Лекции 2010-го года (1130544), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Сравнение характеристик витой пары, коаксиала и оптоволокнаДиапазончастотСтандартноезатуханиеСтандартнаязадержкаРасстояние междурепитерамиВитая пара0-3,5 кГц0,2 дБ при 1 кГц50 мсек./км2 кмМногопарныйкабель0-1 МГц3 дБ/км при 1 кГц5 мсек./км2 кмКоаксиал0-500 МГцОптический кабель 180-370 ТГц7 дБ/км5 мсек./км1-9 км0,2-0,5 дБ/км5 мсек./км40 кмРаздел 2.4. Беспроводная связьВ наше время есть категории пользователей, которым нужно постоянно находиться насвязи, получать электронную почту, доступ к данным и т.п. Как уже отмечалось в главе 1,сегодня управление сложными техническими объектами осуществляетсяраспределенными вычислительными комплексами, часть вычислительных ресурсовкоторых располагается на самом объекте, а часть вне его. При этом управляемый объектне всегда имеет наземное базирование либо может быть мобильным. Для такихприложений витая пара, коаксиал, оптоволокно не обеспечат передачу информации междуэлементами управляющего вычислительного комплекса.Тенденции в области приложений, которые мы отмечали во введении, позволяютутверждать, что будущее за беспроводным соединением и оптоволокном.
Все мобильныесредства коммуникации и обработки информации будут беспроводными.Беспроводная связь востребована не только при мобильных вычислительных средствах,но и там, где прокладка любого кабеля затруднительна, либо невозможна (горы, старыездания), либо где требуется быстрое создание коммуникации.
Это особенно актуально длянашей страны, где почти 2/3 территории приходится на зону вечной мерзлоты и горы.2.4.1. Электромагнитный спектрКак известно, электроны при движении образуют электромагнитные колебания. Этоявление Максвелл предсказал в 1865, а Генрих Герц экспериментально обнаружил в 1887году. Если к источнику электромагнитных волн подключить антенну соответствующегоразмера, то волны будут распространяться и регистрироваться приемниками. Длинаантенны, как у приемника, так и у передатчика, и длина излучаемой/принимаемой еюволны связаны определенными соотношениями. Например, длина антенны приемника неможет 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 приемникадолжна быть должным образом ориентирована в пространстве по отношению к антеннепередатчика, чтобы принимать сигналы. При других условиях антенна передатчикараспространяет электромагнитные волны во всех направлениях.В вакууме электромагнитная волна распространяется со скоростью света (С=3х108м/сек.).В медном проводнике эта скорость составляет 2/3 от скорости в вакууме.
Будемобозначать ƒ - частоту, а λ - длину волны. Фундаментальное соотношение, соединяющееƒ, С и λ, таково:38ƒ•λ=С (2-1)Поскольку С - константа, зная λ, мы знаем ƒ, и наоборот. Например, волны с частотой в 1МГц, согласно этому соотношению, имеют длину волны 300 метров, а волны длиной в 1см имеют частоту 30 ГГц. Напомним, что длина волны определяет размер и геометриюантенны.На рисунке 2-26 представлен электромагнитный спектр. Для передачи информации извсего этого спектра используется только следующие диапазоны: радио, микроволновый,инфракрасный, видимый и, частично, ультрафиолетовый. Диапазоны рентгеновскогоизлучения, гамма-излучения и большая часть ультрафиолетового, хотя и имеют большиечастоты, а потому и более предпочтительны для передачи, однако требуют сложнойаппаратуры для генерации и модуляции, плохо преодолевают препятствия и, что самоеглавное, опасны для живой материи.Рисунок 2-26.
Использование электромагнитного спектра для передачи данныхВ нижней части рисунка диапазоны, используемые для передачи информации,перечислены в соответствии с их официальными названиями МСС (ITU): так, LFдиапазон, то есть длинные волны, соответствует волнам длиной от 1 до 10 км (примерноот 30 кГц до 300 кГц). Аббревиатуры LF, MF, HF, что соответствует отечественным ДВ,СВ, КВ (т.е. длинные волны, средние и короткие) появились тогда, когда никто и не думало 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 нанизких частотах можно закодировать несколько бит на 1 Гц, но на высоких частотахможно «выжать» до 40 бит. Поэтому по кабелю с полосой пропускания 500 МГц можнопередавать данные со скоростью несколько Гбит в секунду. Учитывая широкую полосупропускания оптоволоконного кабеля, становится ясно, почему оптоволокно стольпривлекательно для сетей ЭВМ. В таблице 2-27 представлены характеристики разныхчастотных диапазонов.Таблица 2-27. Характеристики частотных диапазонов39Диапазон Названиечастот30-300кГцLF (lowfrequency низкиечастоты,НЧ)Аналоговые данныеЦифровые данныеОбласть примененияМодуляция Скорость передачиМодуляция ПолосапропусканияОбычно неиспользуется.ASK, FSK,MSK0,1-100 бит/сек.Навигация300-3000 MF (mediumкГцfrequency средниечастоты, СЧ)AMдо 4 кГцASK, FSK,MSK10-1000 бит/сек.АМ-радио3-30 МГц HF (highfrequency высокиечастоты, ВЧ)AM, SSBдо 4 кГцASK, FSK,MSK10-3000 бит/сек.Коротковолновое радио5 кГц - 5МГцFSK, PSKдо 100 кбит/сек.Телевидение метровогодиапазона300-3000 UHF (ultrahigh FM, SSBМГцfrequency ультравысокиечастоты, УВЧ)до 20 МГцPSKдо 10 Мбит/сек.Телевидениедециметровогодиапазона, наземныемикроволны3-30 ГГцSHF (superhigh FMfrequency сверхвысокиечастоты, СВЧ)до 500 МГцPSKдо 100 Мбит/сек.Наземные испутниковыемикроволны30-300ГГцEHF (superhigh FMfrequency чрезвычайновысокиечастоты, ЧВЧ)до 1 ГГцPSKдо 750 Мбит/сек.Экспериментальныесоединения «точкаточка»30-300МГцVHF (very high AM, SSB,frequency FMочень высокиечастоты, ОВЧ)Рассмотрим уравнение 2-1.
Разрешив его относительно ƒ и продифференцировав по λ,получим:(2-2)Переписав уравнение 2-2 в разностной форме, получим:(2-3)Задав некоторую полосу длин волн, мы получим полосу частот, откуда получим скоростьпередачи для этой полосы частот. Чем шире полоса, тем выше битовая скорость. Есливзять λ=1,3х10-6 и Δλ=0,17х10-6, то Δƒ будет около 30 ТГц.Из формулы, связывающей ширину полосы пропускания и битовую скорость передачи(см. раздел 2.1.3), следует, что чем шире полоса, тем выше битовая скорость.На практике чаще всего используются узко-частотные полосы (Δƒ/ƒ<<1).
В дальнейшем,рассматривая использование отмеченных выше частей электромагнитного спектра, мыбудем предполагать именно узко-частотную передачу. В противоположность такойпередаче используется, особенно военными и спецслужбами, так называемая широкочастотная передача. Идея ее состоит в том, что при передаче частота несущей волны40меняется по определенному закону в диапазоне полосы. Перехватить такую передачуможно, только если известен закон изменения частоты несущей.2.4.2. РадиопередачаРадиоволны распространяются на большие расстояния, легко преодолевают преграды,техника их генерации и приема хорошо изучена, есть много специалистов по ееприменению.
Поэтому они широко используются для связи как вне, так внутрипомещений. Поскольку радиоволны распространяются во всех направлениях, топринимающая и передающая антенны не требуют дополнительной настройки и взаимногорасположения.Однако свойство радиоволн распространяться во всех направлениях не всегда оказываетсяполезным. В книге Э. Тененбаум Компьютерные сети рассказывается случай, как в 70-егоды фирма General Motors решила выпустить модель Кадиллака, тормозами в которойуправлял бортовой компьютер, а не человек. Водитель в этой машине нажимал педальтормоза, что вызывало запуск программы в бортовом компьютере. Компьютер следил,чтобы тормоза никогда не блокировались. Все шло хорошо, пока в штате Огайо необнаружили странный эффект.
Кадиллаки этой марки совершенно неожиданно начиналивести себя на дороге подобно быку на родео. Возникало это, только если рядомпоявлялась машина дорожной полиции. После многомесячных исследований специалистыGM выяснили, почему Кадиллаки этой модели, так хорошо зарекомендовавшие себя вдругих местах, в штате Огайо вели себя столь странно. Оказалось, что провода бортовогокомпьютера Кадиллака этой модели работали как антенны для радиочастоты, на которойработала дорожная полиция в этом штате.Свойства радиоволн зависят от их частоты.
На низких частотах, т.е. длинных волнах, онипрекрасно преодолевают препятствия, но мощность сигнала падает пропорционально 1/r3, где r - расстояние до источника.На высоких частотах радиоволны распространяются по прямой, но хуже преодолеваютпрепятствия. Для некоторых частот помехой становится даже дождь. На всех частотахрадиоволны чувствительны к помехам от электрических устройств. В силу перечисленныхвыше свойств лицензирование, т.е.
право на использование 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 земнойповерхностью, но за счет отражения от ионосферы также могут распространяться набольшие расстояния.Рисунок 2-28. Распространение волн на большом расстоянии412.4.3.
Микроволновая передачаПри частоте выше 10 МГц мы попадаем в область микроволнового диапазона. Волны вэтом диапазоне распространяются в строго определенном направлении и могут бытьсфокусированы с помощью параболической антенны, имеющей вид телевизионнойтарелки. Однако приемная и передающая антенны должны быть тщательноориентированы в пространстве по отношению друг к другу. Такая направленностьпозволяет строить цепочку ретрансляторов и таким образом передавать сигнал набольшие расстояния. До появления оптоволокна радиорелейная связь составляла основутелефонных систем на больших расстояниях. На определенном расстоянии друг от другаставили башни с ретрансляторами. Высота башни зависела от расстояния и мощностипередатчика.
Обычно 100-метровая башня покрывает расстояние в 80 км.Микроволны не проходят сквозь здания так же хорошо, как низкочастотные волны. Кромеэтого, из-за рефракции в нижних слоях атмосфер они могут отклоняться от прямогонаправления. При этом увеличивается задержка, нарушается передача. Передача на этихчастотах зависит также и от погоды. Как уже не раз отмечалось, при повышениивлажности (дождь, туман и т.п.) ширина полосы резко сужается, растет шум, сигналрассеивается. Обычно операторы держат определенный частотный резерв (около 10%каналов) на случай подобных нарушений и при необходимости переключаются нарезервные частоты, чтобы обойти зону осадков.Стремление увеличить пропускную способность канала заставляет использовать все болееи более высокие частоты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
