Автоматические системы управления и связь

 

 

Рис. 2.18. Сеть с шинной топологией

 

Сеть  с шинной топологией простая, её легко  наращивать и конфигурировать, а  также адаптировать к различным  системам. Обладает высокой надёжностью. Сеть с шинной топологией применяет  сеть Ethernet.

В сети с  кольцевой топологией все узлы соединены  в единую замкнутую петлю (кольцо) каналом связи (рис. 2.19) [1].

 

 

Рис. 2.19. Сеть с кольцевой топологией

 

Выход одного узла сети соединяется  со входом другого. Информация по кольцу передаётся от узла к узлу, и каждый узел ретранслирует переданное сообщение. В каждом узле для этого имеется своя интерфейсная и приёмопередающая аппаратура, позволяющая управлять прохождением данных в сети. Передача данных в сети осуществляется только в одном направлении. Принимающий узел распознаёт и получает только адресованные ему сообщения.

Сеть  с кольцевой топологией гибкая и  надёжная. Получила широкое распространение  на практике, например Token  Ring.

Основу  сети с радиальной топологией составляет сервер, к которому подсоединены рабочие  станции, каждая по своей ЛС. Вся  информация передаётся через центральный  узел, который ретранслирует, переключает  и маршрутизирует информационные потоки в сети (рис. 2.20) [1].

 

                    

 

Рис. 2.20. Сеть с радиальной топологией

 

Такая сеть представляет собой аналог системы  телеобработки, у которой все  абонентские пункты являются интеллектуальными, поскольку содержат в своём составе  компьютер. В качестве недостатков  такой сети можно отметить большую  загруженность центральной аппаратуры и полную потерю работоспособности  при её отказе.

Следующим этапом развития сетевых технологий становится создание корпоративных  и глобальных сетей. Базой для  организации глобальной сети Интернет стала корпоративная сеть Министерства обороны США ARPANet (ARPA –Advanced Research Projects Agency). Сеть строилась как устойчивая к внешним влияниям закрытая инфраструктура, способная выжить в условиях воздействия поражающих факторов ядерного взрыва.

Основу  Интернета составляют высокоскоростные телекоммуникационные магистральные  сети. К магистральной сети через  точки сетевого доступа NAP (Network Access Point) подсоединяются автономные системы, каждая из которых уже имеет своё административное управление, свои внутренние протоколы маршрутизации.

Основные  ячейки Интернета – это локальные  вычислительные сети, кроме того, возможно самостоятельно подключать персональный компьютер к Интернету. Компьютеры, непосредственно подключённые к Интернету, называются хост-компьютерами. Скорость доступа к сети определяется пропускной способностью каналов связи между автономными системами. Для модемного доступа по коммутируемым телефонным каналам связи эта скорость составляет 19–56 кбит/с, по выделенным телефонным линиям – от  
64 кбит/с до 2 Мбит/с, для сетей, использующих ВОЛС и спутниковые каналы связи пропускная способность превышает 2 Мбит/с. Зависимость времени передачи информации от её объёма и скорости передачи данных представлена в табл. 2.1 [1].

 

 

 Таблица 2.1

 

Зависимость времени передачи информации от её объёма и скорости передачи данных

 

Объект	Объём файла	Скорость передачи данных, кбит/с
		9,6	14,4	28,8	33,6	64	2000
Страница текста	5 кбайт	7,5 с	5 с	2,5 с	2 с	1,1 с	0,04 с
Фрагмент с графикой	30 кбайт	45 с	30 с	15 с	12 с	7 с	0,22 с
Цифровая фотография	150 кбайт	225 с	150 с	75 с	60 с	35 с	1,1 с
Газета на 6 страницах	1 Мбайт	25 мин	17 мин	9 мин	7 мин	4 мин	7,5 с
Короткий мультфильм	5 Мбайт	2 ч	80 мин	40 мин	З5 мин	20 мин	38 с
Полноэкранное видео	20 Мбайт	8 ч	5,5 ч	2,7 ч	2,2 ч	1,3 ч	150 с

 

Структура сети Интернет клиент-серверная. То есть в сети имеются компьютеры, в основном получающие информацию из сети, – клиенты и компьютеры, снабжающие клиентов информацией, – серверы. Структура фрагмента сети Интернет показана на рис. 2.21 [1].

 

 

Рис. 2.21. Структура  фрагмента сети Интернет

 

Для организации  работы разнородных компьютеров  в сети используется система протоколов. Основу этой системы составляют два  протокола:

– Internet Protocol (IP) – межсетевой протокол;

– Transmission Control Protocol (TCP) – протокол управления передачей.

На основе этих протоколов разработаны  сетевые прикладные сервисные протоколы. Для того чтобы протокол ТСP мог их опознать, они идентифицируются номерами, носящими название портов. Например, порт 21 – процесс передачи файлов FTP, порт 23 – процесс удалённого доступа к файлам Telnet.

Адреса  хост-компьютеров могут иметь двойную кодировку:

– обязательный цифровой IP-адрес;

– необязательный доменный DNS-адрес.

Цифровой  адрес в десятичном коде может  записываться следующим образом: 152.37.72.138. Здесь 157.37 – адрес сети, 72 – адрес  подсети, 138 – адрес компьютера.

Доменный адрес состоит из нескольких, отделяемых друг от друга точкой буквенно-цифровых доменов (домен – область). Этот адрес  построен на основе иерархической классификации: каждый домен, кроме крайнего левого, определяет группу компьютеров, выделенных по какому-либо признаку, при этом домен  группы, находящийся слева, является подгруппой правого домена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. ОСНОВЫ РАДИОСВЯЗИ

3.1. Основные элементы радиосвязи

 

3.1.1. Излучение и распространение радиоволн. Антенны и антенно-фидерные устройства

 

Радиосвязь  – вид связи, осуществляемый посредством  радиоволн. В основе радиосвязи лежит  преобразование электрической частоты  в электромагнитные колебания радиопередатчиком, распространение их в пространстве и обратное преобразование радиоприёмником  электромагнитных колебаний в электрические  колебания.

Электромагнитные  волны излучаются проводником, по которому проходит ток высокой частоты. Закрытый колебательный контур не излучает электромагнитных колебаний, так как  электрическое поле сосредоточено в конденсаторе, а магнитное – в катушке.

Если  раздвинуть обкладки конденсатора и  развернуть соединительные провода  в прямую линию, то токи в этих проводах будут иметь одинаковое направление. Такой контур называется открытым, и он может излучать электромагнитные волны. Открытый контур в виде прямолинейного провода, в котором могут происходить  электрические колебания, называют симметричным вибратором или просто вибратором (диполем). Чтобы колебания  были незатухающими, его соединяют  с генератором индуктивной связью. Простейшее антенное устройство для  длинных и средних волн показано на рис. 3.1 [3]. 

 

 

   

                                 

Рис. 3.1. Антенное устройство: а – с заземлением; б – с противовесом

 

Над землёй на некоторой высоте (чем выше, тем  лучше) подвешивается антенна –  провод или система проводов, играющая роль одной обкладки конденсатора. Второй обкладкой является земля  или второй провод – противовес, подвешенный невысоко над землёй.

Вибратор  – основная часть антенн, работающих на коротких и ультракоротких волнах. Мощность излучаемых волн рассчитывается по формуле [3]

 

 

                                Р_изл = I²_a · R_изл,                                             (3.1)

 

где I_a – ток в пучности вибратора; R_изл – сопротивление излучения вибратора, величина которого составляет 73–80 Ом.

Сопротивление излучения вибратора определяется по формуле [3]

 

R_изл = 80π² · (l / λ ),                                          (3.2)

 

где l – длина провода антенны; λ – длина волны.

Распространяющиеся  от вибратора электромагнитные волны  всегда имеют определённую поляризацию, т. е. электрические и магнитные  силовые линии располагаются  в соответствующих плоскостях. На рис. 3.2 [3] приведено графическое изображение электромагнитной волны. Вектор электрического поля  расположен в вертикальной плоскости, вектор магнитного поля  – в горизонтальной. Оба эти вектора перпендикулярны вектору Умова – Пойтинга . Направление вектора Умова – Пойтинга совпадает с направлением распространения волн, а его длина в принятом масштабе соответствует количеству электромагнитной энергии, которую переносят радиоволны:

 

 =  · .                                                 (3.3)

 

             

 

Рис. 3.2. Графическое изображение  электромагнитной волны

 

По мере удаления от излучающей антенны плотность  потока энергии радиоволн уменьшается [3]:

 

П = Р_изл / 4πr²,                                              (3.4)

 

где r – расстояние от излучателя.

Частота собственных  колебаний открытого контура  зависит от ёмкости и индуктивности  провода. Более длинному проводу  соответствует бóльшая ёмкость и индуктивность, а следовательно, и бóльшая длина волны и меньшая частота. Зависимость частоты собственных колебаний антенны от её длины рассчитывается по формуле [3]

 

f = 150 000 / l,                                               (3.5)

 

Максимальная  мощность, излучаемая антенной, может  быть достигнута при условии равенства  частоты генератора и частоты  собственных колебаний открытого  контура (антенны). Простейший вид антенны  – одиночный прямолинейный провод, вдоль которого укладывается половина длины волны (λ/2). Протекающий в  передающей антенне переменный ток  радиочастоты замыкается через ёмкость  между антенной и землёй (рис. 3.3, а) [3]. Для уменьшения сопротивления цепи тока высокой частоты основание антенны заземляется. Чем меньше сопротивление заземления и больше проводимость грунтов, тем лучше условия излучения и ниже потери. Заземление может быть выполнено специальным противовесом (рис. 3.3, б) [3]. Симметричный (полуволновой) вибратор излучает радиоволны с неодинаковой интенсивностью в различных плоскостях.

Для оценки направленных свойств антенны любого типа служит коэффициент направленного  действия (КНД), который показывает, во сколько раз нужно увеличить  мощность излучения при переходе от направленной антенны к ненаправленной, чтобы сохранить неизменной напряжённость поля в пункте приёма.

 

 

 

 

 

 

  Рис. 3.3. Простейший  вид антенны: а – схема протекания токов в антенне; б – устройство противовесов

 

Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько  раз нужно увеличить мощность передатчика при переходе от направленной антенны к ненаправленной, чтобы  сохранить неизменной напряжённость  поля в пункте приёма. Коэффициент  усиления антенны рассчитывается по формуле [3]

 

 

                                   σ = D ∙ η_a,                                                 (3.6)

 

где σ –  коэффициент усиления антенны; D – коэффициент направленного действия; η_a – коэффициент полезного действия.

Наводимая эдс в приёмной антенне от приходящей радиоволны Е_пр связана с напряжённостью электромагнитного поля Е в месте приёма соотношением [3]

 

 

                                   Е_пр =  Е ∙ h_д,                                              (3.7)

 

где h_д – действующая высота приёмной антенны.

Фидер –  это электрическая цепь и вспомогательные  устройства, с помощью которых  осуществляется передача электрических  колебаний радиочастоты. По конструкции  фидеры подразделяются на симметричные открытые линии из параллельных проводов, симметричные и коаксиальные кабели, волноводы и т. д.