Э. Таненбаум - Компьютерные сети. (4-е издание) (PDF) (1130118), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Мы изучим основы ключевых технологий передачиданных, применяемых в современных сетях.Оставшаяся часть главы посвящена трем примерам систем связи, которые используются на практике в глобальных сетях. Мы начнем с телефонной системы(стационарной); второй пример — мобильная телефонная система; третий - кабельное телевидение. Все они на уровне магистралей используют оптоволокно,но организованы по-разному, а по мере приближения к конечному пользователюв них применяются все более отличающиеся друг от друга технологии.sm(2nkft)sin(2nnft)dt =О при k Ф п,Т/2 при k = п,остается только один член ряда: ап.
Ряд Ъп исчезает полностью. Аналогично, умножая уравнение (2.1) на cos (2nkft) и интегрируя по времени от 0 до Т, мы можемвычислить значения Ъп. Если проинтегрировать обе части уравнения, не изменяяего, то можно получить значение константы с. Результаты этих действий будутследующими:а„ =^\g(t)sm(2nnft)dt,bn = ^\ g(t)cos(2nnft)dt, с = ?-)g(t)dt.Сигналы с ограниченным спектромЧтобы понять, какое отношение все вышеизложенное имеет к передаче данных,рассмотрим конкретный пример — передачу двоичного кода ASCII символа «Ь».Для этого потребуется 8 бит (то есть 1 байт). Задача — передать следующую после-Теоретические основы передачи данных115117Глава 2. Физический уровеньювательность бит: 01100010. На рис.
2.1, а слева изображена зависимость выходioro напряжения от времени на передающем компьютере. В результате анализа£урье для данного сигнала получаем следующие значения коэффициентов:ап = — [cos(7m/4) - COS(3TI«/4) +nnCOS(6TOT/4)- cos(7nn/4)];bn = — [sin(37tn/4) -sm(nn/A) + sin(7roi/4) -sin(67tn/4)];nn'0с = 3/4.01 110,500,25IВремя —>•iiiIii ro 1 2 3 4 5 6 7 8 91011 12 131415<^Номер гармоники1 гармоникаих квадраты пропорциональны энергии, передаваемой на соответствующей частоте.Ни один канал связи не может передавать сигналы без потери мощности.Если бы все гармоники ряда Фурье уменьшались при передаче в равной степени, то сигнал уменьшался бы по амплитуде, но не искажался (то есть у негобыла бы та же самая замечательная прямоугольная форма, как на рис. 2.1, а).К сожалению, все каналы связи уменьшают гармоники ряда Фурье в разной степени, тем самым искажая передаваемый сигнал.
Как правило, амплитуды передаются без уменьшения в частотном диапазоне от 0 до некоей частоты/с (измеряемой в периодах в секунду или герцах (Гц)), при этом высокочастотнаясоставляющая сигнала (выше частоты fc, называемой частотой среза) заметноослабляется. Этот диапазон частот называется полосой пропускания. На практике срез вовсе не является таким резким, поэтому обычно в упомянутую полосу пропускания включают те частоты, которые передаются с потерей мощности, не превышающей 50 %.Полоса пропускания является физической характеристикой среды передачиданных и зависит обычно от конструкции, толщины и длины носителя. Иногдадля намеренного уменьшения полосы пропускания, доступной абонентам, в линию включается специальное устройство — фильтр.
Например, кабель, используемый в телефонии при небольших расстояниях, имеет полосу пропускания, равную1 МГц, однако телефонные компании с помощью частотных фильтров урезаютее, предоставляя пользователям лишь 3100 Гц. Такой полосы, впрочем, вполнехватает для отчетливой передачи речи, зато за счет уменьшения расходуемых каждым абонентом ресурсов повышается общая эффективность системы.Теперь посмотрим, как будет выглядеть сигнал, изображенный на рис. 2.1, а,если полоса пропускания канала будет такой, что через него будут проходитьтолько самые низкие частоты (то есть функция g(t) будет аппроксимирована лишьнесколькими первыми членами рядов уравнения (2.1)).
На рис. 2.1, б показансигнал на выходе канала, пропускающего лишь первую (основную, /) гармоникусигнала. Аналогично, рис. 2.1, в-d показывают спектры и восстановленные сигналы для каналов с более широкой полосой пропускания.При заданной скорости передачи в битах, равной Ъ бит/с, время, требуемоедля передачи, скажем, 8 бит, будет равно 8/Ь секунд. Таким образом, частота первой гармоники равна 6/8 Гц. Обычная телефонная линия, часто называемая речевым каналом, имеет искусственно созданную частоту среза около 3000 Гц. Этоограничение означает, что номер самой высокой гармоники, прошедшей сквозьтелефонный канал, примерно (срез не очень крутой) равен 3000/(6/8) и л и24 000/6.Для некоторых скоростей передачи данных эти значения показаны в табл.
2.1.Из приведенных данных ясно, что попытка передать по речевому каналу данныена скорости 9600 бит/с превратит сигнал, показанный на рис. 2.1, в, в нечто подобное рис. 2.1, в, что сделает прием исходного потока битов с приемлемым качеством практически невозможным. Очевидно, что у сигналов, передаваемых соскоростью 38 400 бит/с и выше, нет никаких шансов пройти через речевой канал,Даже при полном отсутствии помех на линии. Другими словами, ограничение по-NataHaus.RU2 гармоники124 гармоникиJ_L12 3 48 гармоник12 3 4 5 6 7 8ВремяНомер гармоникиРис.
2 . 1 . Двоичный сигнал и его среднеквадратичные гармоники Фурье (а);последовательные приближения к оригинальному сигналу (б-д)Среднеквадратичные амплитуды -<Jal + b% для нескольких первых гармоникпоказаны на рис. 2.1, а справа. Эти значения представляют интерес, поскольку118Глава 2. Физический уровеньУправляемые носители информациилосы пропускания частот канала ограничивает его пропускную способность дляпередачи двоичных данных, даже для идеальных каналов.
Однако схемы, использующие несколько уровней напряжений, существуют и позволяют достичь болеевысоких скоростей передачи данных. Мы обсудим это далее в этой главе.Таблица 2 . 1 . Соотношение между скоростью передачи данных и числом гармоник1-я гармоника, ГцСкорость,бит/сТ, мс30026,6737,58060013,33754012006,671502024003,333001048001,67600596000,8312002Количество пропускаемыхгармоник19 2000,422400138 4000,2148000Максимальная скорость передачи данныхчерез канал119шума — N, то отношение сигнал/шум будет равно S/N. Обычно сама величинаотношения не употребляется.
Вместо нее используется ее десятичный логарифм,умноженный на 10: 10 lg S/N. Такая единица называется децибелом (decibel, dB,дБ). Таким образом, если отношение сигнал/шум 10, это соответствует 10 дБ,отношение 100 равно 20 дБ, отношение 1000 равно 30 дБ и т. д. Производителистереоусилителей часто указывают полосу частот (частотный диапазон), в котором их аппаратура имеет линейную амплитудно-частотную характеристику впределах 3 дБ. Отклонение в 3 дБ соответствует ослаблению сигнала примернов два раза (потому что Iog103 « 0,5).Главным результатом, который получил Шеннон, было утверждение о том,что максимальная скорость передачи данных в канале с полосой частот Я Гци отношением сигнал/шум, равным S/N, можно вычислить по формулемаксимальная скорость передачи данных = Я log2(l+5/7V).Например, канал с частотной полосой пропускания в 3000 Гц и отношением мощностей сигнала и термального шума в 30 дБ (обычные параметры дляаналоговой части телефонной системы) никогда не сможет передавать более30 000 бит/с, независимо от способа модуляции сигнала, то есть количества используемых уровней сигнала, частоты дискретизации и т.
д. Результат, полученный Шенноном и подкрепленный постулатами теории информации, применим клюбому каналу с гауссовским (термальным) шумом. Попытки доказать обратноеследует считать обреченными не провал. Однако следует заметить, что даннаятеорема описывает верхний, теоретический предел пропускной способности информационного канала, и реальные системы редко достигают его.NataHaus.RUВ 1924 году американский ученый X.
Найквист (Н. Nyquist) из компании AT&Tпришел к выводу, что существует некая предельная скорость передачи даже дляидеальных каналов. Он вывел уравнение, позволяющее найти максимальнуюскорость передачи данных в бесшумном канале с ограниченной полосой пропускания частот. В 1948 году Клод Шеннон (Claude Shannon) продолжил работуНайквиста и расширил ее для случая канала со случайным (то есть термодинамическим) шумом. Мы кратко рассмотрим результаты работы Найквиста и Шеннона, ставшие сегодня классическими.Найквист доказал, что если произвольный сигнал прошел через низкочастотный фильтр с полосой пропускания Я, то такой отфильтрованный сигнал можетбыть полностью восстановлен по дискретным значениям этого сигнала, измеренным с частотой 2# в секунду.
Производить измерения сигнала чаще, чем 2Я всекунду, нет смысла, так как более высокочастотные компоненты сигнала былиотфильтрованы. Если сигнал состоит из У дискретных уровней, то уравнение Найквиста будет выглядеть так:максимальная скорость передачи данных = 2H\og2V, бит/сТак, например, бесшумный канал с частотой пропускания в 3 кГц не можетпередавать двоичные (то есть двухуровневые) сигналы на скорости, превосходящей 6000 Кбит/с.Итак, мы рассмотрели случай бесшумных каналов. При наличии в канале случайного шума ситуация резко ухудшается. Уровень термодинамического шума вканале измеряется отношением мощности сигнала к мощности шума и называется отношением сигнал/шум.
Если обозначить мощность сигнала S, а мощностьУправляемые носители информацииНазначением физического уровня сети является передача необработанного потокабитов от одной машины к другой. Для передачи могут использоваться различныефизические носители информации, называемые также средой распространениясигнала. Каждый из них имеет характерный набор полос пропускания, задержек,цен и простоты установки и использования. Носители можно разделить на двегруппы: управляемые носители, такие как медный провод и оптоволоконный кабель, и неуправляемые, например радиосвязь и передача по лазерному лучу безкабеля. Мы рассмотрим их в следующих разделах.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 назначения и там прочитать их. Поскольку такой метод значительно проще применения, скажем, геостационарного спутника связи, он часто оказывается гораздоболее эффективным в экономическом отношении, особенно для приложений,120Глава 2.
Физический уровеньУправляемые носители информациив которых высокая пропускная способность или цена за бит являются ключевыми факторами.Разобраться в данном вопросе нам помогут несложные вычисления. Стандартная кассета с лентой Ultrium вмещает 200 Гбайт. В коробку размером 60x60x60помещается около 1000 таких кассет, что дает общую емкость 1600 Тбит (1,6 Пбит).Коробка с кассетами может быть доставлена в пределах США в течение 24 часовслужбой Federal Express или другой компанией.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
