Конспект лекций по дисциплине «Сетевые технологии»

Что означает утверждение - последовательность сигналов несет информацию? Теория информации говорит, что любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию.

Действительно, если мы будем передавать по линии постоянный сигнал, будет ли он нести в себе информацию? Нет, потому что нет никакого изменения информации. Сигнал синусоидального вида также не будет нести никакой информации потому, что сигнал вроде бы и изменяется, но это изменения можно предсказать (ведь форма синусоиды абсолютно предсказуемая, мы знаем, что после одного периода синусоиды будет точно такой же второй). Импульсы на тактовой шине компьютера тоже всегда постоянны во времени и поэтому не несут информации. А вот импульсы на шине данных предсказать заранее нельзя, поэтому они переносят информацию между отдельными блоками или устройствами.

Таким образом, непредсказуемое изменение информационного параметра несет информацию.

Большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала - частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов.

Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой, если в качестве такого сигнала используется синусоида.

Если сигнал будет изменяться так, что можно различить только два его значения (например, 0 и 1), то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации – биту, т.е. одно изменение такого сигнала принесло 1 бит информации.

Параметры сигнала могут принимать несколько значений - 2, 4, 5. Если сигнал может иметь более двух различимых значений (состояний), то любое его изменение будет нести несколько бит информации. Если сигнал принял за одно изменение 4 состояния (уровня), это принесло 2 бита информации, а если 5 состояний, сколько бит информации принесет сигнал? При этом берут двоичный логарифм 5. Результат не точный, поэтому способы кодирования используют, как правило, не более четырех уровней изменения параметра сигнала. Но это если рассматривать только изменение одного параметра, например амплитуды. А если у сигнала изменяются несколько его параметров (амплитуда, частота, фаза) и, скажем, все принимают по 4 состояния, то в итоге получается 64 состояния сигнала. 64 состояний - это 6 бит информации, т.е. такой сигнал нам принесет больше информации за одно изменение, но его сложно смоделировать. Все эти проблемы касаются напрямую работы методов физического кодирования сигналов

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (baud).

Период времени между соседними изменениями информационного сигнала называется тактом работы передатчика.

Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод. Она может быть как выше, так и ниже числа бод, и это соотношение зависит от способа кодирования.

Например, если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в битах в секунду будет выше, чем число бод. Например, если информационными параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются 4 состояния фазы в 0, 90,180 и 270 градусов и два значения амплитуды сигнала, то информационный сигнал может иметь 8 различимых состояний. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (с тактовой частотой 2400 Гц) передает информацию со скоростью 7200 бит/с, т. к. при одном изменении сигнала передается 3 бита информации. А при использовании сигналов с двумя различимыми состояниями может наблюдаться обратная картина. Это часто происходит потому, что для надежного распознавания приемником информации каждый бит в последовательности кодируется с помощью нескольких изменений информационного параметра несущего сигнала. Например, при кодировании единичного значения бита импульсом положительной полярности, а нулевого значения бита - импульсом отрицательной полярности физический сигнал дважды изменяет свое состояние при передаче каждого бита (см. рис. 4.17). При таком кодировании пропускная способность линии в два раза ниже, чем число бод, передаваемое по линии.

Рис. 4.17 Пример импульсного кодирования уменьшающего пропускную способность линии связи.

 

4.3.3 Связь между пропускной способностью линии и ее полосой пропускания

Из всего сказанного выше можно сделать следующие выводы. Линия связи характеризуется определенной полосой пропускания и все передаваемые сигналы, должны работать на частотах входящих в этот пропускаемый линией диапазон частот. С другой стороны, линия связи характеризуется пропускной способностью, т.е. скоростью передачи сигналов. Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии, следовательно, тем выше и пропускная способность линии при каком-либо фиксированном способе физического кодирования. Но, как только мы увеличиваем частоту периодического несущего сигнала, то автоматически увеличивается и ширина спектра этого сигнала. Следовательно, есть вероятность, что линия передает этот спектр синусоид с теми искажениями, которые определяются ее полосой пропускания.

Таким образом, чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации на самом деле оказывается меньше, чем предполагалось.

Связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью вне зависимости от принятого способа физического кодирования установил Клод Шеннон.

С = F log2 (1 + Рc/Рш)  (4.6)

где С - максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F - ширина полосы пропускания линии в герцах, Рс - мощность сигнала, Рш - мощность шума.

Из формулы 4.6 видно, что не существует теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания. Но на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность линии можно за счет увеличения мощности передатчика сигнала или же уменьшения мощности шума (помех) на линии связи. Но и то, и другое осуществить очень сложно, для этого необходимы специальные устройства, и это сразу увеличит как количество и размеры, так и стоимость оборудования сети.

Более практически связь между пропускной способностью и полосой пропускания линии удалось определить Найквисту. Он определил близкое к формуле Шеннона соотношение, которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи, но без учета шума на линии:

С = 2F log2 М    (4.7)

где М - количество различимых состояний информационного параметра.

Скорость передачи линии для различных способов кодирования определяют именно с помощью формулы 4.7.

Например, если сигнал имеет 2 различимых состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи (см. рис. 4.18,а). Если же передатчик использует более чем 2 устойчивых состояния сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных, например 2 бита при наличии четырех различимых состояний сигнала (см. рис. 4.18,б). В этом случае согласно формуле 4.7 скорость передачи повышается в два раза

а

б

Рис 4.18 Повышение скорости передачи за счет дополнительных состояний сигнала

Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличить это количество до значительных величин, но на практике мы не можем этого сделать из-за шума на линии. Например, для предыдущего примера можно увеличить пропускную способность линии еще в два раза, использовав для кодирования данных не 4, а 16 уровней. Однако если амплитуда шума часто превышает разницу между соседними 16-ю уровнями, то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала выбирается еще на этапе выбора того, или иного способа кодировании сигнала, при этом учитывают, что это количество фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума. Затем, когда количество состояний уже выбрано, то можно воспользоваться формулой 4.7 и определить предельную скорость передачи данных.

 

5. МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА ФИЗИЧЕСКОМ УРОВНЕ ИНФОРМАЦИИ

 

Передаваемая по линии связи информация обычно подвергается специальному кодированию, которое способствует повышению надежности передачи. При этом неизбежны дополнительные аппаратурные затраты на кодирование и декодирование, и увеличивается стоимость адаптеров сети.

Кодирование передаваемой по сети информации имеет отношение к соотношению максимально допустимой скорости передачи и пропускной способности используемой среды передачи. Например, при разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От выбранного кода прямо зависит также сложность сетевой аппаратуры и надежность передачи информации.

Для передачи дискретных данных по каналам связи применяется два способа физического кодирования исходных дискретных данных - на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называют аналоговой модуляцией, т.к. кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала (амплитуды, фазы, частоты). Второй способ называют цифровым кодированием. В настоящее время данные, имеющие аналоговую форму (речь, телевизионное изображение) передаются по каналам связи в дискретном виде. Процесс представления аналоговой информации в дискретной форме называют дискретной модуляцией.

 

5.1 Аналоговая модуляция

Представление дискретных данных в виде синусоидального сигнала называется аналоговой модуляцией. Аналоговая модуляция позволяет представить информацию, как синусоидальный сигнал с разными уровнями амплитуды, или фазы, или частоты. Можно использовать также комбинации изменяющихся параметров - амплитуда и частота, амплитуда-фаза. Например, если сформировать синусоидальный сигнал с четырьмя уровнями амплитуды и четырьмя уровнями частоты, это даст 16 состояний информационного параметра, и значит 4 бита информации за одно его изменение.

Различают три основных способа аналоговой модуляции:

• амплитудная,
• частотная,
• фазовая.

Амплитудная модуляция.(АМ)  При амплитудной модуляции для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля – другой (см. рис. 5.1). Частота сигнала остается постоянной. Этот способ редко используются в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции - фазовой модуляцией.

Рис. 5.1 Различные типы модуляции

 

Частотная модуляция. (ЧМ) При частотной модуляции значения логического 0 и логической 1 исходных данных передают синусоидами с различной частотой – f1 и f2 (см. рис. 5.1). Амплитуда сигнала остается постоянной. Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах.

Фазовая модуляция. (ФМ) При фазовой модуляции значениям логических 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой (перевернутые), например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов. Результирующий сигнал похож на последовательность перевернутых синусоид(см. рис. 5.1). Амплитуда и частота сигнала остаются постоянными.

Для увеличения скорости передачи (повышения количества бит за один такт информационного параметра) используются комбинированные методы модуляции. Наиболее распространенны методы квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Amplitude Modulation, QAM). Эти методы используют такое сочетание - фазовая модуляция с 8 значениями величин сдвига фазы и амплитудная модуляция с 4 уровнями амплитуды. При таком способе возможно 32 комбинаций сигнала. И хоть используются далеко не все, но все равно скорость существенно повышается, а за счет избыточности можно контролировать ошибки при передаче данных. Например, в некоторых кодах допустимы всего 6,7 или 8 комбинаций для представления исходных данных, а остальные комбинации являются запрещенными. Такая избыточность кодирования требуется для распознавания модемом ошибочных сигналов, являющихся следствием искажений из-за помех, которые на телефонных каналах, особенно коммутируемых, весьма значительны по амплитуде и продолжительны по времени.

Определим на каких линиях может работать аналоговая модуляция, и в какой степени этот метод удовлетворяет пропускную способность той или иной используемой линии передачи для чего рассмотрим спектр результирующих сигналов. Например, возьмем способ амплитудной модуляции. Спектр результирующего сигнала при амплитудной модуляции будет состоять из синусоиды несущей частоты fс и двух боковых гармоник:

(fс - fm) и (fс + fm), где fm - частота модуляции (изменения информационного параметра синусоиды), которая будет совпадать со скоростью передачи данных, если использовать два уровня амплитуды.

Рис. 5.2 Спектр сигнала при амплитудной модуляции

Частота fm определяет пропускную способность линии при данном способе кодирования. При небольшой частоте модуляции ширина спектра сигнала будет также небольшой (равной 2fm см. рис.5.2), поэтому сигналы не будут искажаться линией, если ее полоса пропускания будет больше или равна 2fm.

Таким образом, при амплитудной модуляции результирующий сигнал имеет узкий спектр.

При фазовой и частотной модуляции спектр сигнала получается более сложным, чем при амплитудной модуляции, так как боковых гармоник здесь образуется более двух, но они также симметрично расположены относительно основной несущей частоты, а их амплитуды быстро убывают. Поэтому эти виды модуляции также хорошо подходят для передачи данных по линиям с узкими полосами пропускания. Типичным представителем таких линий является канал тональной частоты, предоставляемый в распоряжение пользователям общественных телефонных сетей.