Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

§ 4.2] ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ 301

делать отсчеты значений. В теории связи установлено, что если спектр

сигнала ограничен сверху величиной f

max

, то отсчеты следует делать с

частотой не менее 2f

max

. Этот результат называется теоремой отсчетов

или теоремой Котельникова, доказанной выдающимся отечественным

радиофизиком академиком Владимиром Александровичем Котельнико-

вым (1908–2005).

На основании теоремы отсчетов установлены стандартные парамет-

ры преобразования различных видов аналоговых сигналов в цифровые.

Так, для передачи речи, имеющей f

max

= 3400 Гц, применяется частота

отсчетов 8 кГц, при этом измерение значения сигнала рекомендуется

производить с точностью до 256 позиций (8 битов). Таким образом, для

нормальной передачи телефонного разговора достаточна скорость пе-

редачи данных 64 кбит/с. Именно такая скорость установлена для базо-

вого цифрового канала.

Для качественного воспроизведения музыки с f

max

= 20 кГц частота

дискретизации устанавливается равной 44,1 кГц (стандарт компакт-

дисков), а измерение величины сигнала производится с повышенной

точностью до 16 битов (M = 216 = 65536).

Достаточно часто возникает противопо-

ложная задача – передать цифровой сиг-

нал по аналоговому каналу. Типичная

ситуация – подключение домашнего

компьютера к узлу интернета по обычному телефонному каналу. Пер-

вичный цифровой сигнал в виде импульсов постоянного тока по такому

каналу не пройдет, так как канал ТЧ не пропускает постоянный ток. В

качестве переносчика данных в этом случае должен использоваться не-

прерывный сигнал, параметры которого дискретно меняются во време-

ни в зависимости от передаваемой позиции цифрового сигнала. Про-

цесс преобразования первичного цифрового сигнала в аналоговый на-

зывается

модуляцией, а обратный процесс – демодуляцией. Конструк-

тивно МОдулятор и ДЕМодулятор обычно совмещаются в одном уст-

ройстве, называемом

модемом (modem).

Простейшим видом непрерывного периодического сигнала является

синусоидальный переменный ток () sin(2 )st ft=π+ϕ, у которого есть

три параметра – амплитуда A, частота f и фаза

ϕ . Соответственно воз-

можны три простых вида модуляции – амплитудная, частотная и фа-

зовая (см. рисунок). При простой модуляции скорость передачи данных

Передача

цифрового сигнала

по аналоговому каналу

302 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

численно равна скорости манипуляции. Для того чтобы увеличить ско-

рость передачи данных, есть две принципиальных возможности: увели-

чивать скорость манипуляции либо воспользоваться сложными видами

модуляции. Например, при комбинированной амплитудно-частотной

модуляции за один такт будет передаваться уже два бита. Если число

различимых уровней сигнала поднять с двух до четырех, то за такт

можно передать уже три бита и т.д., однако до бесконечности так про-

должаться не может, так как в линии связи всегда присутствуют поме-

хи, поэтому близкие по амплитуде уровни будут неразличимы на фоне

шумов.

Немодулированный

несущий сигнал

мплитудная

модуляция

Частотная

модуляция

Фазовая

модуляция

Первичный цифровой

сигнал (1 бит за такт)

1011

10 11

Первичный цифровой

сигнал (2 бита за такт)

мплитудно-частотная

модуляция

(1-й бит – амплитуда,

2-й бит – частота)

00 01

ТТТТ

Модуляция синусоидального тока

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 303

Возникает естественный вопрос – где предел пропускной способно-

сти аналогового канала при передаче по нему данных?

Шеннон доказал, что скорость передачи данных по аналоговому ка-

налу ограничена теоретическим пределом, вычисляемым по знаменитой

формуле, носящей его имя:

log (1 / )CF SN=+,

где C – скорость передачи данных, бит/с; F – ширина полосы пропуска-

ния канала, Гц; S / N – отношение мощности сигнала к мощности шума.

Теперь сразу становится ясным, почему по модему, подключенному

к телефонной сети общего пользования, нельзя качать информацию с

бесконечно большой скоростью. Поскольку ширина полосы канала ТЧ

равна 3100 Гц, а отношение сигнал/шум составляет в лучшем случае

620

10 2≈ , то предельная пропускная способность такого канала не бо-

лее 60 кбит/с. Как видим, обеспечиваемая современными модемами

скорость очень близка к теоретическому пределу.

§ 4.3. Системы и сети электросвязи

Мы уже отмечали, что рядовому пользователю все равно, каким об-

разом устроен канал, доставляющий его сигнал до получателя. Однако

профессиональному специалисту по компьютерным технологиям это

должно быть совсем не безразлично. Знание принципов позволяет ему

ориентироваться на современном рынке услуг связи и выбирать реше-

ния, наилучшие с технической и экономической точек зрения.

Система электросвязи представляет собой комплекс

технических средств и сооружений (кабельных ма-

гистралей, каналообразующей аппаратуры, усили-

телей, радиорелейных станций, спутников связи и

т.п), предназначенных для организации одного или нескольких каналов

электросвязи между двумя пунктами. Соответственно этому системы

подразделяются на одноканальные и многоканальные.

Система электросвязи состоит из каналообразующей аппаратуры и

линии передачи (link). В простой одноканальной системе каналообра-

зующая аппаратура представлена двумя симметричными устройствами

преобразования сигнала (УПС), введенными в систему потому, что пер-

Структура

системы

электросвязи

304 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

вичный (цифровой или аналоговый) электрический сигнал s(t), посту-

пивший на вход канала электросвязи, может быть непригоден для про-

хождения по данной линии передачи и его следует преобразовать во

вторичный сигнал v(t). Например, если используется беспроводная ра-

диолиния, то электрический ток следует преобразовать в высокочастот-

ную электромагнитную волну, а если оптический кабель, – то в свето-

вые импульсы. На приемном конце УПС выполняет обратную опера-

цию преобразования вторичного сигнала в первичный, поступающий на

выход канала. В тех случаях, когда первичный сигнал непосредственно

доходит до получателя, УПС отсутствуют, тогда понятия канала связи и

линии передачи совпадают.

Одноканальные системы применяются там, где выделение отдель-

ной линии передачи для каждого канала не представляет большой про-

блемы. Например, для соединения телефонных узлов в пределах одного

населенного пункта проще и дешевле проложить многожильный теле-

УПС

Линия

передачи

УПСV(t) V'(t)s(t) s'(t)

Канал связи

n(t)

УПС

Линия

передачи

УПСV(t) V'(t)

n(t)

Мультиплексор

Демультиплексор

s(t) s'(t)

(t)

...

(t)

...

(t)

Система электросвязи: а) одноканальная; б) многоканальная

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 305

фонный кабель, насчитывающий несколько сот пар проводов, чем уста-

навливать дополнительную каналообразующую аппаратуру.

Совершенно другая ситуация складывается в системах дальней

(междугородной и международной) связи. Стоимость линейных соору-

жений в этом случае чрезвычайно велика и выделять каждому каналу,

например, стандартному телефонному каналу отдельную физическую

линию разорительно. В этих случаях используются многоканальные

системы связи.

Для организации многих каналов по одной линии необходима до-

полнительная аппаратура, которая называется аппаратурой уплотнения

или мультиплексирования. Мультиплексор (multiplexer), стоящий на

входе многоканальной системы, сливает потоки сигналов

(), (), , ()

st s t s t… из разных каналов в один сигнал )(ts , передаваемый

по общей линии передачи. На выходе системы производится обратная

операция демультиплесирования, то есть разборки общего сигнала на

составляющие, которые направляются на выход соответствующих ка-

налов.

В зависимости от того, с какими сигналами имеет дело система свя-

зи, она может быть аналоговой, цифровой или интегральной. В анало-

говой системе все каналы аналоговые: аналоговые первичные сливают-

ся в аналоговый вторичный сигнал, который должен быть с сохранени-

ем формы передан по линии передачи. Пропускную способность мно-

гоканальной аналоговой системы обычно измеряют количеством стан-

дартных каналов ТЧ (телефонных разговоров). В цифровой системе все

каналы и сигналы цифровые, ее пропускную способность оценивают

суммарной скоростью передачи данных. В интегральной системе часть

каналов аналоговая, однако каналообразующая аппаратура сама преоб-

разует первичные аналоговые сигналы в цифровые, которые сливаются

с потоками данных из цифровых каналов и образуют единый вторич-

ный цифровой сигнал, а на выходном конце после демультиплексиро-

вания происходит обратное преобразование цифровых сигналов в ана-

логовые.

Мы, естественно, не имеем возможности углубляться в принципы

организации многоканальной связи, этим занимаются специально под-

готовленные инженеры-связисты. Скажем лишь, что в этой области за

последние сто лет достигнут большой прогресс. Если в конце XIX века

по одной паре проводов удалось передавать до восьми телеграфных

сигналов, и это считалось большим достижением, то в конце XX века

306 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

по радиорелейным, спутниковым и оптическим линиям ведутся одно-

временно десятки тысяч телефонных разговоров.

Главной и самой дорогой частью системы связи является

линия передачи, по которой собственно и распространя-

ется сигнал. Линия передачи состоит из одного или не-

скольких отрезков передающей среды и промежуточного оборудования.

По виду передающей среды линии передачи делятся на проводные

(воздушные и кабельные) и беспроводные (радиорелейные и спутнико-

вые), между которыми на протяжении всех лет их существования про-

исходит непрерывное соревнование.

Воздушные линии. Исторически первыми линиями электросвязи

были воздушные линии, они представляли собой голые медные или же-

лезные провода, натянутые между столбами. Первая линия междуго-

родной телеграфной связи длиной около 60 км была устроена в

1844 году между Балтимором и Вашингтоном, в качестве изоляторов в

ней были использованы горлышки стеклянных бутылок. После изобре-

тения телефона количество воздушных линий резко увеличилось, горо-

да Америки и Европы оказались опутанными паутиной проводов, це-

почки столбов протянулись вдоль автомобильных и железных дорог.

Несмотря на относительную простоту устройства, воздушные ли-

нии оказались неудобными в эксплуатации, так как они сильно подвер-

жены атмосферным воздействиям и электрическим помехам, да и го-

родской пейзаж столбы и провода не украшают. К тому же воздушные

линии невозможно протянуть через водные пространства – широкие

реки, моря, океаны. По этим причинам, начиная со второй половины

XIX века, воздушные линии передачи стали повсеместно заменяться

кабельными.

Кабельные медные линии. Кабель связи обычно состоит из не-

скольких пар изолированных медных проводников, скрученных вокруг

продольной оси с определенным, точно рассчитанным шагом. Каждый

из проводов является своеобразным экраном для другого, поэтому в

целом витая пара (twisted pair) обладает хорошими помехозащитными

свойствами. Для защиты от внешних воздействий кабель заключается в

защитную оболочку, которая может состоять из нескольких слоев рези-

ны, свинца и стальной ленты.

Созданная в середине XIX века, кабельная промышленность непре-

рывно наращивала объемы производства, в землю закапывались колос-

Линии

передачи

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 307

сальные богатства в виде сотен тысяч тонн меди и свинца. Телеграфные

магистрали прокладывались по всем континентам; выдающимся дости-

жением инженерной мысли было изготовление и прокладка первых

океанских кабелей, о чем мы говорили выше. Вместе с тем попытка

применения кабелей для организации междугородных телефонных ка-

налов натолкнулась на неожиданное препятствие. В то время как пре-

дельная дальность разговора по воздушной линии составляла 500–

600 км (самой длинной междугородной телефонной линией в Европе

была построенная в 1898 году линия Москва – Петербург), то по кабелю

она была в 10 раз меньше. Дело в том, что из-за внутренней емкости

кабеля затухание переменного тока звуковой частоты в нем намного

больше затухания постоянного тока, на котором ведется телеграфи-

рование. Таким образом, без промежуточного усиления сигнала транс-

континентальная телефонная связь в принципе невозможна.

Возможность усиления звуковых сигналов появилась только после

изобретения в начале XX века электронных ламп. Первая подземная

кабельная магистраль с промежуточным усилением длиной 730 км была

построена в США в 1913–1914 годах, с тех пор междугородная телефо-

ния распространилась по континентам.

Междугородный магистральный кабель представляет собой очень

сложную и дорогую конструкцию, состоящую из многих токоведущих

Улица Нью-Йорка в 1890 г. и 30 лет спустя, когда телефонные

линии были спрятаны в подземные кабели

308 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

жил, слоев изоляции, надежной броневой оболочки. Кабель укладыва-

ется под землей в траншеи, для защиты от проникновения влаги в нем

постоянно поддерживается избыточное давление воздуха. Каждые не-

сколько километров кабель «всплывает» на поверхность, где в специ-

альных будках размещено необслуживаемое усилительное и другое

вспомогательное оборудование. Эти будки и предупреждающие надпи-

си «Осторожно, кабель связи» иногда попадаются по обочинам дорог.

Еще более сложными и дорогими являются морские телефонные

кабели. Прошло много лет, пока ламповые усилители научились

встраивать в подводные кабели так, чтобы они выдерживали гигантское

давление океанских глубин. Только в 1956 году, ровно через 90 лет по-

сле сооружения межконтинентального телеграфа, был проложен пер-

вый трансатлантический телефонный кабель ТАТ-1 (Trans-Atlantic

Современный подземный магистральный кабель имеет сложную

конструкцию, для его прокладки применяется специальная

техника. Рисунок из книги Д. Шарле

§ 4.3] СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ 309

Telephone). Строго говоря, это был не один, а два параллельных кабеля

на расстоянии 40 км один от другого, передающие сигналы в разные

стороны, каждый имел по 51 ламповому усилителю. Устойчивая теле-

фонная связь через океан стала реальностью. Таким образом, проиграв

радиосвязи в начале века в трансконтинентальном состязании, кабели

вновь захватили лидерство. Свой главный недостаток –- колоссальную

стоимость линейных сооружений – они попытались смягчить, реализуя

принцип многоканальной связи. При этом под землей и под водой про-

кладываются не обычные телефонные кабели, пропускающие только

колебания низких (звуковых) частот, а специальные высокочастотные,

способные передавать радиосигналы в полосе до миллионов герц. Вы-

сокочастотный кабель обычно изготовляется в коаксиальном исполне-

нии, подобным кабелем к телевизору подключается антенна. Кабели

связывают друг с другом крупные узлы междугородной связи и по ним

организуется одновременно множество аналоговых или цифровых ка-

налов. Например, по кабелю TAT-1 передавалось 48 телефонных кана-

лов, в дальнейшем параметры кабелей постоянно улучшались. Кабель

TAT-7, проложенный в 1983 году, был способен пропускать уже 4

000

телефонных каналов, и это не предел.

Радиорелейные линии. С другой стороны, радиосвязь тоже не

стояла на месте. Общей ее тенденцией на протяжении всего XX века

было освоение все более и более высоких частот. Начав с длинных волн

(ДВ), радиовещание и радиотелефония постепенно перешли на средние

Трансатлантические кабели

310 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ [ГЛАВА 4

(СВ), затем на короткие (КВ) и, наконец, на ультракороткие (УКВ), к

которым относятся волны длиной менее 10 м (частота более 30 МГц).

У ультракоротких волн есть ряд принципиальных достоинств. Во-

первых, в данном диапазоне волн практически нет атмосферных помех,

в чем легко убедиться, сравнив качество радиопередачи в диапазонах

СВ и УКВ на любом радиоприемнике. Во-вторых, УКВ-диапазон неиз-

меримо просторнее длинноволновых. В один УКВ-радиоканал можно

уплотнить множество телефонных каналов и передать их практически

без помех через эфир получателю.

Значит ли это, что УКВ-радиосвязь радикально решает проблему

дальней телефонии и не нужно тратить баснословные деньги на кабель-

ные сооружения? К сожалению, в этом мире ничто не дается даром.

Наряду со всеми достоинствами УКВ-радиоволны имеют один принци-

пиальный недостаток – они не огибают земную поверхность, как ДВ и

СВ, а распространяются только в пределах прямой видимости. Следо-

вательно, для передачи УКВ-сигнала между городами необходимо по-

строить цепочку приемо-передающих станций, называемую радиоре-

лейной линией – РРЛ.

Экспериментальные РРЛ начали строиться еще в 1940-х годах, в

1950-е годы башни радиорелейных станций с направленными в разные

стороны зеркалами-антеннами украсили пейзажи многих стран, они

обеспечивали организацию 60–120 телефонных каналов в одном стволе

в дециметровом диапазоне 1–2 ГГц. Современные радиорелейные ли-

нии, работающие в сантиметровом диапазоне, обладают очень большой

Радиорелейные и спутниковые линии