Характеристика линей связи

 Под компьютерной телекоммуникационной (вычислительной) сетью понимается программно-аппаратный   комплекс, обеспечивающий автоматизированный обмен данными между компьютерами по линиям связи. Для организации такого обмена, в первую очередь, требуется ряд аппаратных средств, позволяющих организовать специальные или использовать уже существующие линии связи для приема и передачи цифровой информации.   

 При использовании  аналоговой линии связи (например, телефонной) для обмена данными  требуется устройство модулятор-демодулятор  (модем), выполняющий преобразование цифровых сигналов в аналоговые. Пример такого устройства — модем для коммутируемой телефонной линии.   

 При использовании  цифровой линии связи (например, специализированной  компьютерной   сети)   применяется устройство-адаптер, выполняющее преобразование кодов в стандарт, используемый сетью. Примером такого устройства может служить адаптер для подключения к сети Ethernet.   

 Комплекс из линии  связи и устройств, передающих  и принимающих информацию, называется  каналом связи. 

 

К основным характеристикам  любого канала связи относят:

Пропускную  способность. Это количество информации, которое можно передать через этот канал за единицу времени. Единицей измерения, таким образом, оказывается количество битов в секунду. В некоторых случаях указывают два числа — пропускную способность при приеме и при передаче данных.

Надежность  канала. Под надежностью канала понимают вероятность возникновения ошибки при передаче данных. Чем меньше вероятность, тем надежнее канал. Надежность канала — интегральная характеристика, которая зависит от типа линии, используемой технологии и конкретного канала. Если возникает необходимость, ее рассчитывают как отношение времени, когда канал не мог передавать данные, ко времени, когда он эти данные передавал.

Максимальную  дальность. В зависимости от используемой технологии передачи данных, канал связи может иметь некоторую максимальную длину. Например, в сети, построенной по стандартам FastEthernet, максимальная длина медного кабеля между узлом и устройством сети — 100 метров.    

 Основными характеристиками  технологий обмена данными, применяемыми при создании сетей, являются характеристики максимальной пропускной способности, количества объединяемых в сеть компьютеров и максимального расстояния, на котором возможен обмен данными. 

 

По этим характеристикам  среди технологий выделяют:

1. Локальные сети. Это сети, с потенциально ограниченным числом компьютеров и/или небольшой длиной линий связи. Такие сети обладают высокой скоростью при сравнительно небольшой цене, но могут увеличиваться только до определенных пределов. Например, в сети FastEthernet не должно быть более 1024 узлов. Если возникает необходимость, то такие сети делят на отдельные сегменты и объединяют с помощью специального оборудования.
2. Территориальные сети. Это сети с потенциально неограниченным числом компьютеров, но сравнительно небольшой длиной линий связи (т. е. расположенные на сравнительно небольшой территории — одного города, например).
3. Глобальные сети. Это сети, объединяющие большие территории. Такие сети, как правило, создаются крупными организациями для предоставления услуг связи. В них используют высокоскоростные, специализированные линии дальней связи. Основное назначение глобальных сетей — организация взаимодействия между более мелкими территориальными сетями.

 

    При создании локальных сетей важное значение имеет общий принцип соединения компьютеров и устройств сети линиями связи. Такой принцип соединения называется топологией сети.  

 

 

    Рассматривают три основные  топологии (фактически, способа соединения):

• Общая шина. Для связи всех компьютеров в сети создается общий канал обмена данными, к которому подключаются все машины (самый простой пример — все компьютеры подключаются к общему кабелю). Способ логически самый простой, но небезопасный, ограничивающий количество компьютеров в сети и иногда приводящий к техническим проблемам.

• Звезда. Компьютеры соединяются со специальным устройством — концентратором (или коммутатором) отдельными линиями связи. При этом возрастает надежность, такая сеть менее чувствительна к отказам, но она требует центрального устройства, прокладки большего количества линий и зависит от работы центрального устройства. Это самый популярный сейчас способ построения сетей.

• Кольцо. В этой топологии компьютеры соединяются по кругу. Физически это реализуется с помощью устройств-коммутаторов, логически — специальным программным обеспечением. Такая топология требует сложных программ, но позволяет контролировать состояние сети (устраняя ошибки или используя резервное «кольцо» связи) и не теряет производительности под большой нагрузкой.

 

 

 

    Сети соединяются между собой  с помощью специализированных компьютеров на основе общих межсетевых протоколов обмена. Межсетевые протоколы обмена — наборы правил, позволяющие передавать информацию независимо от технологии, использованной для организации сети. Такие протоколы позволяют организовать транзитную передачу данных, объединяя так сети. Образованное таким образом самое крупное объединение сетей называется межсетевой средой — Интернетом.

         Амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание

          Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается с помощью таких характеристик, как амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание на определенной частоте.

Амплитудно-частотная  характеристика (рис. 2.7) показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Вместо амплитуды в этой характеристике часто используют также такой параметр сигнала, как его мощность.

                               Рисунок 3 амплитудно-частотная характеристика

Знание амплитудно-частотной  характеристики реальной линии позволяет  определить форму выходного сигнала  практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники.

Несмотря на полноту информации, предоставляемой амплитудно-частотной  характеристикой о линии связи, ее использование осложняется тем  обстоятельством, что получить ее весьма трудно. Ведь для этого нужно провести тестирование линии эталонными синусоидами  по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту  входных синусоид нужно с небольшим  шагом, а значит, количество экспериментов  должно быть очень большим. Поэтому  на практике вместо амплитудно-частотной  характеристики применяются другие, упрощенные характеристики - полоса пропускания  и затухание.

Полоса пропускания (bandwidth) - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Знание полосы пропускания позволяет получить с некоторой степенью приближения тот же результат, что и знание амплитудно-частотной характеристики. Как мы увидим ниже, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Именно этот факт нашел отражение в английском эквиваленте рассматриваемого термина (width - ширина).

Затухание (attenuation) определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Таким образом, затухание представляет собой одну точку из амплитудно-частотной характеристики линии. Часто при эксплуатации линии заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.

Затухание А обычно измеряется в децибелах (дБ, decibel - dB) и вычисляется по следующей формуле:

А = 10 log₁₀ Р_вых /Р_вх,

где Р_вых ~ мощность сигнала на выходе линии, Р_вх - мощность сигнала на входе линии.

Так как мощность выходного  сигнала кабеля без промежуточных  усилителей всегда меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.

Например, кабель на витой  паре категории 5 характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц  при длине кабеля 100 м. Частота 100 МГц выбрана потому, что кабель этой категории предназначен для  высокоскоростной передачи данных, сигналы  которых имеют значимые гармоники  с частотой примерно 100 МГц. Кабель категории 3 предназначен для низкоскоростной  передачи данных, поэтому для него определяется затухание на частоте 10 МГц (не ниже -11,5 дБ). Часто оперируют  с абсолютными значениями затухания, без указания знака.

Абсолютный уровень мощности, например уровень мощности передатчика, также измеряется в децибелах. При этом в качестве базового значения мощности сигнала, относительно которого измеряется текущая мощность, принимается значение в 1 мВт. Таким образом, уровень мощности р вычисляется по следующей формуле: p=10 log₁₀ P/1мВт[дБм] ,где Р - мощность сигнала в милливаттах, а дБм (dBm) - это единица измерения уровня мощности (децибел на 1 мВт). Таким образом, амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание являются универсальными характеристиками, и их знание позволяет сделать вывод о том, как через линию связи будут передаваться сигналы любой формы.

Полоса пропускания зависит  от типа линии и ее протяженности. На рис. 2.8 показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.

Рисунок 4 полосы пропускания линий связи и популярные частотные диапазоны

 

         

          Затухание и волновое сопротивление ( Методы улучшения )

          Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается с помощью таких характеристик, как затухание и полоса пропускания.

Затухание показывает, насколько  уменьшается мощность эталонного синусоидального  сигнала на выходе линии связи  по отношению к мощности сигнала  на входе этой линии. Затухание А обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по следующей формуле:

А = 10 lg Р_вых/Р_вх,

где P_вых — мощность сигнала на выходе линии, а Р_вх — мощность сигнала на ее входе.

При отсутствии промежуточных  усилителей мощность выходного сигнала  кабеля всегда меньше мощности входного, поэтому затухание кабеля, как  правило, имеет отрицательную величину.

Степень затухания мощности синусоидального сигнала при  прохождении им по линии связи  обычно зависит от частоты синусоиды, поэтому полную характеристику дает лишь зависимость затухания от частоты  во всем диапазоне, используемом на практике (Рисунок 3).

                              Рисунок 5 зависимость затухания  от частоты 

Затухание представляет собой  обобщенную характеристику линии связи, так как позволяет судить не о  точной форме сигнала, а о его  мощности (интегральной результирующей от формы сигнала). На практике затухание  является важным атрибутом описания линий связи: в частности, в стандартах на кабель этот параметр считается  одним из основных.

Чаще всего при описании параметров линии связи приводятся значения затухания всего в нескольких точках общей зависимости, при этом каждая из них соответствует определенной частоте, на которой измеряется затухание. Отдельное значение затухания называют коэффициентом затухания. Применение всего нескольких значений вместо полной характеристики связано, с одной  стороны, со стремлением упростить  измерения при проверке качества линии, а с другой, основная частота  передаваемого сигнала часто  заранее известна — это та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому  достаточно знать уровень затухания  на данной частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания  на различных частотах, соответствующих  нескольким основным гармоникам передаваемого  сигнала.

Чем меньше затухание, тем  выше качество линии связи или  кабеля, по которому она проложена. Обычно затухание определяют для  пассивных участков линии связи, состоящих из кабелей и кроссовых  секций, без усилителей и регенераторов. Например, кабель с витыми парами Категории 5 для внутренней проводки в зданиях, применяемой практически для  всех технологий локальных сетей, характеризуется  затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м.

Частота 100 МГц выбрана  потому, что кабель этой категории  предназначен для высокоскоростной передачи данных, чьи сигналы имеют  значимые гармоники с частотой примерно 100 МГц. Более качественный кабель Категории 6 уже имеет на частоте 100 МГц затухание не ниже -20,6 дБ, т. е. мощность сигнала снижается в меньшей степени. Часто в документации приводятся абсолютные значения затухания, т. е. его знак опускается, так как затухание всегда отрицательно для пассивного, не содержащего усилители и регенераторы, участка линии, например непрерывного кабеля.