Тема 2. Каналы передачи данных и их характеристики лекция 2.1. Режимы передачи данных и кодирование
Мы будем рассматривать только коммуникационные системы передачи данных между ЭВМ (сети ЭВМ или вычислительные сети), поэтому источником и получателем сообщений могут быть только компьютер, терминал или какое-либо цифровое устройство.
Сообщением в этом случае будут цифровые данные определенного формата, предназначенные для передачи. Это может быть файл базы данных, таблица, ответ на запрос, текст или изображение.
Каналом связи называют совокупность устройств и физических сред, предназначенных для передачи сообщений (приемник-передатчик и линия связи).
Для передачи сообщений в вычислительных сетях используются различные типы каналов связи (каналы передачи данных). Каналы связи, по которым передаются аналоговые сигналы, называются непрерывными (аналоговыми), а каналы для передачи цифровых сигналов – дискретными (или цифровыми).
Для передачи данных на большие расстояния в глобальных сетях (WAN – wide area network) используются каналы двух типов:
выделенные (leased – арендуемые)
коммутируемые (switched или dual-up)
При соединении по выделенной линии связь между сетевыми устройствами существует постоянно. Использование выделенного канала – дорогостоящее решение, т.к. приходится платить за аренду линии вне зависимости от ее фактического использования. Поэтому данный вариант оправдан, только если между компьютерами (ЛВС) циркулируют большие объемы данных. Если же трафик невелик, выгоднее использовать коммутируемую линию.
В коммутируемой линии связь с другим сетевым устройством устанавливается только при необходимости. При этом пользователь платит только за фактическое время соединения, однако на установление самого соединения тратится время, а также возможны отказы в установлении соединения по причине занятости линии. Частным случаем коммутируемого канала является соединение домашнего компьютера с провайдером Интернет по телефонной линии с использованием модема.
Существуют различные типы выделенных и коммутируемых каналов:
коммутируемые и выделенные аналоговые телефонные каналы,
выделенные магистральные цифровые каналы PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy –плезиохронная цифровая иерархия) с интерфейсами Т1/Е1, Т2/Е2, Т3/Е3 и SONET/SDN (в начале с 1984 Synchronous Optical Nets, затем технология Synchronous Digital Hierarchy – синхронная цифровая иерархия),
цифровые коммутируемые каналы ISDN (Integrated Services Digital Network- цифровая сеть с интегрированными услугами),
асимметричные цифровые абонентские линии ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
Применяются также радиоканалы, в первую очередь каналы спутниковой связи.
Для передачи данных в ЛВС (абоненты которой расположены в ограниченном пространстве LAN – local area network) используют цифровые каналы связи с проводными линиями передачи данных. Намного реже используется беспроводная связь (wireless).
В одной линии можно образовать несколько каналов связи, по каждому из которых передается своя информация. Такая линия связи называется многоканальной. При этом говорят, что линия разделяется между несколькими каналами. Существуют два метода разделения (уплотнения, мультиплексирования) линии передачи данных:
временное мультиплексирование (TDM – Time Division Multiplexing иначе разделение по времени), при котором каждому каналу в передаваемой порции данных (кадре) выделяется некоторый интервал времени (тайм-слот). Используется в локальных вычислительных сетях и в цифровых каналах передачи данных глобальных сетей.
частотное разделение (FDM — Frequency Division Multiplexing), при котором каналу выделяется некоторая полоса частот, пример радиовещание. В широкополосных аналоговых телефонных каналах также используется частотное разделение. Каналы группируются в первичные (полоса 60. 108 кГц), вторичные (312. 552 кГц), третичные (812. 2044 кГц) и т.д. В группе первичных каналов помещаются 12 каналов тональной частоты, в группе вторичных каналов — пять первичных групп и т.д.
Аналоговые и цифровые каналы связи
Аналоговые каналы связи являются наиболее распространенными по причине длительной истории их развития и простоты реализации. Типичным примером аналогового канала является канал тональной частоты (телефония).
Необходимость в модуляции аналоговой информации возникает, когда нужно передавать низкочастотный аналоговый сигнал через канал, находящийся в высокочастотной области спектра.
Примерами такой ситуации является передача голоса по радио и телевидению. Голос имеет спектр шириной примерно в 10кГц, а радиодиапазоны включают гораздо более высокие частоты, от 30кГц до 300МГц. Еще более высокие частоты используются в телевидении. Очевидно, что непосредственно голос через такую среду передать нельзя.
Модуляцией называется преобразование сигнала, заключающееся в изменении какого-либо его информационного параметра в соответствии с передаваемым сообщением.
Передаваемая информация заложена в управляющем (модулирующем) сигнале, а роль переносчика информации выполняет высокочастотное колебание, называемое несущим. Модуляция, таким образом, представляет собой процесс «посадки» информационного колебания на заведомо известную несущую.
Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала несущей частоты. 
Амплитудная модуляция (AM) — модуляция при которой амплитуда несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.
Частотная модуляция (FM) — модуляция при которой частота несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.
Фазовая модуляция (PM) — модуляция при которой фаза несущего колебания управляется информационным (модулирующим) сигналом.
Цифровые каналы связи
К цифровым каналам связи относятся каналы ISDN, T1/E1.
При передаче дискретных данных по каналам связи применяются два основных типа физического кодирования — на основе синусоидального несущего сигнала и на основе последовательности прямоугольных импульсов. Первый способ часто называется аналоговой модуляцией или манипуляцией, подчеркивая тот факт, что кодирование осуществляется за счет изменения параметров аналогового сигнала. Второй способ обычно называют цифровым кодированием. Эти способы отличаются шириной спектра результирующего сигнала и сложностью аппаратуры, необходимой для их реализации.
Аналоговая модуляция дискретных данных
Необходимость применения аналоговой модуляции к передаче дискретных данных возникает, при необходимости передачи компьютерных данных по телефонным каналам.
Устройство, которое выполняет функции модуляции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне, носит название модем (модулятор — демодулятор). 
Основные способы аналоговой модуляции дискретных данных: 
При амплитудной модуляции AM для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля — другой. Этот способ редко используется в чистом виде на практике из-за низкой помехоустойчивости, но часто применяется в сочетании с другим видом модуляции — фазовой модуляцией.
При частотной модуляции FM значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой . Этот способ модуляции не требует сложных схем в модемах и обычно применяется в низкоскоростных модемах, работающих на скоростях 300 или 1200 бит/с.
При фазовой модуляции PM значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с различной фазой, например 0 и 180 градусов или 0,90,180 и 270 градусов.
В скоростных модемах часто используются комбинированные методы модуляции, как правило, амплитудная, в сочетании с фазовой.
Цифровое кодирование каналов связи
При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.
В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса — перепадом потенциала определенного направления.
Требования к методам цифрового кодирования:
- имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;
- обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;
- обладал способностью распознавать ошибки;
- обладал низкой стоимостью реализации.
Более узкий спектр цифровых сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.
Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи. 
В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за:
- Неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно.
- Экономия проводников в дорогостоящих кабелях.
Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды. Любой резкий перепад сигнала — так называемый фронт — может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.
10.2. Каналы передачи данных
Для того чтобы компьютеры могли связаться между собой в сеть, они должны быть соединены между собой с помощью некоторой физической передающей среды. Основными типами передающих сред, используемых в компьютерных сетях, являются:
• аналоговые телефонные каналы общего пользования;
• узкополосные и широкополосные кабельные каналы;
• ?радиоканалы и спутниковые каналы связи;
• оптоволоконные каналы связи.
Аналоговые каналы связи первыми начали применяться для передачи данных в компьютерных сетях и позволили использовать уже существовавшие тогда развитые телефонные сети общего пользования. Передача данных по аналоговым каналам может выполняться двумя способами. При первом способе телефонные каналы (одна или две пары проводов) через телефонные станции физически соединяют два устройства, реализующие коммуникационные функции с подключенными к ним компьютерами. Такие соединения называют выделенными линиями или непосредственными соединениями. Второй способ – это установление соединения с помощью набора телефонного номера (с использованием коммутируемых линий).
Качество передачи данных по выделенным каналам, как правило, выше и соединение постоянное. Кроме того, для каждого выделенного канала необходимо свое коммуникационное устройство (хотя есть и многоканальные коммуникационные устройства), а при коммутируемой связи можно использовать для связи с другими узлами одно коммуникационное устройство.
Параллельно с использованием аналоговых телефонных сетей для межкомпьютерного взаимодействия начали развиваться и методы передачи данных в дискретной (цифровой) форме по ненагруженным телефонным каналам (к которым не подведено электрическое напряжение, используемое в телефонной сети) – цифровым каналам.
Следует отметить, что наряду с дискретными данными по цифровому каналу можно передавать и аналоговые информацию (голосовую, видео, факсимильную и т. д.), преобразованную в цифровую форму.
Наиболее высокие скорости на небольших расстояниях могут быть получены при использовании особым образом скрученной пары проводов (для того, чтобы избежать взаимодействия между соседними проводами), так называемой витой паре (ТР – Twisted Pair).
Кабельные каналы, или коаксиальные пары, представляют собой два цилиндрических проводника на одной оси, разделенных диэлектрическим покрытием. Один тип коаксиального кабеля (с сопротивлением 50 Ом), используется главным образом для передачи узкополосных цифровых сигналов, другой тип кабеля (с сопротивлением 75 Ом) – для передачи широкополосных аналоговых и цифровых сигналов. Узкополосные и широкополосные кабели, непосредственно связывающие между собой коммуникационные оборудования, позволяют обмениваться данными на высоких скоростях (до нескольких мегабит/c) в аналоговой или цифровой форме. Следует отметить, что на небольших расстояниях (особенно в локальных сетях) кабельные каналы все больше вытесняются каналами на витых парах, а на больших расстояниях – оптоволоконными каналами связи.
Использование в компьютерных сетях в качестве передающей среды радиоволн различной частоты является экономически эффективным либо для связи на больших и сверхбольших расстояниях (с использованием спутников), либо для связи с труднодоступными, подвижными или временно используемыми объектами.
Обмен данными по радиоканалам может вестись как с помощью аналоговых, так и цифровых методов передачи. Цифровые методы получают в последнее время преимущественное развитие, т. к. позволяют объединить наземные участки цифровых сетей и спутниковых каналов или радиоканалов в единой сети. Новым импульсом в развитии радиосетей стало появление сотовой телефонной связи, позволяющей осуществлять голосовую связь и обмен данными с помощью радиотелефонов или специальных устройств обмена данными.
Помимо обмена данными в радиодиапазоне последнее время для связи на небольшие расстояния (обычно в пределах комнаты) используется и инфракрасное излучение.
В оптоволоконных каналах связи используется известное из физики явления полного внутреннего отражения света, что позволяет передавать потоки света внутри оптоволоконного кабеля на большие расстояния практически без потерь. В качестве источников света в оптоволоконном кабеле используются светоиспускающие диоды (LED – lightemitting diode) или лазерные диоды, а в качестве приемников – фотоэлементы.
Оптоволоконные каналы связи, несмотря на их более высокую стоимость по сравнению с другими видами связи, получают все большее распространение, причем не только для связи на небольшие расстояния, но и на внутригородских и междугородных участках.
Технические средства коммуникаций составляют кабели, коннекторы и терминаторы, сетевые адаптеры, повторители, разветвители, мосты, маршрутизаторы, шлюзы, а также модемы, позволяющие использовать различные протоколы и топологии в единой неоднородной системе.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Каналы
Каналы Вспомните синтаксис организации программных каналов при работе в командной строке shell:cat myfile | wcПри этом (стандартный) вывод программы cat(1), которая выводит содержимое файла myfile, передается на (стандартный) ввод программы wc(1), которая, в свою очередь подсчитывает
5.12 КАНАЛЫ
5.12 КАНАЛЫ Каналы позволяют передавать данные между процессами в порядке поступления («первым пришел — первым вышел»), а также синхронизировать выполнение процессов. Их использование дает процессам возможность взаимодействовать между собой, пусть даже не известно,
Каналы IRC
Каналы IRC Сообщество разработчиков Asterisk поддерживает каналы ретрансляции интернет-чатов (Internet Relay Chat, IRC) на сайте irc.freenode.net. Самыми активными каналами являются #asterisk и #asterisk-dev[9]. В целях защиты от спама теперь на обоих каналах требуется
Каналы FXO и FXS
Каналы FXO и FXS Каналы FXO и FXS отличаются друг от друга лишь тем, что один из них обеспечивает тональный сигнал готовности линии. FXO-порт не генерирует тонального сигнала, он его принимает. Самый простой пример — тональный сигнал, поставляемый телефонной компанией. FXS- порт
Подготовка данных для передачи
Подготовка данных для передачи На этапе подготовки происходит оцифровка и сжатие данных. Оцифровка аналогового сигнала означает, что колебания воздуха преобразуются в череду нулей и единиц. На первом этапе колебания воздуха – ваш голос – фиксируются мембраной
Каналы RGB
Каналы RGB Проведем простой эксперимент.1. Создайте новое изображение с белым фоном.2. Выберите инструмент Карандаш. Настройте кисть таким образом, чтобы линия карандаша получилась достаточно жирной, например 50 пикселов.3. Выберите чисто красный цвет. Для этого в диалоговом
22.5. Каналы IRC
22.5. Каналы IRC Можно побиться об заклад, что в любое время суток десятки «рубистов» болтают в IRC-чатах. Такие серверы принадлежат freenode.net; зайдите на этот сайт и поищите ближайший к вам. Поиск в Web поможет вам найти подходящий IRC-клиент для любой платформы.В канале #ruby-lang
Каналы
Каналы После того как агенты проверят и отформатируют поставляемые клиентом аргументы, упаковав их в объект сообщении, соответствующий IMessage-совместимый тип передается от реального агента объекту канала. Каналы – это сущности, отвечающие за транспортировку сообщения
Каналы
Каналы Чтобы нарисовать картину, художники используют палитру, смешивая на ней краски. Благодаря этому они получают любые оттенки цветов. В Photoshop для передачи цвета также применяются методы смешения цветов. При этом используется одна из двух основных палитр:• RGB –
5.4. Каналы
5.4. Каналы Канал — это коммуникационное устройство, допускающее однонаправленное взаимодействие. Данные, записываемые на "входном" конце канала, читаются на "выходном" его конце. Каналы являются последовательными устройствами: данные всегда читаются в том порядке, в
Среда передачи данных
Среда передачи данных Под средой или способом передачи данных в сети стоит понимать вид связи, с помощью которого соединяются компьютеры.На сегодня используются два типа соединения: проводной и беспроводной.В качестве проводной связи используется практически любой вид
Модель ISO/OSI и протоколы передачи данных
Модель ISO/OSI и протоколы передачи данных Главной в стандартизации сетей и всего, что к ним относится, является модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), разработанная международной организацией по стандартизации (International Standards Organization, ISO). На практике
Каналы передачи данных
Для построения компьютерных сетей применяются каналы связи.
Канал передачи данных — это средства двухстороннего обмена данными, которые включают в себя линии связи и аппаратуру передачи (приема) данных. Каналы передачи данных связывают между собой источники информации и приемники информации.
В зависимости от физической среды передачи данных линии связи можно разделить на:
- проводные линии связи , где для передачи сигналов используются такие линии связи как кабели «витая пара», коаксиальные кабели или оптоволоконные кабели;
- беспроводные (радиоканалы наземной и спутниковой связи), использующие для передачи сигналов электромагнитные волны, которые распространяются по эфиру.
Проводные каналы связи
- Телефонный кабель
- Коаксиальный кабель
- Витая пара
- Оптоволоконный кабель
Проводные (воздушные) линии связи используются для передачи телефонных и телеграфных сигналов, а также для передачи компьютерных данных. По проводным линиям связи могут быть организованы аналоговые и цифровые каналы передачи данных. Скорость передачи по проводным линиям «простой старой телефонной линии» (POST — Primitive Old Telephone System) является очень низкой. Кроме того, к недостаткам этих линий относятся помехозащищенность и возможность простого несанкционированного подключения к сети.
Коаксиальный кабель (coaxial cable) — это кабель с центральным медным проводом, который окружен слоем изолирующего материала для того, чтобы отделить центральный проводник от внешнего проводящего экрана (медной оплетки или слой алюминиевой фольги). Внешний проводящий экран кабеля покрывается изоляцией. Скорость передачи данных
Витая пара (twisted pair) — кабель связи, который представляет собой витую пару медных проводов (или несколько пар проводов), заключенных в экранированную оболочку. Пары проводов скручиваются между собой с целью уменьшения наводок. Витая пара является достаточно помехоустойчивой.
Скорость передачи данных
10 Мбит/с и 100 Мбит/с
Оптоволоконный кабель (fiber optic) – это оптическое волокно на кремниевой или пластмассовой основе, заключенное в материал с низким коэффициентом преломления света, который закрыт внешней оболочкой.
Скорость передачи данных 3Гбит/c
Беспроводные каналы связи
- Wi-Fi
- Bluetooht
- Спутниковые каналы передачи данных
Радиоканалы передачи данных для локальных сетей . Стандартом беспроводной связи для локальных сетей является технология Wi-Fi (wireless fidelity). Wi-Fi обеспечивает подключение в двух режимах: точка-точка (для подключения двух ПК) и инфраструктурное соединение (для подключения несколько ПК к одной точке доступа). Скорость обмена данными до 11 Mбит/с при подключении точка-точка и до 54 Мбит/с при инфраструктурном соединении.
Радиоканалы передачи данных Bluetooht — это технология передачи данных на короткие расстояния (не более 10 м) и может быть использована для создания домашних сетей. Скорость передачи данных не превышает 1 Мбит/с.
Спутниковые каналы передачи данных
В спутниковых системах используются антенны СВЧ-диапазона частот для приема радиосигналов от наземных станций и ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. В спутниковых сетях используются три основных типа спутников, которые находятся на геостационарных орбитах, средних или низких орбитах. Спутники запускаются, как правило, группами. Разнесенные друг от друга они могут обеспечить охват почти всей поверхности Земли.