Лекции по "Статистическим информационным технологиям"

         U(t)

U_н

 

                     Dt      Dt     Dt      Dt      t

 

Рис. 1.7. Сигнал-носитель – колебания

 

Пример 8. Выполнить амплитудную модуляцию для дискретного сигнала 0110₂, если сигналом-носителем является сигнал рис. 1.7.

Зададимся модификациями амплитуды  базового сигнала-носителя: пусть уменьшение амплитуды на величину DU_м означает передачу двоичного 0, а увеличение на ту же величину – передачу двоичной 1.

Тогда получим результат, показанный на рис. 1.8.

                    U(t)

              DU_м       U_н

     DU_м

    

t

 

 

Рис. 1.8. Амплитудная модуляция  для сигнала 0110₂

 

• частотная. Изменение частоты колебаний передает дискретный сигнал.

Пример 9. Выполнить частотную модуляцию для дискретного сигнала 0110₂. Сигнал-носитель представлен на рис. 1.7.

Пусть увеличение колебаний в период времени T = 2Dt в 2 раза означает передачу двоичного 0, а увеличение в 3 раза – двоичной 1.

Тогда результат модуляции представлен  на рис. 1.9.

    U(t)

     U_н

 

                                        t 

 

          T      T  T        T

 

Рис. 1.9. Частотная модуляция  для сигнала 0110₂

 

• фазовая. Смена фазы передает дискретный сигнал.

Пример 10. Выполнить фазовую модуляцию для дискретного сигнала 0110₂. Сигнал-носитель представлен на рис. 1.7.

Пусть сдвиг по фазе на 90° означает передачу двоичной 1, отсутствие сдвига – двоичного 0. Тогда результат модуляции представлен на рис. 1.10.

           U(t)

    U_н

 

t

 

Рис. 1.10. Фазовая модуляция  для сигнала 0110₂

 

3. сигнал-носитель – импульсы (рис. 1.11).

 

       

           U(t)

             U_н 

 

     t      t         t             t

         T        T        T   

 

Рис. 1.11. Сигнал-носитель – импульсы

 

Аналогично колебаниям этот вид сигнала позволяет выполнять  три вида модуляции:

• амплитудно-импульсная. Передача дискретного сигнала связана с изменением амплитуды импульсов.

 

Пример 11. Выполнить амплитудно-импульсную модуляцию для дискретного сигнала 0110₂. Сигнал-носитель представлен на рис. 1.11.

Зададимся модификациями  амплитуды базового сигнала-носителя: пусть уменьшение амплитуды импульса на величину DU_м означает передачу двоичного 0, а увеличение на ту же величину – передачу двоичной 1. Тогда результат модуляции представлен на рис. 1.12.

          U(t)

DU_м     U_н          

DU_м

    t  

   T     T    T    T

Рис. 1.12. Амплитудно-импульсная модуляция для сигнала 0110₂

 

• частотно-импульсная. Передача дискретного сигнала связана с изменением частоты импульсов.

Пример 12. Выполнить частотно-импульсную модуляцию для сигнала 0110₂. Сигнал-носитель представлен на рис. 1.11.

Пусть увеличение частоты  импульсов в период времени T  в 2 раза означает передачу двоичного 0, а увеличение в 3 раза – двоичной 1.

Тогда результат модуляции  представлен на рис. 1.13.

         U(t)

U_н

 

t

T        T         T        T

 

Рис. 1.13. Частотно-импульсная модуляция для сигнала 0110₂

 

• время-импульсная. Передача дискретного сигнала связана с изменением продолжительности импульса t.

Пример 13. Выполнить время-импульсную модуляцию для сигнала 0110₂. Сигнал-носитель представлен на рис. 1.11.

Пусть увеличение продолжительности  импульса на время Dt означает передачу двоичной 1, а уменьшение на ту же величину – передачу двоичного 0.

Тогда результат модуляции представлен  на рис. 1.14.

        U(t)

          U_н

        

 

 

-Dt +Dt  +Dt        -Dt

 

Рис. 1.14. Время-импульсная модуляция для сигнала 0110₂

 

Демодуляция – восстановление величин, вызвавших изменение параметров носителей при модуляции. Выполняется на принимающей стороне при известных условиях модуляции на передающей стороне.

1.2.1.2. Уплотнение сигнала и выделение  уплотненного сигнала

 

Современные средства передачи информации часто бывают многоканальными, т.е. предназначенными для передачи нескольких сигналов. Различают два  подхода к организации многоканальных средств передачи:

• структурный, когда сигналы разделяются пространственно, т.е. каждый сигнал передается по своей линии связи:
• виртуальный, когда все сигналы передаются по общей линии связи путем уплотнения, или мультиплексирования, сигналов на передающей стороне и их последующего разделения на принимающей стороне.

Очевидно, более привлекательным  является второй подход, обеспечивающий использование одного ресурса (линии связи) несколькими задачами.

Рассмотрим основные методы уплотнения и выделения сигнала:

1. частотный. Для уплотнения различным сигналам назначаются непересекающиеся участки частотной шкалы. Например, для передачи двух сигналов используются сигналы-носители с разными частотами (показаны на рис. 1.15 жирной и обыкновенной линией).

 

    U(t)

 

t

 

Рис. 1.15. Сигналы-носители при частотном уплотнении

 

Тогда в простейшем случае возможны амплитудный и фазовый  методы модуляции для собственно передачи дискретного сигнала. Для выделения нужного сигнала на приемной стороне полученный уплотненный сигнал разделяется частотными фильтрами, что позволяет «направить» разночастотные сигналы-носители разным получателям.

2. временной. Для уплотнения разные сигналы передаются только в определенные отрезки времени, например, для одного получателя сигнал передается от 6 часов утра до полудня, для другого – с полудня до 18 часов и т.д. Для синхронизации сигналов на передающей и принимающей стороне устанавливаются распределители, отсчитывающие время, отведенное под каждый сигнал, – это и есть выделение сигнала при данном методе.
3. кодовый. Для уплотнения каждому сигналу присваивается адрес получателя, указываемый специальным кодом. При выделении сигнала на принимающей стороне декодирующее устройство направляет сигналы согласно их адресам. Например, дискретный сигнал 0110₂ из предыдущих примеров при таком методе уплотнения и двух возможных получателях с адресами 0 и 1 при пересылке его первому адресату будет иметь вид 00110₂, а при пересылке второму – 10110₂, где старший разряд – код адреса получателя сигнала.

1.2.2. Процедуры организации сети

Связаны с использованием компьютерных сетей в качестве средств обмена данными.

1.2.2.1. Компьютерные сети

Если источником и  получателем сообщения являются компьютеры, то такая система передачи информации формирует компьютерную сеть.

Компьютерные сети обладают следующими возможностями, что делает их привлекательными для пользователей:

1. обеспечивают параллельную обработку данных несколькими ЭВМ;
2. поддерживают распределенные базы информации, когда данные, требуемые для решения прикладных задач, а также программы обработки этих данных распределяются по сети, разгружая ресурсы отдельных компьютеров и приближаясь к тем точкам сети, где они наиболее актуальны;
3. обеспечивают возможность специализации отдельных ЭВМ для решения определенных задач;
4. автоматизируют обмен информацией и программами между компьютерами сети;
5. вычислительные мощности и средства передачи информации резервируются на случай выхода из строя отдельных из них;
6. обеспечивают перераспределение вычислительных мощностей между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей и сложности решаемых задач;
7. повышают уровень загрузки отдельных компьютеров и дорогостоящего оборудования.

Выполним фасетную классификацию  компьютерных сетей (далее – просто сетей), сведя ее в табл. 1.1 (заголовки  столбцов таблицы – признаки классификации, данные в графах – их значения).

 

Таблица 1.1

Функциональное  назначение	Способы размещения информации в сети	Степень территориальной рассредоточенности	Тип используемых ЭВМ	Метод передачи данных	Топология
Информационные	С централизованным хранением данных и программ	Глобальные	Однородные	С коммутацией каналов	Радиальная
			Неоднородные
		Региональные			Кольцевая
Вычислительные		Локальные
	С распределенным хранением данных и программ			С коммутацией сообщений
Информационно-вычислительные
					Многосвязная
				С коммутацией пакетов	Иерархическая
					Общая шина

Рассмотрим отдельные  классификационные признаки и их значения.

Информационные сети обеспечивают лишь обмен информацией любого рода; вычислительные сети решают задачи обработки данных, сопровождаемые обменом данными и программами между компьютерами сети; информационно-вычислительные совмещают обе функции.

Централизованное хранение данных и программ предполагает использование одного, наиболее мощного компьютера для хранения информации. Этот компьютер называется сервером – server (англ.) - в отличие от остальных ЭВМ сети, называемых рабочими станциями – workstations (англ.). При распределенном хранении информация распределяется по компьютерам сети.

Глобальные (WAN – Wide Area Network) сети охватывают территорию одной или нескольких стран, а также континентов. Расстояние между узлами сети достигает тысяч километров. Региональные (MAN – Metroрolian Area Network) соответствуют городу, району. Узлы сети отдалены на десятки и сотни километров. Локальные (LAN – Local Area Network) распространяются в рамках одного здания, их элементы удалены максимально на несколько километров.

В состав однородных сетей входят компьютеры одного типа, неоднородные сети такого ограничения не имеют.

1.2.2.2. Топология сетей

Этот классификационный  признак определяет схемы соединения компьютеров в сети.

Радиальная топология представлена на рис. 1.16 (УК – устройство коммутации – техническое устройство, возможно, компьютер, для сопряжения каналов связи). Используется в учрежденческих системах управления с централизованным хранением информации, которое выполняет УК (в этом случае в его роли выступает ЭВМ). Эта топология не надежна, так как выход из строя УК разрушает всю сеть. Кроме того, она характеризуется значительным потреблением кабеля, что повышает ее стоимость.

ЭВМ        ЭВМ

 

 

ЭВМ        ЭВМ

 

Рис. 1.16. Схема радиальной топологии (УК – устройство коммутации)

 

Кольцевая топология (рис. 1.17) обеспечивает передачу информации по кольцу только в одном направлении, что уменьшает надежность сети. Для повышения надежности при неисправности кабеля вводят дополнительное кольцо, что приводит к удорожанию сети.

   ЭВМ          ЭВМ

 

 

 

 

ЭВМ          ЭВМ

 

Рис. 1.17. Схема кольцевой  топологии

 

Многосвязная топология (рис. 1.18) наиболее сложная и дорогая, применяется очень редко для обеспечения высокой скорости и надежности.

 

          ЭВМ         ЭВМ 

 

 

 

 

ЭВМ      ЭВМ

 

Рис. 1.18. Схема многосвязной топологии

 

Топология типа общая шина (рис. 1.19)  использует в качестве обслуживающего устройства одну из ЭВМ, которая обеспечивает централизованный доступ к общей информации и ресурсам. Эта топология характеризуется низкой стоимостью, высокой гибкостью и скоростью передачи данных.

 

 

 

 

             ЭВМ          ЭВМ         ЭВМ

 

Рис. 1.19. Схема топологии  «общая шина»

 

Иерархическая топология (рис. 1.20) образуется с помощью нескольких топологий типа «общая шина»: они объединяются в дерево с корнем в виде ЭВМ, где размещаются самые важные компоненты сети. Эта топология используется в сложных системах с десятками и сотнями пользователей.

      ЭВМ

 

 

 

 

 

 

     ЭВМ       ЭВМ       ЭВМ        ЭВМ        ЭВМ       ЭВМ

Рис. 1.20. Схема иерархической  топологии

1.2.2.3. Методы передачи данных  в сетях

 

Метод коммутации каналов требует предварительного установления прямого физического соединения между источником и получателем сообщения на все время передачи сообщения, что является недостатком данного метода. Схема передачи данных представлена на рис. 1.21.

На этом рисунке представлены четыре узла сети (ЭВМ), между которыми передается сообщение. Его источник – узел А, получатель – узел Д. Между  А и Д сообщение проходит узлы В и С.

В отрезки времени (t₀ – t₁), (t₂ – t₃), (t₄ – t₅) служебный сигнал перемещается между соответствующими узлами. Назначение этого сигнала – занять пройденный канал, т.е. заблокировать его  от  других  сигналов. В  общем случае последующие каналы оказываются занятыми в моменты прихода в узел служебного сигнала, поэтому в отрезки времени (t₁ – t₂), (t₃ – t₄) сигнал ожидает освобождения канала.