Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл - Компьютерные сети (1114668), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Диапазон частот отдельных сигналов будет начинатьсясо значения, отличного от нуля, но это не играет никакой роли. Полоса пропускания — это все также некий разрешенный диапазон частот, и возможность передачиинформации зависит только от его ширины, но не от начального и конечного значениячастот. Сигналы, передающиеся в диапазоне частот от 0 и до верхней границы полосы,называются модулирующими сигналами. Сигналы, которые сдвигаются в верхнийдиапазон частот, как, например, для всех видов беспроводной передачи данных, называются сигналами в полосе.Теперь посмотрим, как будет выглядеть сигнал, изображенный на рис. 2.1, а, еслиполоса пропускания канала будет такой, что через него будут проходить только самыенизкие частоты (то есть функция g(t) будет аппроксимирована лишь несколькимипервыми членами рядов выражения (2.1)).
На рис. 2.1, б показан сигнал на выходеканала, пропускающего лишь первую (основную, f ) гармонику сигнала. Аналогично,рис. 2.1, в–д показывают спектры и восстановленные сигналы для каналов с болееширокой полосой пропускания. Что касается цифровых данных, то главная задача —передавать их с минимальным качеством, позволяющим восстановить первоначальнуюпоследовательность битов. Для этого достаточно сигнала, показанного на рис. 2.1, д;следовательно, совершенно не нужно тратить ресурсы и использовать большее количество гармоник для получения более точной копии.При заданной скорости передачи в битах, равной b бит/с, время, требуемое дляпередачи, скажем, 8 бит, будет равно 8/b секунд.
Таким образом, частота первой гармоники равна b/8 Гц. Обычная телефонная линия, часто называемая речевым каналом,имеет искусственно созданную частоту среза около 3000 Гц. Это ограничение означает,что номер самой высокой гармоники, прошедшей сквозь телефонный канал, примерно(срез не очень крутой) равен 3000/(b/8) или 24 000/b.Для некоторых скоростей передачи данных эти значения показаны в табл. 2.1. Изприведенных данных ясно, что попытка передать по речевому каналу данные на скорости 9600 бит/с превратит сигнал, показанный на рис. 2.1, а, в нечто подобное рис. 2.1, в,что сделает прием исходного потока битов с приемлемым качеством практическиневозможным. Очевидно, что у сигналов, передаваемых со скоростью 38 400 бит/си выше, нет никаких шансов пройти через речевой канал, даже при полном отсутствии110 Глава 2. Физический уровеньпомех на линии. Другими словами, ограничение полосы пропускания частот каналаограничивает его пропускную способность для передачи двоичных данных даже дляидеальных каналов.
Однако схемы, использующие несколько уровней напряжений,существуют и позволяют достичь более высоких скоростей передачи данных. Мыобсудим это ниже в этой главе.Таблица 2.1. Соотношение между скоростью передачи данных и числом гармоникдля нашего примераБит/сT, мс1-я гармоника, ГцКоличество пропускаемых гармоник30026,6737,58060013,33754012006,671502024003,333001048001,67600596000,831200219 2000,422400138 4000,2148000С термином «полоса пропускания» связано множество недоразумений, так как дляинженеров-электриков и компьютерных специалистов он означает разные вещи. Дляинженера-электрика (аналоговая) полоса пропускания, как уже говорилось выше,это значение в герцах, указывающее ширину диапазона частот.
Для компьютерногоспециалиста (цифровая) полоса пропускания — это максимальная скорость данныхв канале, то есть значение, измеряемое в битах в секунду. Фактически скорость данныхопределяется аналоговой полосой пропускания физического канала, применяемогодля передачи цифровой информации, и эти два показателя связаны, как мы увидимдалее.
В этой книге будет понятно из контекста, какой термин имеется в виду в каждомконкретном случае — аналоговая (Гц) или цифровая (бит/с) полоса пропускания.2.1.3. Максимальная скорость передачи данныхчерез каналВ 1924 году американский ученый Х. Найквист (H. Nyquist) из компании AT&T пришел к выводу, что существует некая предельная скорость передачи даже для идеальныхканалов. Он вывел уравнение, позволяющее найти максимальную скорость передачиданных в бесшумном канале с ограниченной полосой пропускания частот. В 1948 годуКлод Шеннон (Claude Shannon) продолжил работу Найквиста и расширил ее дляслучая канала со случайным (то есть термодинамическим) шумом. Это важнейшаяработа во всей теории передачи информации.
Мы кратко рассмотрим результатыработы Найквиста и Шеннона, ставшие сегодня классическими.Найквист доказал, что если произвольный сигнал прошел через низкочастотныйфильтр с полосой пропускания B, то такой отфильтрованный сигнал может быть полностью восстановлен по дискретным значениям этого сигнала, измеренным с частотой2.1.
Теоретические основы передачи данных 1112B в секунду. Производить измерения сигнала чаще, чем 2B в секунду, нет смысла, таккак более высокочастотные компоненты сигнала были отфильтрованы. Если сигналсостоит из V дискретных уровней, то уравнение Найквиста будет выглядеть так:максимальная скорость передачи данных = 2B log2V, бит/с.Так, например, бесшумный канал с частотой пропускания в 3 кГц не может передавать двоичные (то есть двухуровневые) сигналы на скорости, превосходящей6000 бит/с.Итак, мы рассмотрели случай бесшумных каналов.
При наличии в канале случайного шума ситуация резко ухудшается. Уровень термодинамического шума в каналеизмеряется отношением мощности сигнала к мощности шума и называется отношением сигнал/шум. Если обозначить мощность сигнала S, а мощность шума — N, тоотношение сигнал/шум будет равно S/N. Обычно величина отношения выражаетсячерез ее десятичный логарифм, умноженный на 10: 10 lg S/N, так как ее значение может меняться в очень большом диапазоне. Единица такой логарифмической шкалыназывается децибелом (decibel, dB, дБ); здесь приставка «деци» означает «десять»,а «бел» — это единица измерения, названная в честь изобретателя телефона Александра Грэма Белла.
Таким образом, отношение сигнал/шум, равное 10, соответствует10 дБ, отношение, равное 100, равно 20 дБ, отношение, равное 1000, равно 30 дБ и т. д.Производители стереоусилителей часто указывают полосу частот (частотный диапазон), в которой их аппаратура имеет линейную амплитудно-частотную характеристикув пределах 3 дБ. Отклонение в 3 дБ соответствует ослаблению сигнала примерно в двараза (потому что 10 log100,5 ≈ –3).Главным результатом, который получил Шеннон, было утверждение о том, чтомаксимальная скорость передачи данных или емкость канала с полосой частот B Гци отношением сигнал/шум, равным S/N, вычисляется по формуле:максимальная скорость передачи данных = B log2(1 + S/N), бит/с.Это наилучшее значение емкости, которое можно наблюдать для реального канала.Например, полоса пропускания канала ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line,ассиметричная цифровая абонентская линия), по которому осуществляется доступв Интернет через телефонные сети, равна приблизительно 1 МГц.
Отношение сигнал/шум в значительной степени зависит от расстояния между компьютером пользователя и телефонной станцией. Для коротких линий длиной от 1 до 2 км очень хорошимсчитается значение около 40 дБ. С такими характеристиками канал никогда не сможетпередавать более 13 Мбит/с, независимо от способа модуляции сигнала, то есть количества используемых уровней сигнала, частоты дискретизации и т. д. Поставщикиуслуг заявляют скорость передачи данных до 12 Мбит/с, однако пользователям редкоудается наблюдать такое качество передачи данных. Тем не менее это великолепныйрезультат для шестидесяти лет развития технологий передачи информации, в течениекоторых произошел огромный скачок от емкости каналов, характерной для временШеннона, и до существующей в современных реальных сетях.Результат, полученный Шенноном и подкрепленный постулатами теории информации, применим к любому каналу с Гауссовским (термальным) шумом.
Попыткидоказать обратное заранее обречены на провал. Для того чтобы добиться в каналеADSL скорости, превышающей 13 Мбит/с, необходимо либо улучшить отношение112 Глава 2. Физический уровеньсигнал/шум (например, добавив цифровые повторители в линии передачи данных,подходящие к компьютерам пользователей), либо расширить полосу пропускания,как это сделано в новой версии технологии, ADSL2+.2.2. Проводниковые средыпередачи информацииНазначением физического уровня сети является передача битов от одной машинык другой. Для передачи могут использоваться различные физические носители информации, называемые также средой распространения сигнала.
Каждый из них имеетхарактерный набор полос пропускания, задержек, цен и простоты установки и использования. Среды передачи информации можно разделить на две группы: проводниковые среды, такие как медный провод и оптоволоконный кабель, и беспроводные,например предназначенные для наземной беспроводной и спутниковой связи, а такжепередача по лазерному лучу без кабеля. Мы рассмотрим проводниковые среды в этомразделе, а беспроводные — в последующих.2.2.1. Магнитные носителиОдин из самых простых способов перенести данные с одного компьютера на другой —записать их на магнитную ленту или другой съемный носитель (например, перезаписываемый DVD), физически перенести эти ленты и диски к пункту назначенияи там прочитать их.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
