Виды и характеристики носителей и сигналов

Раздел 4. Сетевые технологии обработки данных

Лекция 14 Основные виды носителей информации и их

Характеристики

Виды и характеристики носителей и сигналов.

Модуляция и кодирование.

Спектры сигналов.

Методы повышения помехоустойчивости передачи и приема

Информации

Литература: 1. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное

пособие. В 3 томах. Том 1 – Современные технологии /

Б.И.Крук, В.Н.Попантонопуло, В.П.Шувалов; под ред.

проф. В.П.Шувалова. – Изд. 3-е, испр. и доп. – М.:

Горячая линия – Телеком, 2003.

Виды и характеристики носителей и сигналов

Как известно, чтобы доставить (перенести) сообщение, содержащее информацию, от источника к потребителю (приемнику), необходим какой-либо материальный носитель. Например, при передаче сообщения по почте таким носителем служит бумага. При передаче сообщений в среде информационно-вычислительных сетей в качестве носителей используются сигналы. Причем физическая природа сигналов в отдельных элементах сети, как правило, различна: внутри компьютера сигналы имеют вид изменяющихся статических уровней токов (напряжений) (рисунок 1, а) либо последовательностей коротких импульсов (рисунок 1, б), формируемых в пределах тактовых интервалов Т, а в

Рисунок 1 – Потенциальное и импульсное представление сообщений

линиях связи вне компьютера сигналы чаще всего представляют электрическими (в проводных линиях связи), электромагнитными (в радиолиниях связи) колебаниями или изменяющимся во времени световым потоком (в оптоволоконных линиях связи). В линиях связи локальных сетей (ограниченных длиной в несколько сот метров) также применяются импульсные сигналы. Такое разнообразие используемых в компьютерной технике сигналов является не чьей-либо прихотью, а вынужденной мерой. В первую очередь это связано с тем, что различные среды передачи сигналов имеют существенно отличающиеся электрические характеристики, влияющие на качество передачи тех или иных видов сигналов.

Главное отличие внешних линий связи от внутренних состоит в их гораздо большей протяженности, а также в том, что они проходят вне экранированного корпуса по пространствам, зачастую подверженным воздействию сильных электромагнитных помех. Если в качестве переносчика сообщений в таких линиях использовать прямоугольные импульсы, все то, о чем сказано выше, приводит к значительно большим иска­жениям импульсов (например, «заваливанию» фронтов), чем внутри компьютера. Поэтому для надежного распознавания импульсов на приемном конце линии связи при передаче данных внутри и вне компьютера не всегда можно ис­пользовать одни и те же скорости и способы кодирования.

Например, медленное нарастание фронта импульса из-за высокой емкостной нагрузки линии связи требует передачи импульсов с меньшей скоростью (чтобы передний и задний фронты соседних импульсов не перекрывались, и импульс успел дорасти до требуемого уровня).

На способ передачи сигналов влияет и количество проводов в линиях связи между компьютерами. Для сокращения стоимости линий связи в сетях обычно стремятся к сокращению количества проводов и из-за этого используют не парал­лельную передачу всех бит одного байта или даже нескольких байт, как это делает­ся внутри компьютера, а последовательную, побитную передачу, требующую всего одной пары проводов.

Еще одной проблемой, которую нужно решать при передаче сигналов, является проблема взаимной синхронизации передатчика одного компьютера с приемником другого. При организации взаимодействия модулей внутри компьютера эта про­блема решается очень просто, так как в этом случае все модули синхронизируются от общего тактового генератора. Проблема синхронизации при связи компьютеров может решаться разными способами, как с помощью обмена специальными такто­выми синхроимпульсами по отдельной линии, так и с помощью периодической синхронизации заранее обусловленными кодами или импульсами характерной формы, отличающейся от формы импульсов данных.

При выборе вида сигнала для передачи сообщений в сети в первую очередь необходимо учитывать такие характеристики линии связи, как полоса пропускания и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Например, при использовании проводной (телефонной) линии связи не могут быть использованы импульсные сигналы, так как они являются широкополосными (занимают диапазон частот от единиц Гц до сотен МГц), а полоса пропускания двухпроводной телефонной линии очень ограничена (рисунок 2).

Рисунок 2 – АЧХ канала тональной частоты

Как видно из рисунка, по такому каналу без искажений можно передавать частоты в диапазоне от 300 до 3400 Гц. И хотя че­ловеческий голос имеет гораздо более широкий спектр – примерно от 50 … 100 Гц до 8 … 10 кГц, – для приемлемого качества передачи речи диапазон в 3100 Гц является неплохим (с точки зрения стоимости) решением. Диапазон частот 300 … 3400 Гц принят Международным союзом электросвязи в качестве границ эффективного спектра речи. Но если по двухпроводной линии связи передавать импульсные сигналы, они будут претерпевать сильное затухание (в результате подавления высших частотных составляющих). Именно по этой причине в модемах (подключаемых к проводным линиям связи) предусмотрена аналоговая (амплитудная, частотная или фазовая) модуляция сигнала.

Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо частоты приводит, в конечном счете, к искажению передаваемого сигнала любой формы, особенно если синусоиды различных частот искажаются неодинаково. Если это аналоговый сиг­нал, передающий речь, то изменяется тембр голоса за счет искажения обертонов – боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютер­ных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результа­те фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму (рисунок 3). Вследствие этого на приемном конце линии сигналы могут плохо распознаваться.

Линия связи искажает передаваемые сигналы из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных. Так, например, медные провода всегда пред­ставляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного со­противления, емкостной и индуктивной нагрузки. В результате для синусоид различных частот линия будет обладать различным полным сопротивлением, а зна­чит, и передаваться они будут по-разному. Волоконно-оптический кабель также име­ет отклонения, мешающие идеальному распространению света. Если линия связи включает промежуточную аппаратуру, то она также может вносить дополнительные искажения, так как невозможно создать устройства, которые бы одинаково хорошо передавали весь спектр синусоид, от нуля до бесконечности.

Рисунок 3 – Различия в сигналах на входе и выходе проводной

(кабельной) линии связи

Модуляция и кодирование

При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования – на основесинусоидального несущего сигнала и на основепоследовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется так­же модуляцией или аналоговой модуляцией,подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Термины «модуляция» и «кодирование» часто используют как синонимы. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.

При использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигна­ла получается весьма широким. Применение синусоиды приво­дит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информа­ции. Однако для реализации синусоидальной модуляции требуется более сложная и дорогая аппаратура, чем для реализации прямоугольных импульсов.

В информационно-вычислительных сетях цифровое кодирование применяется на каналах высоко­го качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее в том случае, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналого­вые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи им­пульсов.