1 (1131253), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Поскольку С - константа, зная λ, мы знаем ƒ, и наоборот. Напомним, что длина волны определяет размер и геометрию антенны.
Для передачи информации из всего этого спектра используется только следующие диапазоны: радио, микроволновый, инфракрасный, видимый и, частично, ультрафиолетовый. Диапазоны рентгеновского излучения, гамма-излучения и большая часть ультрафиолетового, хотя и имеют большие частоты, а потому и более предпочтительны для передачи, однако требуют сложной аппаратуры для генерации и модуляции, плохо преодолевают препятствия и, что самое главное, опасны для живой материи.
Количество данных, передаваемых электромагнитной волной, определяется ее шириной, т.е. спектром частот гармоник, составляющих эту волну. При определенных условиях на низких частотах можно закодировать несколько бит на 1 Гц, но на высоких частотах можно «выжать» до 40 бит. Поэтому по кабелю с полосой пропускания 500 МГц можно передавать данные со скоростью несколько Гбит в секунду. Учитывая широкую полосу пропускания оптоволоконного кабеля, становится ясно, почему оптоволокно столь привлекательно для сетей ЭВМ.
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 скорость передачи для этой полосы частот. Из формулы, связывающей ширину полосы пропускания и битовую скорость передачи, 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, мы будем предполагать именно узко-частотную передачу. В противоположность такой передаче используется, особенно военными и спецслужбами, так называемая широко-частотная передача. Идея ее состоит в том, что при передаче частота несущей волны меняется по определенному закону в диапазоне полосы. Перехватить такую передачу можно, только если известен закон изменения частоты несущей.
Радиопередача.
Радиоволны распространяются на большие расстояния, легко преодолевают преграды, техника их генерации и приема хорошо изучена, есть много специалистов по ее применению. Поэтому они широко используются для связи как вне, так внутри помещений. Поскольку радиоволны распространяются во всех направлениях, то принимающая и передающая антенны не требуют дополнительной настройки и взаимного расположения. Однако свойство радиоволн распространяться во всех направлениях не всегда оказывается полезным.
Свойства радиоволн зависят от их частоты. На низких частотах, т.е. длинных волнах, они прекрасно преодолевают препятствия, но мощность сигнала падает пропорционально 1/r3 , где r - расстояние до источника.
На высоких частотах радиоволны распространяются по прямой, но хуже преодолевают препятствия. Для некоторых частот помехой становится даже дождь. На всех частотах радиоволны чувствительны к помехам от электрических устройств. В силу перечисленных выше свойств лицензирование, т.е. право на использование частот в радиодиапазоне, находится под жестким контролем государства.
Короткие волны хотя и поглощаются земной поверхностью, но за счет отражения от ионосферы также могут распространяться на большие расстояния.
Микроволновая передача.
При частоте выше 10 МГц мы попадаем в область микроволнового диапазона. Волны в этом диапазоне распространяются в строго определенном направлении и могут быть сфокусированы с помощью параболической антенны, имеющей вид телевизионной тарелки. Однако приемная и передающая антенны должны быть тщательно ориентированы в пространстве по отношению друг к другу. Такая направленность позволяет строить цепочку ретрансляторов и таким образом передавать сигнал на большие расстояния. До появления оптоволокна радиорелейная связь составляла основу телефонных систем на больших расстояниях. На определенном расстоянии друг от друга ставили башни с ретрансляторами. Высота башни зависела от расстояния и мощности передатчика. Обычно 100-метровая башня покрывает расстояние в 80 км.
Микроволны не проходят сквозь здания так же хорошо, как низкочастотные волны. Кроме этого, из-за рефракции в нижних слоях атмосфер они могут отклоняться от прямого направления. При этом увеличивается задержка, нарушается передача. Передача на этих частотах зависит также и от погоды. Как уже не раз отмечалось, при повышении влажности (дождь, туман и т.п.) ширина полосы резко сужается, растет шум, сигнал рассеивается. Обычно операторы держат определенный частотный резерв (около 10% каналов) на случай подобных нарушений и при необходимости переключаются на резервные частоты, чтобы обойти зону осадков.
Стремление увеличить пропускную способность канала заставляет использовать все более и более высокие частоты. Сегодня частота 10 ГГц - обычное дело. Однако здесь возникает серьезная проблема: начиная с частоты 8 ГГц волны поглощаются водой и, в частности, дождем. Единственный выход из положения - изменить маршрут передачи и обойти область дождя.
На сегодня микроволновый диапазон широко используется в телефонии, сотовой телефонии, телевидении и других приложениях. Одно из главных достоинств микроволнового диапазона - не надо ничего прокладывать. Достаточно получить права на небольшую площадку земли (сотню квадратных метров) установить башню-ретранслятор, и так через каждые 50 км. Такая технология особенно оправдана в условиях гор, труднопроходимой местности, где прокладка кабеля затруднена. Это справедливо и в городе, где земля дорогая, а коммуникации прокладывать очень сложно.
Есть несколько частотных полос, в диапазоне 2400-2484 ГГц, например, инфракрасные волны, которые можно использовать свободно без специального разрешения. В этих диапазонах работают микроволновые печи, радиотелефоны, радиоуправляемые двери и т.п. Эти частоты также используются для сетевых целей на небольших расстояниях. Однако в разных странах могут быть и дополнительные диапазоны.
Инфракрасные и миллиметровые волны.
Инфракрасное излучение и излучение в миллиметровом диапазоне используется на небольших расстояниях в блоках дистанционного управления. Основной недостаток излучения в этом диапазоне - оно не проходит через преграду. Для инфракрасного излучения лист бумаги – непреодолимое препятствие.
Этот недостаток одновременно является преимуществом, когда излучение в одной комнате не интерферирует с излучением в другой. На эту частоту не надо получать разрешения. Это прекрасный канал для передачи данных внутри помещений на небольших расстояниях.
Видимое излучение.
Видимый диапазон также используется для передачи. Обычно источником света является лазер. Монохромное когерентное излучение легко фокусируется. Однако дождь или туман портят дело. Передачу способны испортить даже конвекционные потоки на крыше, возникающие в жаркий день. Они вызывают дрожание луча вокруг приемника, что ухудшает качество передачи.
Билет № 12.
Телефонные сети: структура, проблема локальной петли (последняя миля). Технологии xDSL
Структура телефонной сети.
Структура современной телефонной сети весьма избыточная и многоуровневая. На рисунке 2-31 показана структура телефонной сети России. На этом рисунке используются следующие обозначения: АКТС - автоматическая коммутируемая телефонная сеть; ТФОП - телефоны общего пользования.
Если мы посмотрим на структуру телефонного номера на рисунке 2-32, то увидим четыре компонента: код страны, код региона в стране, затем код района или города в регионе и только потом номер абонента. В отдельных случаях крупным городам, например таким, как Москва, Санкт-Петербург присваивается код, как отдельному региону. В этом случае k1k2k3 - это код района в таком крупном городе.
Рисунок 2-31. Телефонная сеть России
Рисунок 2-32. Структура телефонного номера
| 10 x1x2 код страны | 8 m1m2m3 код региона | k1k2k3 код города/района | n1n2n3n4 номер абонента |
Каждый абонент соединен двумя витыми парами с ближайшей местной телефонной станцией (ТС), это соединение называют локальным соединением, абонентской линией или последней милей. В России протяженность локального соединения колеблется от сотен метров до 6-8 км. В городе оно короче, в сельской местности длиннее.
Местная ТС соединена в крупных городах с районной ТС либо городской ТС. Районные и городские ТС соединены с региональными или междугородными ТС, и т.д. в соответствии со структурой телефонного номера, изображенной на рисунке 2-32.
Если абонент звонит другому абоненту, который подключен к той же местной ТС, что и звонящий, то коммутаторы этой ТС соединяют абонентов напрямую. Каждая местная ТС соединена с ТС следующего уровня: районными или городскими ТС и междугородними ТС. Если абонент звонит абоненту, телефон которого подключен к другой местной ТС, то местная ТС звонящего соединяется с надлежащей ТС вышележащего уровня, которая устанавливает соединение с местной ТС, того кому звонят. В результате создается прямое соединение между абонентами. ТС соединяются между собой магистральными линиями.
В дальнейшем телефонные станции любого уровня мы будем просто называть узлами коммутации. Соединения между узлами коммутации должны обладать большой пропускной способностью, чтобы по ним можно было передавать одновременно несколько разговоров. Пропускная способность местной линии должна быть достаточной для одного телефонного разговора. Для абонентских линий чаще всего применяли и применяют витую пару. Для магистралей между узлами коммутации используют коаксиальные кабели, оптоволокно и радиорелейные линии на микроволнах.
В прошлом телефонная система на всех уровнях была аналоговая, т.е. по проводам передавали колебания по напряжению в соответствии с акустическими колебаниями, принимаемыми на мембране микрофона. С появлением цифровых методов передачи аналоговая техника стала вытесняться, и на сегодня аналоговыми остались только абонентские линии.
Итак, современная телефонная сеть состоит из:
-
абонентской линии - локального соединения или последней мили (соединение «клиент - местная ТС»)
-
станций коммутации (ТС)
-
магистралей - оптоволоконных или микроволновых (соединение ТС-ТС)
Локальное соединение.
Локальное соединение, или абонентская линия связывает абонента с ближайшим узлом коммутации. Это соединение также называют последней милей. На рисунке 2-34 показана организация локального соединения. Как видно из рисунка, при передаче данных приходится преобразовывать данные четыре раза из цифровой формы в аналоговую и обратно. Несмотря на то, что между узлами коммутации передача осуществляется в цифровой форме, в локальном соединении она пока аналоговая.
Рисунок 2-34. Передача цифровых данных по телефонной сети
При передаче аналогового сигнала есть три источника искажений:
-
затухание
-
искажение формы
-
шум
Затухание возникает в любой среде из-за потери энергии сигнала при его распространении. При передаче по медному проводу затухание достигает нескольких дБ на километр. Затухание также зависит от частоты передаваемого сигнала. Как мы уже отмечали, промежуточное усиление может помочь лишь частично. Усилитель не может полностью восстановить исходную форму сигнала.
Искажения формы происходят также из-за разницы в скорости распространения сигналов разной частоты. Поскольку каждый сигнал есть комбинация гармоник разной частоты, а гармоники разной частоты распространяются с разной скоростью, то гармоники одного сигнала могут накладываться на гармоники предыдущего и вызывать искажения исходной формы передаваемого сигнала.
Шум возникает вследствие посторонних источников энергии. Одним из таких источников является тепловой шум. Он неизбежен. Другими источниками могут быть атмосферные явления, соседние линии и т.п.
Из-за вышерассмотренных искажений сигнала желательно использовать при передаче как можно меньше гармоник. Однако скачкообразная форма цифрового сигнала как раз требует большого числа гармоник при передаче, чтобы как можно точнее воспроизвести форму сигнала, что требует от канала в свою очередь широкой полосы пропускания.
Решение проблемы лежит в использовании несущей частоты в сочетании с разными способами модуляции сигнала.
Устройство, которое преобразует поток битов в модулированный сигнал и обратно, называется модем. Чтобы увеличить скорость передачи, недостаточно увеличивать частоту несущей волны. Надо увеличивать число бит на осцилляцию, т.е. изменение уровня сигнала. Для соединения оба модема должны поддерживать одну и ту же схему модуляции.
В модем также встраивают средства для контроля и коррекции ошибок, которые используют специальные способы кодирования, мы их рассмотрим в главе 3. Самый простой из таких способов - добавление бита четности. В сочетании с кодами, исправляющими ошибку, в модемах используют алгоритмы сжатия. Например, широко распространенный алгоритм MNP 5 убирает из потока повторяющиеся байты.
Другой важной проблемой при использовании телефонной линии является эхо. Причина этого явления проста - когда сигнал достигает приемника, часть его энергии отражается и возвращается к передатчику. При небольших расстояниях между приемником и передатчиком это практически незаметно. Когда расстояние велико, задержка между сигналом и эхом становится значительной. При телефонном разговоре вы наверняка сталкивались с эффектом эхо.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
