Полный курс лекций 2009-го года (1130357), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Как уже отмечалось в главе 1, сегодня управлениесложными техническими объектами осуществляется распределенными вычислительными комплексами,часть вычислительных ресурсов которых располагается на самом объекте, а часть вне его. При этомуправляемый объект не всегда имеет наземное базирование либо может быть мобильным. Для такихприложений витая пара, коаксиал, оптоволокно не обеспечат передачу информации между элементамиуправляющего вычислительного комплекса.Тенденции в области приложений, которые мы отмечали во введении, позволяют утверждать, чтобудущее за беспроводным соединением и оптоволокном. Все мобильные средства коммуникации иобработки информации будут беспроводными.Беспроводная связь востребована не только при мобильных вычислительных средствах, но и там, гдепрокладка любого кабеля затруднительна, либо невозможна (горы, старые здания), либо где требуетсябыстрое создание коммуникации.
Это особенно актуально для нашей страны, где почти 2/3 территорииприходится на зону вечной мерзлоты и горы.2.4.1. Электромагнитный спектрКак известно, электроны при движении образуют электромагнитные колебания. Это явлениеМаксвелл предсказал в 1865, а Генрих Герц экспериментально обнаружил в 1887 году. Если к источникуэлектромагнитных волн подключить антенну соответствующего размера, то волны будут распространятьсяи регистрироваться приемниками.
Длина антенны, как у приемника, так и у передатчика, и длинаизлучаемой/принимаемой ею волны связаны определенными соотношениями. Например, длина антенныприемника не может быть короче половины длины принимаемой ею волны.При определенных условиях, о которых мы будем разговаривать ниже, волны будутраспространяться в строго определенном направлении. В этом случае антенна приемника должна бытьдолжным образом ориентирована в пространстве по отношению к антенне передатчика, чтобы приниматьсигналы. При других условиях антенна передатчика распространяет электромагнитные волны во всехнаправлениях.В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью света (С = 3 х 108 м/сек.).В медном проводнике эта скорость составляет 2/3 от скорости в вакууме.
Будем обозначать ¦ частоту, а l - длину волны. Фундаментальное соотношение, соединяющее ¦, С и l, таково:¦·l=С(2-1)Поскольку С - константа, зная l, мы знаем ¦, и наоборот. Например, волны с частотой в 1 МГц,согласно этому соотношению, имеют длину волны 300 метров, а волны длиной в 1 см имеют частоту 30ГГц. Напомним, что длина волны определяет размер и геометрию антенны.На рисунке 2-26 представлен электромагнитный спектр. Для передачи информации из всего этогоспектра используется только следующие диапазоны: радио, микроволновый, инфракрасный, видимый и,частично, ультрафиолетовый.
Диапазоны рентгеновского излучения, гамма-излучения и большая частьультрафиолетового, хотя и имеют большие частоты, а потому и более предпочтительны для передачи,однако требуют сложной аппаратуры для генерации и модуляции, плохо преодолевают препятствия и, чтосамое главное, опасны для живой материи.Рисунок 2-26. Использование электромагнитного спектра для передачи данныхВ нижней части рисунка диапазоны, используемые для передачи информации, перечислены всоответствии с их официальными названиями МСС (ITU): так, LF-диапазон, то есть длинные волны,соответствует волнам длиной от 1 до 10 км (примерно от 30 кГц до 300 кГц).
Аббревиатуры LF, MF, HF, чтосоответствует отечественным ДВ, СВ, КВ (т.е. длинные волны, средние и короткие) появились тогда, когданикто и не думал о частотах больше 10 МГц. Позднее появились VHF, UHF и т.д.Количество данных, передаваемых электромагнитной волной, определяется ее шириной, т.е.спектром частот гармоник, составляющих эту волну. При определенных условиях на низких частотахможно закодировать несколько бит на 1 Гц, но на высоких частотах можно «выжать» до 40 бит. Поэтому покабелю с полосой пропускания 500 МГц можно передавать данные со скоростью несколько Гбит в секунду.Учитывая широкую полосу пропускания оптоволоконного кабеля, становится ясно, почему оптоволокностоль привлекательно для сетей ЭВМ.
В таблице 2-27 представлены характеристики разных частотныхдиапазонов.Таблица 2-27. Характеристики частотных диапазоновДиапазончастотНазваниеАналоговые данныеМодуляция30-300 кГц LF (low frequency низкие частоты, НЧ)Цифровые данныеПолосаМодуляцияпропусканияОбычно неиспользуется.Область примененияСкоростьпередачиASK, FSK,MSK0,1-100 бит/сек. Навигация300-3000 MF (medium frequency AMкГц- средние частоты,СЧ)до 4 кГцASK, FSK,MSK10-1000бит/сек.АМ-радио3-30 МГц HF (high frequency AM, SSBвысокие частоты, ВЧ)до 4 кГцASK, FSK,MSK10-3000бит/сек.КоротковолновоерадиоТелевидениеметровогодиапазона30-300МГцVHF (very highfrequency - оченьвысокие частоты,ОВЧ)AM, SSB,FM5 кГц - 5 МГц FSK, PSKдо 100кбит/сек.300-3000 UHF (ultrahighМГцfrequency ультравысокиечастоты, УВЧ)FM, SSBдо 20 МГцPSKдо 10 Мбит/сек.
Телевидениедециметровогодиапазона,наземныемикроволны3-30 ГГцFMдо 500 МГцPSKдо 100Мбит/сек.SHF (superhighfrequency -Наземные испутниковыесверхвысокиечастоты, СВЧ)30-300 ГГц EHF (superhighFMfrequency чрезвычайно высокиечастоты, ЧВЧ)микроволныдо 1 ГГцPSKдо 750Мбит/сек.Экспериментальныесоединения «точкаточка»Рассмотрим уравнение 2-1. Разрешив его относительно ¦ и продифференцировав по l, получим:(2-2)Переписав уравнение 2-2 в разностной форме, получим:(2-3)Задав некоторую полосу длин волн, мы получим полосу частот, откуда получим скорость передачидля этой полосы частот. Чем шире полоса, тем выше битовая скорость.
Если взять l = 1,3х10-6 иDl = 0,17 х 10-6, то D¦ будет около 30 ТГц.Из формулы, связывающей ширину полосы пропускания и битовую скорость передачи (см. раздел2.1.3), следует, что чем шире полоса, тем выше битовая скорость.На практике чаще всего используются узко-частотные полосы (D¦ / ¦ << 1). В дальнейшем,рассматривая использование отмеченных выше частей электромагнитного спектра, мы будем предполагатьименно узко-частотную передачу. В противоположность такой передаче используется, особенно военнымии спецслужбами, так называемая широко-частотная передача.
Идея ее состоит в том, что при передачечастота несущей волны меняется по определенному закону в диапазоне полосы. Перехватить такуюпередачу можно, только если известен закон изменения частоты несущей.2.4.2. РадиопередачаРадиоволны распространяются на большие расстояния, легко преодолевают преграды, техника ихгенерации и приема хорошо изучена, есть много специалистов по ее применению. Поэтому они широкоиспользуются для связи как вне, так внутри помещений. Поскольку радиоволны распространяются во всехнаправлениях, то принимающая и передающая антенны не требуют дополнительной настройки ивзаимного расположения.Однако свойство радиоволн распространяться во всех направлениях не всегда оказываетсяполезным. В книге Э.
Тененбаум Компьютерные сети рассказывается случай, как в 70-е годы фирмаGeneral Motors решила выпустить модель Кадиллака, тормозами в которой управлял бортовой компьютер, ане человек. Водитель в этой машине нажимал педаль тормоза, что вызывало запуск программы в бортовомкомпьютере. Компьютер следил, чтобы тормоза никогда не блокировались. Все шло хорошо, пока в штатеОгайо не обнаружили странный эффект. Кадиллаки этой марки совершенно неожиданно начинали вестисебя на дороге подобно быку на родео.
Возникало это, только если рядом появлялась машина дорожнойполиции. После многомесячных исследований специалисты GM выяснили, почему Кадиллаки этой модели,так хорошо зарекомендовавшие себя в других местах, в штате Огайо вели себя столь странно. Оказалось,что провода бортового компьютера Кадиллака этой модели работали как антенны для радиочастоты, накоторой работала дорожная полиция в этом штате.Свойства радиоволн зависят от их частоты. На низких частотах, т.е. длинных волнах, они прекраснопреодолевают препятствия, но мощность сигнала падает пропорционально 1/r3 , где r - расстояние доисточника.На высоких частотах радиоволны распространяются по прямой, но хуже преодолевают препятствия.Для некоторых частот помехой становится даже дождь.
На всех частотах радиоволны чувствительны кпомехам от электрических устройств. В силу перечисленных выше свойств лицензирование, т.е. право наиспользование частот в радиодиапазоне, находится под жестким контролем государства.На рисунке 2-28 показаны свойства длинных и средних волн огибать поверхность Земли ираспространяться на расстояния до 1000 км.
Короткие волны хотя и поглощаются земной поверхностью, ноза счет отражения от ионосферы также могут распространяться на большие расстояния.Рисунок 2-28. Распространение волн на большом расстоянии2.4.3. Микроволновая передачаПри частоте выше 10 МГц мы попадаем в область микроволнового диапазона.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
