3. Основные характеристики среды передачи данных, линии передачи данных и канала связи
Линия передачи данных (линия связи) – это средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении. Этими средствами могут быть, например коаксиальный кабель, световод и др.
Линии передачи образуются на основе каналов связи. Канал связи – это средства односторонней передачи данных. Примером канала может служить полоса частот, выделенная одному передатчику при радиосвязи. В одной линии связи можно образовать несколько каналов, при этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. Существует два метода разделения линий передачи данных: временное мультиплексирование, когда каждому каналу выделяется некоторый квант времени (TDM) и частотное разделение (FDM), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот.
На основе линий передачи данных строятся каналы передачи. Канал передачи данных – это средства двустороннего обмена данными, включающие АКД и линию передачи данных.
Каналы передачи данных классифицируются по четырем признакам:
1) по природе физической среды передачи различают каналы передачи данных на оптических линиях связи, проводных (медных) и беспроводных линия связи. Медные каналы могут быть представлены коаксиальными кабелями и витыми парами, а беспроводные – радио – и инфракрасными каналами;
2) в зависимости от способа представления информации электрическими сигналами различают аналоговые и цифровые каналы;
3) в зависимости от направления передачи различают каналы симплексные (односторонняя передача), дуплексные (возможность одновременной передачи в обоих направлениях) и полудуплексные (возможность попеременной передачи в двух направлениях). Примером симплексного канала является пейджинговая связь, а примером полудуплексного — твейджинговая связь или обычный телефонный канал;
4) в зависимости от числа каналов связи в линии передачи данных различают одно- и многоканальные средства передачи. В ЛВС и цифровых каналах обычно используют временное мультиплексирование линии передачи, в аналоговых каналах – частотное разделение.
И ерархия средств передачи данных в сети выглядит следующим образом:
В ЛВС обычно используются такие линии передачи, как витая пара, коаксиальный кабель и волоконно-оптический кабель. Основным методом объединения локальных сетей в глобальные является использование телефонных каналов связи.
1.2. Характеристики линий связи
От того, какими физическими характеристиками, определяющими прохождение сигнала, обладают линии связи, зависит особенность построения вычислительной сети и ее пропускная способность.
К основным характеристикам линий связи относятся следующие:
перекрестные наводки на ближнем конце линии;
достоверность передачи данных.
Пропускная способность и достоверность — это характеристики как линии связи, так и способа передачи данных. Поэтому если способ передачи (протокол) уже определен, то известны и эти характеристики. Например, пропускная способность цифровой линии всегда известна, так как на ней определен протокол физического уровня, который задает битовую скорость передачи данных — 64 Кбит/с, 2 Мбит/с. Однако нельзя говорить о пропускной способности линии связи, до того как для нее будет определен протокол физического уровня. А чтобы определить, какой существующий протокол физического уровня использовать на данной линии, обращают внимание на остальные характеристики.
Для передачи электрических сигналов между двумя точками сети необходимо организовать замкнутую электрическую цепь. Для этого требуется хотя бы два проводника. Сигналы по проводам могут передаваться как в потенциальном представлении, так и в токовом. При потенциальном представлении информативным является уровень напряжения сигнала, а при токовом представлении информативно наличие или отсутствие тока в цепи (как в интерфейсе «токовая петля», используемом для подключения принтеров к СОМ-порту).
Передача с потенциальным представлением может быть симметричной или асимметричной. При асимметричной передаче на одном из проводов потенциал относительно земли остается постоянным. Такой провод называется общим. Полезным (информативным) сигналом является потенциал на втором проводе относительно общего провода. Асимметричная передача используется в сети Ethernet на коаксиальном кабеле. Кабель, в котором используется ассиметричная передача, также называется ассиметричным.
При симметричной (дифференциальной) передаче оба провода цепи являются равноправными, а для определения уровня сигнала замеряется разность потенциалов между ними. Симметрия подразумевает совпадение характеристик цепей для обоих проводов. Симметричная передача применяется в большинстве современных сетевых технологий, в том числе и в сети Ethernet на витой паре. Кабель, в котором используется симметричная передача, также называется симметричным.
Любая линия связи, в том числе и волоконно-оптический кабель, искажает передаваемые сигналы из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных. Например, медные провода представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки:
Н а рисунке нижний провод является общим (землей) для ассиметричной передачи или вторым проводом для симметричной передачи.
Из-за наличия такой нагрузки в проводах, сигналы различной частоты будут передаваться по одной и той же линии по-разному (как бы «застревать, тормозиться» с разной скоростью). Кроме того, характеристики линии связи зависят еще от наличия накрутки одного провода на другой.
В ассиметричных кабелях (коаксиальных) повода идут параллельно друг другу, поэтому они очень чувствительны к наводкам и внешним излучениям, но зато у них выше скорость распространения сигнала (2,3110 5 км/с – для коаксиального кабеля).
При скручивании проводов в симметричных кабелях (витой паре) уменьшается индуктивная и емкостная связь между ними, но увеличивается длина самого провода на один метр кабеля. За счет этого они меньше чувствительны к наводкам и внешнему излучению, но обладают большим погонным затуханием сигнала, что снижает скорость распространения сигнала (1,810 5 км/с – для витой пары 3 категории UTP-3). Причем, чем мельче шаг накрутки, тем сильнее проявляются эти свойства. Хотя в последнее время ученые утверждают, что шаг накрутки должен быть неравномерным по длине провода, тогда характеристики кабеля лучше, но точно это не доказано.
На практике для оценки качества линии связи применяют такие характеристики, как полоса пропускания и затухание.
Полоса пропускания — это непрерывный диапазон частот, при которых сигнал передается без значительных искажений. Полоса пропускания зависит от типа линии, и ее длины и измеряется в Гц.
Полоса пропускания связана со скоростью передачи информации. Различают бодовую и информационную скорости. Бодовая скорость измеряется в бодах. Один бод — это число изменений дискретного сигнала в единицу времени. Информационная скорость измеряется в числе битов информации, переданных в единицу времени.
Информационная скорость может быть больше, меньше или равна бодовой. Это соотношение зависит от способа кодирования сигналов. Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то информационная скорость будет больше бодовой.
Например, между соседними изменениями сигнала (этот период называется бодовым интервалом) передается 4 бита (фазоамплитудная модуляция). Это означает, что одному боду соответствует 4 бит/с. Если при этом бодовая скорость составляет 1200 бод, то информационная скорость составит 4800 бит/с.
П римером увеличения информационной скорости в два раза может служить использование дифференциальной фазовой модуляции, применяемой в модемной связи, в частности в протоколе v.22. В этом способе модуляции используется 4 значения фазы сигнала (0 0 , 90 0 , 180 0 , 270 0 ). При этом информационные символы кодируются посредством скачкообразного изменения фазы синусоидального сигнала с фиксированной частотой. С помощью четырёх изменений фазы можно закодировать четыре 2-разрядных символа. Изменение фазы на соответствует двоичной последовательности 00, на — последовательности 01, на — 10, а на — 11.
Если используется сигнал с двумя различимыми состояниями, и каждый бит для надежности кодируется с помощью нескольких изменений информационного параметра несущего сигнала, то информационная скорость будет меньше бодовой.
Пропускная способность линии определяет максимально возможную информационную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность C связана с полосой пропускания W формулой Хартли-Шеннона и не зависит от способа физического кодирования
где C — пропускная способность, бит/с; W — ширина полосы пропускания, Гц; РС — уровень мощности сигнала; РШ — уровень мощности помехи.
Затухание определяется как относительное уменьшение мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. С повышением частоты затухание увеличивается. Затухание А обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется как
где Рвх и Рвых — мощности сигнала на входе и выходе линии передачи соответственно.
Кабели характеризуются погонным затуханием — затуханием, приведенным к единице длины — дБ/м.
Если в формуле используется десятичный логарифм, то значит, величина измеряется в «дБ».
При передаче сигнала от точки А к точке В по паре проводов 1 за счет паразитных емкостных и индуктивных связей между парами в паре 2 наводится сигнал перекрестной помехи:
Э тот сигнал наблюдается на обоих концах кабеля, но наибольшее влияние он оказывает на ближний к передатчику конец кабеля. Это связано с тем, что, во-первых, на ближнем конце пары 2 расположен приемник (Rx), который может принять помеху за сигнал, а на передатчик помеха не влияет. Во-вторых, помеха на ближнем конце имеет большую величину, поскольку уровень сигнала в паре 1 по направлению к точке В затухает. Мерой этой перекрестной помехи является ослабление перекрестной помехи на ближнем конце NEXT (дБ):
где UA — амплитуда переданного сигнала; UXA — амплитуда помехи на конце А. Чем больше эта величина, тем лучше кабель. Как и затухание, значение NEXT (Near End CrossTalk loss, где слово CrossTalk — перекрестный разговор – в телефонии обозначают ХТ) пропорционально длине отрезка кабеля.
Измеряется еще и коэффициент ослабления перекрестной помехи на дальнем конце линии (FEXT), но он интересен лишь для случая одновременной передачи сигналов по разным парам проводов в одном направлении.
Оба этих параметра измеряются для соединения нескольких пар проводов в один многопарный кабель.