В (Гц) и её максимально возможной пропускной способностью С (бит/с) определяется одним из основных законов теории информации - теоремой Шеннона - Хартли (С.Е. Shannon - американский математик и инженер XX века, один из создателей математической теории информации)

С = В log2(l + SNP), (5.5.1)

где SNP - отношение мощности сигнала и шума.

Без учёта шума максимальная скорость передачи данных определяется законом Найквиста (Н. Nyquist -американский физик XX века)

С = В log2M, (5.5.2)

где М - число различимых состояний информативного параметра сигнала.

По способу представления данных при передаче различают аналоговые и цифровые каналы. Недостатком аналоговых каналов является трудность обеспечения высокой точности передаваемых данных, поэтому более широкое распространение получили цифровые каналы.

Немного отвлечёмся от ИИС и отметим развитие цифрового радио- и телевещания, что касается всех и каждого. Ещё в 1998 году была принята «Концепция внедрения наземного цифрового вещания в РФ». По этой концепции к 2015 году все российские радио- и телепередатчики и приёмники будут работать только в «цифре». В 2004 году принято постановление Правительства РФ «О внедрении цифрового телевизионного и звукового вещания в РФ». Россия - пятая страна в мире, где цифровое телевидение уже заработало в коммерческом режиме.

Возможности цифрового вещания удивительны. Прежде всего, увеличится число телевизионных каналов. В полосу, занимаемую одним аналоговым каналом, можно упаковать до 16 цифровых каналов. Намного улучшится качество изображения, на нём не будет муара, сетки, ряби и снега. И качество изображения не зависит от способа кодировки или сжатия сигнала (см. ниже), которые определяют лишь надёжность сигнала. Картинка всегда идеальна, а если нет, то она просто рассыпается на части.

Специальные цифровые приставки к телевизору дадут возможность зрителю участвовать в телевизионной передаче в интерактивном режиме. Цифровое телевидение позволит отсечь всё ненужное - поток рекламы, всё то, что не захочет смотреть зритель.

Сейчас существует три стандарта цифрового вещания: европейский DVB, американский ATSC и японский ISDB. В Европе цифровой телевизионный сигнал рассматривается как часть общего интеллектуального устройства, которое управляет всей электроникой, включая факс, интернет, радиосигнал. В США делается ставка на надёжный сигнал высшей чёткости. При этом качество сигнала настолько высоко, что прочих услуг частотная полоса вместить уже не может. Япония совмещает лучшие стороны двух стандартов, хотя ISDB всё же ближе к гибкому европейскому DVB.

Развитие технологии мобильной связи привело к созданию следующего, четвёртого поколения или 4G (HSDPA - High Speed Downlink Packet Access, т.е. технология высокоскоростного пакетного доступа по входящему каналу).

Эта технология является логическим продолжением 3G WCDMA и ныне широко используемой цифровой связи GSM, GRPS и EDGE. Пиковая скорость передачи данных в сети HSDPA составляет 8 Мбит/с, а средняя -1 - 1,5 Мбит/с. При такой производительности на HSDPA-телефоне можно будет смотреть сразу восемь цифровых кинофильмов.

С телефонной мобильной связью конкурирует альтернативная технология беспроводной связи, пришедшая из компьютерного мира - Wi-Fi и WiMax (скорость передачи до 70 Мбит/с).

По методу передачи кодовых слов цифровые каналы делят на параллельные, последовательные и последовательно-параллельные.

При передаче аналоговых сигналов для повышения помехозащищённости применяют различные виды модуляции. Модуляция (от лат. modulatio - верность, размеренность) - процесс перехода от кодовых символов к элементам сигнала. В аналоговых каналах связи с несущей частотой (радиоканал) применяют амплитудную (AM), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) модуляцию. В цифровых каналах связи последовательного типа используют различные виды времяимпульсной модуляции: амплитудно-импульсную (АИМ), широтноимпульсную (ШИМ), фазоимпульсную (ФИМ), импульсно-кодовую (ИКМ), а также импульсно-счётную (ИСМ), дельта-модуляцию (5-М), дифференциальную импульсно-кодовую (ДИКМ) и другие. Как указывалось выше, в последнее время всё чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму (речь, музыка, телевизионное изображение и т.п.), передают по каналам связи в дискретном (цифровом) виде. Такой процесс преобразования аналогового сигнала в дискретный называется дискретной модуляцией.

По степени защищённости канал может быть незащищённый, защищённый от помех, защищённый от помех передаваемого кода и защищённый от несанкционированного доступа.

По направлению передачи канал может быть симплексный, дуплексный и полудуплексный.

Симплексная связь обеспечивает передачу данных только в одном направлении, например, от датчика измерительной системы - в компьютер.

Дуплексный (от лат. dublex - двойной) канал связи обеспечивает одновременную передачу данных как в прямом, так и в обратном направлении.

Полудуплексная связь обеспечивает передачу данных как в прямом, так и в обратном направлении, однако в каждый данный момент времени передача возможна только в одном направлении. При такой связи каждый объект должен иметь возможность переключаться из состояния передачи в состояние приёма и обратно. Помните, «Ромашка, ромашка, перехожу на приём».

По методу работы каналы делят на селекторные и мультиплексорные.

Селекторный (от лат. selector - сортировщик) канал связи предназначен для подключения только одного устройства.

Мультиплексорный канал связи одновременного обслуживает нескольких параллельно работающих устройств.

По структуре связей каналы бывают односвязные, соединяющие между собой два устройства, разветвлённые, в которых одно устройство может быть связано с каждым из нескольких пунктов, и сетевые, обеспечивающие единую связь между любыми двумя устройствами системы.

В соответствии с международным стандартом разработаны рекомендации по скоростям передачи данных. В частности, для телеграфных каналов связи установлены скорости передачи 50, 100 и 200 бит/с, для телефонных каналов связи - 200, 600, 1200, 1800, 2400, 300, 3600 бит/с и далее по закону 600-2", где п = 3, 4, 5 ...

По виду используемой среды канал связи может быть проводным, кабельным, волноводным, радиоканалом, инфракрасным, мобильным и волоконно-оптическим.

Проводные линии связи представляют собой провода без каких-либо оплёток, висящие в воздухе. Они передают телефонные и телеграфные сигналы, их видно из любого окна, но в последнее время они активно вытесняются кабельными (от гол. kabel - канат, трос).

Кабельные линии состоят из проводников, заключённых между несколькими слоями изоляции: электрической, электромагнитной, механической. Коаксиальный кабель состоит из медного провода (жилы), окружённого слоем изоляции и оплёткой. Оплётка играет роль земли и экранирует жилу от внешних помех. Его применяют для создания локальных и глобальных сетей, кабельного телевидения. Тонкий кабель (диаметр около 5 мм) передаёт сигнал без значительных потерь на расстояние около 200 м, а толстый (диаметр около 10 мм) - до 500 м.

Широко используется кабель «витая пара», который представляет собой пару медных скрученных проводов в изоляции. Скручивание проводов существенно снижает влияние помех на полезный сигнал, в том числе наводимых соседним проводом. Длина линии связи неэкранированной витой пары составляет 100 м. Кабель, состоящий из четырёх витых пар, способен передавать данные со скоростью 100 Мбит/с.

Волноводный канал представляет собой волновод, т.е. полую или частично заполненную диэлектриком металлическую трубу или стержень из диэлектрика, по которому распространяются электромагнитные колебания с длиной волны 0,2 - 30 см.

Радиоканал организуют с использованием передатчика и приёмника радиоволн. В диапазонах ДВ, СВ и КВ с AM обеспечивается дальняя радиосвязь при невысокой скорости передачи данных. В диапазонах УКВ и СВЧ (более 4 ГГц) с ЧМ передача является более скоростной, но только в пределах прямой видимости, поэтому она применяется для спутниковой и релейной радиосвязи.

В беспроводных мобильных сетях в качестве среды передачи используют телефонные сети и общедоступные службы. При этом применяют пакетное радио-соединение, сотовые сети и спутниковое вещание. В случае пакетного радиосоединения данные разбивают на пакеты, в которых имеется адрес источника, адрес приёмника и информация об ошибке. Пакеты передаются на спутник, который транслирует их в радиовещательном режиме. Сотовые цифровые пакеты данных (CDPD Cellular Digital Packet Data) используют ту же технологию, что и сотовые телефоны. Они передают данные по существующим сетям в те моменты времени, когда сеть не занята. Это очень быстрая технология связи с задержкой в доли секунды, что делает её вполне приемлемой для передачи в режиме реального времени.

Инфракрасные беспроводные сети используют для передачи данных инфракрасные лучи. Правда, длина передачи невелика - до 30 м, зато скорость передачи данных может составлять 100 Мбит/с. Существует четыре типа инфракрасных сетей: сети прямой видимости, на отражённом и рассеянном излучении, а также модулированные оптические сети. ПК сети, к сожалению, подвержены помехам со стороны сильных источников света. В качестве примера ПК сетей можно привести всем знакомые пульты управления телевизоров, видеомагнитофонов, технологию Bluetooth и т.п.

Волоконный световод представляет собой гибкую нить (волокно) с сердцевиной из высокопрозрачного диэлектрика, окружённого оболочкой с показателем преломления меньшим, чем у сердцевины. Направленная передача световой энергии в нём происходит вследствие явления полного внутреннего отражения света на границе раздела между сердцевиной и оболочкой.

Волоконные световоды - наиболее качественный тип кабеля:

  • - благодаря малым потерям и широкополосности обеспечивается возможность высококачественной передачи данных на большие расстояния;
  • - световоды отличает высокая стойкость к воздействию окружающей среды - огню, влаге, химическим веществам и т.п.;
  • - они не проводят электрический ток и по этой причине не обладают свойством индукции, не подвержены действию электромагнитных помех;
  • - благодаря высоким изоляционным свойствам на них не влияет разность потенциалов, они не искрят и взрывобезопасны;
  • - очень тонки, легки и гибки;
  • - долговечны;
  • - имеют неограниченные природные ресурсы для их производства.

Волоконно-оптические системы позволяют передавать информацию со скоростью в 100 тысяч раз больше, чем самые лучшие системы радиосвязи. В настоящее время все континенты на Земле связаны между собой подводными волоконно-оптическими кабелями связи, общая длина которых достаточна, чтобы обмотать земной шар шесть раз. Большая часть информации между континентами передаётся на сегодняшний день по волоконно-оптическим световодам, а не через спутниковую связь.

В настоящее время по волоконным световодам можно передавать информацию со скоростью до 1 Тбит/с (1-Ю12 бит/с).

Волоконно-оптическая связь бурно развивается. Мировое производство волоконных световодов составило в 2001 году 70 млн. км. Скорость передачи информации в экспериментальных волоконно-оптических системах связи составила фантастическую величину 10 Тбит/с. Такая высокая скорость достигнута за счёт так называемого спектрального уплотнения каналов, т.е. передачи по одному волоконному световоду нескольких сотен независимых каналов, отличающихся длиной волны несущего излучения.

Полоса пропускания телефонных каналов связи составляет 300 - 3400 Гц, радиовещательных 30 Гц - 15 кГц, телевизионных 50 Гц - 5 МГц, оптоволоконных - до нескольких сотен МГц.

Основная классификация функций систем связи соответствует семиуровневой модели OSI (ВОС - взаимодействие открытых систем), разработанной ИСО (ISO -международная организация по стандартизации).

Физический уровень 1 имеет отношение к физическим, электрическим, функциональным и процедурным характеристикам для организации, обслуживания и отключения физической линии. Он управляет передачей битов.

Канальный уровень 2 обеспечивает надёжную посылку блоков данных (кадров) по физической линии. Уровень выполняет следующие функции:

  • - кодирование блока;
  • - обнаружение ошибок передачи;
  • - исправление ошибок;
  • - контроль доступа нескольких станций к одной физической линии;
  • - адресация каналов передачи данных.

Сетевой уровень 3 относится к передаче блоков данных (пакетов) в сеть передачи данных или через неё.

Уровень управляет:

  • - адресацией сети;
  • - виртуальными цепями;
  • - разделением пакетов, если этого требует сеть передачи;
  • - обеспечением того, чтобы пакеты были представлены в порядке следования (когда запрашиваются транспортным уровнем);
  • - маршрутизацией пакетов.

Транспортный уровень 4 разработан для обеспечения прозрачной, надёжной, дешёвой передачи сообщений между пользователями.

Уровень управляет:

  • - сквозным контролем для предупреждения потерь или дублирования сообщений;
  • - контролем потока;
  • - сквозным контролем последовательности;
  • - адресацией транспортных услуг пользователя;
  • - мультиплексированием транспортных соединений;
  • - сборкой и разборкой сообщений в потоке.

Уровень 4 разработан для обеспечения стандартного интерфейса пользователей с транспортными услугами.

Сервисный уровень 5 стандартизует процесс установки связи между двумя пользователями.

Он связан с выполнением следующих функций:

- установкой правил диалога (кто, когда и как долго говорит);

  • - нормальным порядком завершения (окончания);
  • - восстановлением сеанса без потери данных в случае прерывания передачи.

Уровень представления 6 обеспечивает общее представление (изображение) данных, используемых между местным и удалённым пользователем. Этот уровень определяет элементы данных и структуры и осуществляет, при необходимости, преобразование. Он обеспечивает правила интерпретации синтаксиса передаваемых данных.

Прикладной уровень 7 обеспечивает взаимодействие прикладных программ.

Сжатие или компрессия (от лат. compressio - сжатие) данных - это сокращение объёма данных, передаваемых по каналу связи или вводимых в память. Основой сжатия данных является лаконичное представление информации. Спектральный состав поступающей информации обычно неизвестен. Поэтому её передача осуществляется так, чтобы обеспечить количество данных, необходимое для воспроизведения более широкой полосы частот, чем полоса частот реального сигнала. Например, если наивысшая частота, содержащаяся в передаваемом сигнале, равна сотах, то частота квантования а>к по времени берётся в соответствии с теоремой Котельникова (В.А.Котельников - советский радиотехник, 1908 - 2005) равной сок = соф, где а)ф» а>тах. В результате возникает статистическая избыточность данных.

Статистическое сжатие данных состоит в уменьшении статистической избыточности. Существует также семантическая (от греч. суєцосутіхосг - обозначающий) избыточность, зависящая от получателя данных.

На сжатие данных передающая сторона тратит дополнительное время, к которому нужно ещё прибавить аналогичные затраты времени на разворачивание этих данных принимающей стороной, поэтому выгоды от сокращения на передачу сжатых данных обычно заметны только для низкоскоростных каналов (до 64 кбит/с).

Статическая компрессия обеспечивает предварительное сжатие данных, например, с помощью архиваторов ARJ, RAR, WinZip.

Существующие алгоритмы сжатия информации можно разделить на две большие группы:

  • - алгоритмы сжатия без потерь: алгоритм Лемпеля-Зива (Lempel-Ziv, LZ), RLE (Run Length Encoding), кодирование Хаффмана (Huffman);
  • - алгоритмы сжатия с потерями: JPEG (Joint Photographic Expert Group), M-JPEG, MPEG (Motion Picture Expert Group).

Для передачи данных по каналу связи используют модем (Модулятор-ДЕМодулятор) - устройство преобразования последовательных цифровых сигналов в аналоговые и наоборот.

Модем имеет два интерфейса: с аналоговой линией и с оконечным устройством (рис. 5.5.1).

Простейшей сетью с использованием модемов является двухточечный телефонный канал, в котором два модема соединены («точка-точка») линией связи (рис. 5.5.2). Существует два типа телефонных линий, по которым можно осуществлять модемную связь:

  • - каналы общедоступной коммутируемой телефонной связи (коммутируемые линии);
  • - арендуемые (выделенные) линии.

По режиму работы модемы бывают:

- асинхронные, которые работают в режиме асинхронной стопстартной позначной передачи. Такие модемы являются низкоскоростными;

  • - синхронные (от греч. cy|/v%r|povo(y - одновременный), когда модем генерирует сигналы синхронизации и данные передаются блоками;
  • - асинхронно-синхронные, которые могут осуществлять асинхронную и синхронную передачу данных.

Асинхронно-синхронные и синхронные модемы работают только с фиксированными скоростями передачи.

Модемный Телефонный

интерфейсный кабель интерфейсный кабель

телефонной линии

Рис. 5.5.1. Интерфейсы модема

Линия связи

Двухточечный канал связи

Рис. 5.5.2. Двухточечный канал связи

Любой модем, работающий с 4-проводной 2-точечной линией, использует одну пару проводов для передачи, а вторую - для приёма и, следовательно, может работать в дуплексном режиме. Модемы, работающие с 4-проводной многоточечной линией, работают только в полудуплексном режиме. Модемы, имеющие только синхронный режим, работают на 4-проводной 2-точечной некоммутируемой линии, при этом одно коммутируемое соединение обеспечивает полудуплексный режим, а двойное коммутируемое соединение - дуплексный режим.

Асинхронно-синхронные модемы работают на 2-проводных линиях (либо выделенных, либо коммутируемых), и все они могут работать в дуплексном режиме.

Модемы имеют два стандартных физических интерфейса:

  • - последовательный интерфейс передачи данных RS-232;
  • - интерфейс с телефонной линией RJ-11.

Для организации быстрой и качественной связи можно воспользоваться линиями цифровой службы передачи данных (DDS - Digital Data Service). Цифровые линии доступны в различных формах, включая DDS, Т1, ТЗ, Т4 и Switched 56, при этом не требуется использование модемов. Самая распространённая из них - Т1 позволяет дуплексно передавать данные, речь, видеосигналы со скоростью 1,544 Мбит/с.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >