Физически среди за предаване на данни. Основни закони. Теорема на Найкуист и на Шенон.
Физически слой
Общи сведения за предаване на сигнали
За предаване на информацията се използват физически канали, които се определят като среда за предаване на данни или предавателна (съобщителна) среда. За целта се използват различни носители: кабели, оптически влакна, радиовълни и др.
По-късно Шенон предлага друга формула, в която е въведено отношението сигнал/шум SNR в края на линията. То представлява отношение на мощността на полезния сигнал в линията S към мощността на случайния шум N.
И двете мощности се измерват във ватове (W). Отношението сигнал/шум обикновено се изразява в децибели по формулата:
SNR= 101og10(S/N) [dB]
По-висока стойност на това отношение означава по-голяма мощност на сигнала спрямо мощността на шума и съответно по-добро качество на сигнала. Максималната теоретична скорост на предаване, която може да се постигне, зависи от отношението сигнал/шум и се определя по формулата на Шенон-Хартли:
C = Blog2(l + S/N) [b/s],
където С е скоростта на предаване, а В е ширината на честотната лента, измерена в Hz.
2.2. Среди за предаване на сигнали
2.2.1. Проводници и кабели
Двойките проводници конструктивно се оформят в многожилен кабел, който има защитна обвивка. За да се намалят смущенията, се използува симетрично включване, при което сигналът се представя като разлика на потенциалите между двата проводника
2.2.2. Оптически влакна
Една оптическа система включва три компоненти: източник на светлина, предавателна среда и детектор. Обикновено с един импулс от светлина се представя двоична единица („1“), а отсъствието на такъв импулс означава двоична нула („0“). Предавателната среда представлява едно тънко влакно, изработено от изключително чисто стъкло. Ако си представим един океан, който е запълнен с такова стъкло вместо с вода, то от повърхността би могло да се вижда дъното на океана. Детекторът генерира електрически импулс, когато светлината попадне върху него. За предаване на информация се използуват три честотни ленти, центровете на които са вълни с дължини съответно 0,85, 1,30 и 1,55 цт. Затихването при последните две е най-малко (по-малко то 5 % загуби в мощността на километър). Всичките три честотни ленти имат ширина от 25000 до 30000 GHz.
Оптическите влакна могат да се използват за построяване на локални мрежи
Идващият светлинен лъч се преобразува от приемника в електрически сигнал, който се регенерира при положение, че параметрите му са променени. Този сигнал се изпраща към оптическия предавател, който генерира свъответен светлинен лъч и го изпраща по оптическото влакно към следващия интерфейс от кръга. Компютъра се свързва с регенератора на електрическия сигнал посредством меден проводник.
Могат да се посочат няколко предимства и недостатъци при сравнение на оптическите влакна с медните проводници. При оптическите влакна повторителите са необходими приблизително на всеки 30 km, докато при медните проводници те са приблизително на всеки 5 km. Оптическите влакна по-трудно се поддават на външни влияния, като електромагнитни вълни или други смущения, а също така и на химически влияния, влажност и други въздействия на околната среда. Освен това оптическите влакна са много по-леки. Така например 1000 усукани двойки от меден проводник с дължина един километър тежат около 8000 kg. Две оптически влакна, които имат по-голям капацитет тежат само 100 kg, което позволява много по-лесното им механическо поддържане. Освен това оптическите влакна не излъчват светлина и много по-трудно могат да бъдат подслушвани. Това позволява по-добра защита на предаваната по тях информация.
2.2.3 Безжични комуникации. Безжично предаване
Безжичната комуникация е възможна благодарение на разпространението на електромагнитните вълни. Радиовълните, микровълните, инфрачервените лъчи и видимата светлина са част от спектъра. Всички те могат да се използват за предаване на информация, като се модулира тяхната амплитуда, честота или фаза.
Радиопредаване
Радиовълните се генерират лесно. Те се разпространяват на големи разстояния, проникват в сгради и се използват за комуникации, както вътре в помещенията, така и отвън. Радиовълните се излъчват във всички посоки от източника към потребителите и не е необходимо последните да бъдат специално избрани или разположени. При радиовълни с ниски честоти, които преминават сравнително добре през отделни препятствия, мощността им намалява приблизително с 1/г3, където г е разстоянието между източника и приемника. При много ниски, ниски и средни честоти радиовълните следват повърхността на земята, като при ниските честоти те могат да достигнат до 1000 km от. мястото на предаването.
Микровълни
Радиовълните с честота над 100 MHz се разпространяват по права линия и могат да бъдат фокусирани. За целта се използуват специални антени, концентриращи енергията в малък лъч, при което се получава много високо отношение „сигнал/шум“. В тези случаи предавателните антени и антените на потребителя трябва да бъдат така разположени, че между тях да има пряка видимост.
Локални оптически връзки
Метод е известен като „оптика до дома“ или FTTH (Fiber to the home) и не е много икономичен. Друго алтернативно решение, което е по-евтино, се нарича „оптика до обслужващ възел“ – FTTC (Fiber to the curb). В този случай телефонните компании прекарват оптичен кабел от централната станция до всеки квартал. Този кабел завършва в съответен разпределител, от който са достъпни всички локални връзки или връзките до отделните домове.
2.3. Мултиплексиране
При предаване на данни по коаксиален кабел честотната лента е от порядъка на 350 MHz (или по-висока). Тази сравнително висока честота може да се използува в два режима.
– режим на директно предаване (baseband mode), при който наличната честотна лента се предоставя на един канал, по който се предава поток от битове с висока скорост (10 Mb/s и по-голяма);
– широколентов режим (broadband mode), при който наличната честотна лента се разделя на определен брой подканали, всеки от които има тясна честотна лента, позволяваща предаване на по-ниски скорости.
2.4. Модеми и видове модулации
2.4.1. Видове модулации
Тъй като данните се предават обикновено в двете посоки, създадено е комбинирано устройство, наречено МОДулатор-ДЕМодулатор (модем). Модемите работят в синхронен или в асинхронен режим. Съществуват няколко вида модулации (амплитудна, честотна, фазова и т.н.). В модемите най-широко са разпространени честотната и фазовата модулация.
2.4.2 Видове модеми Аналогови модеми
Аналоговите модеми за предаване на данни по обикновени телефонни линии използуват честотната лента за предаване на глас, която не надвишава 3,3 KHz. При тази честотна лента съвременните методи за модулация позволяват скоростта на едновременно предаване на данни в двете посоки да достигне до 33,6 Kb/s (много близо до теоретичната скорост). Аналоговите модеми се включват към телефонна линия и предават сигнали през телефонната мрежа без никакви изменения, тъй като тази мрежа третира излъчваните сигнали като предаване на глас (телефонен разговор). Това свойство е тяхно предимство, тъй като всеки телефонен абонат може незабавно да се включи към компютърна мрежа посредством такъв модем . То донякъде компенсира сравнително ниската скорост на предаване на данните.
Високоскоростни модеми
Съществуваща телефонна линия
Телефонна мрежа
POTS
POTS
Телефонен абонат – ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) – използуват се за изграждане на асиметрична цифрова абонатна линия.
DSL модеми
DSL модемите се използуват при изграждането на цифрови мрежи с интегрирани услуги ISDN – Integrated Services Digital Network (вж. трета глава).
HDSL модеми
HDSL модемите се използуват за предаване на данни със скорост 2,048 Mb/s за страните от Европа — стандарт/интерфейс Е1 и 1,544 Mb/s в САЩ — стандарт/интерфейс Т1, които са разгледави по-надолу.
2.5. Интерфейси
Интерфейсите представляват съвокупност от технически, а в някои случаи и програмни средства, които позволяват да се осъществи връзка и обмен на информация между различни типове устройства. Те могат да се разделят на два основни класа – паралелни и серийни. При паралелните интерфейси информацията се предава паралелно по байтове или думи. Серийните интерфейси предават информацията последователно бит след бит.
• Информационни шини
Предавани данни – TxD (Transmit Data). По тази шина данните се предават от DTE към DCE като последователен поток от битове.
• Управляващи шини
– Заявка за предаване на данни – RTS (Request to Send). Състояние „логическа единица“ на тази шина показва, че DTE е готово да предава данни към DCE.
• Тактови шини – използуват се при синхронен режим на предаване
– Тактови импулси за синхронизиране на предаваните от DTE данни – ТС_1 (Transmit Clock).
2.5.2. Стандарти (интерфейси) Т1/Е1
При импулсно кодовата модулация и делта модулацията отчетите на амплитудата на аналоговите сигнали се извършват с честота 8 KHz (един отчет на всеки 125 микросекунди). Съгласно теоремата на Найкуист това е напълно достатъчно, за да се предаде цялата аналогова информация от телефонен канал с честотна лента 4 KHz. При по-ниска честота на отчетите информацията може да бъде загубена. Поради тази причина всички основни времеви интервали, използувани в съвременните цифрови телефонни системи, са кратни на 125 микросекунди.
2.6. Клетъчни комуникации
Понастоящем се използват мобилни телефони с цифрово предаване на сигналите.
2.7. Спътникова комуникация
Комуникационният спътник съдържа няколко транспондери (специален приемник-предавател), всеки от които слуша определена част от спектъра, усилва приетите сигнали и след това ги препредава на друга честота, за да се избегне интерференцията с пристигащите сигнали.
Геостационарни спътници
Геостационарните спътници GEO (Geostationary Earth Orbit) са разположени на разстояние 36 000 km над екватора. Всеки такъв спътник обикаля Земята за около 24 часа, т.е. той се върти около нея със същата скорост, с която тя се върти около своята ос.
