Имя материала: Информационные системы и технологии в экономике

Автор: Т.П. Барановская

6.6. физический и канальный уровни

 

Современные системы связи способны передавать сообщения в любой форме: телеграфные, телефонные, телевизионные, массивы данных, печатные материалы, фотографии и др. [29]. Относительно эталонной модели взаимодействия открытых систем процедуры передачи данных действуют на физическом и канальном уровнях.

В соответствии со спецификой передаваемых сообщений организуется канал, представляющий собой комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов от источника к потребителю. К основным параметрам, характеризующим канал связи, относятся ширина полосы пропускания, допустимый динамический диапазон изменений амплитуды сигнала, а также уровень помех.

Передача больших информационных потоков на значительные расстояния осуществляется с помощью кабельных, радиорелейных и спутниковых линий связи. В ближайшие годы можно ожидать широкого применения оптической связи по оптоволоконным кабелям.

Рассмотрим основные принципы передачи информации с помощью электрических сигналов. Эти принципы, многие из которых носят фундаментальный характер, прочно вошли в практику не только систем электросвязи, но и вычислительной техники и, конечно, информационных технологий.

 

6.6.1. МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ

 

Сообщение для передачи данных с помощью средств электросвязи (так у нас принято называть то, что на Западе называют telecommunication) должно быть предварительно преобразовано в сигнал, под которым понимается изменяющаяся физическая величина, адекватная сообщению. Процесс преобразования сообщения в сигнал называется кодированием [29].

По физическим законам излучение электромагнитных волн эффективно, если размеры излучателя соизмеримы с длиной излучаемой волны, поэтому передача сигналов по радиоканалам, кабелям, микроволновым линиям производится на высоких частотах (т. е. на весьма коротких волнах). Сигнал передается на несущей частоте. Процесс изменения параметров несущей в соответствии с сигналом, передаваемым на этой несущей, называют модуляцией. Модуляция — основной процесс (функция) передатчика.

Гармоническая (синусоидальная) несущая и имеет три информационных параметра, которые можно модулировать, — амплитуду, частоту и фазу:

 

и =

где   U —   амплитуда гармонического колебания: й>о — частота несущей; Щ  — начальная фаза.

Соответственно этому при передаче сигналов используют амплитудную, частотную или фазовую модуляцию, которая в случае применения дискретных сигналов называется манипуляцией.

Наиболее помехоустойчивой, т.е. невосприимчивой к помехам, оказывается фазовая модуляция или манипуляция (ФМн). Это объясняется амплитудным характером воздействующих помех, и такой параметр, как фаза несущей, менее других параметров подвергается губительному воздействию помех. Фазомани-пулированный сигнал представляет собой отрезок гармонического колебания с изменяющейся на 180° фазой. В векторной форме это можно изобразить так, как показано на рис. 6.10, а.

При векторном изображении сигналов помехи также можно рассматривать как случайные векторы со случайными амплитудой и фазой. Такое геометрическое представление сигналов и помех позволяет легко понять, почему ФМн-сигнал с двумя значениями фазы оказывается наиболее помехоустойчивым. Дело в том, что приемник при приеме сигналов решает задачу, в какой из областей решения находится сигнал (верхней или нижней, см. рис. 6.10, а). В том случае, когда область принятия решения состоит только из двух частей, вероятность ошибки наименьшая. Однако если 2ФМн-сигнал переносит один сигнал, то 4ФМн переносит сразу два сигнала (см. рис. 6.10, 8ФМн — четыре сигнала (см. рис. 6.10, в).

Прохождение сигналов по каналу связи (рис.           всегда со-

провождается искажениями и воздействием помех. Поэтому основной функцией приемника является распознание в принимае-

Источник

Линия             Приемник

Кодер -^Модулятор")—СР-фемодулятор)-» "Декодер [»П

ttt м

Шумы

 

Рис. 6.11. Схема передачи информации по каналу связи

 

мых колебаниях переданного сигнала. Эту операцию приемник производит в процессе демодуляции, т. е. в процессе выделения передаваемого сигнала, после чего он преобразовывается в сообщение.

Каналом связи (каналом передачи информации) называют совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сигналов от одного пункта к другому. Непременной составной частью любого канала является линия связи — проводная, кабельная, радио, микроволновая, оптическая, спутниковая.

В современных цифровых системах связи основные функции передатчика и приемника выполняет устройство, называемое модемом. Он представляет собой совокупность передатчика и приемника в одном корпусе для осуществления проводной дуплексной связи. Если терминал находится на значительном расстоянии от компьютера, например в соседнем здании или другом городе, или связь пользователя с компьютером происходит через обычную телефонную сеть, необходимы приемопередатчики на оконечных пунктах линии, и их функции выполняет модем.

Выпускаемые в настоящее время модемы различны по конструкции, но, как правило, состоят из интерфейсной части для соединения с компьютером, кодера и декодера, модулятора и демодулятора. Часто в состав модема входят шифрующее и дешифрующее устройства, обеспечивающие секретность передаваемой информации. Имеются также способы, обеспечивающие скрытность передачи. Модем в зависимости от типа производит амплитудную, частотную или фазовую модуляцию. В целях уплотнения полосы канала чаще всего используют многократную фазовую манипуляцию (см. рис. 6.10). Типовые скорости передачи у модемов: 2 400, 4 800, 9 600, 14 400, 19 200, 28 800, 33 600 и 57 600 бит/с.

6.6.2.  ЕМКОСТЬ КАНАЛА СВЯЗИ

 

Скорость передачи информации, а ее предельно допустимое значение для данного канала называют емкостью канала, относится к фундаментальным понятиям теории связи, она служит одной из главных характеристик канала передачи информации. Оценка скорости передачи информации и предельных возможностей канала связи представляет большой практический и теоретический интерес.

Рассматривая процесс передачи информации в общих чертах, можно предположить, что основными факторами, ограничивающими скорость передачи информации, являются полоса пропускания F и уровень помех.

Существует фундаментальная теорема о выборках, которая доказывает, что сигнал, не содержащий в своем спектре частот выше значения F, может представляться 2F независимыми значениями в секунду, а совокупность значений, отстоящих друг от друга на Т секунд, определяет непрерывный сигнал полностью. Заметим, что выборкой является отсчет амплитуды сигнала в определенный момент (на рис. 6.12, а можно увидеть эти выборки, проводимые через интервал

 

Рис. 6.12. Представление непрерывного сигнала в виде дискретных отсчетов (выборок), взятых через интервал 1/2F (а) и квантованных по амплитуде (б)

 

Термин выборки происходит от английского слова sample (в переводе — образец, модель, проба), теорему о выборках называют также теоремой отсчетов.

Эта теорема позволяет на интервале Т заменить непрерывный сигнал с ограниченным спектром последовательностью его дискретных значений, причем их нужно не бесконечное число, а вполне определенное, равное Уровень шумов (помех) не позволяет точно определить амплитуду сигнала и в этом смысле вносит некоторую неопределенность в значение отсчетов сигнала.

Максимально возможная скорость передачи информации по каналу связи при фиксированных ограничениях называется емкостью канала, обозначается буквой С и имеет размерность бит/с.

Рассмотрим соотношение для емкости канала связи, являющееся фундаментальным соотношением в теории связи. Оно позволяет понять некоторые принципиальные зависимости при передаче информации вообще.

Напомним, что количество информации снимающее неопределенность о состоянии объекта с L равновероятными состояниями, рассчитывается по формуле

J = logL.

Основание логарифма здесь не имеет значения. Если основание равно 2, то единицей измерения количества информации оказывается бит.

Определим количество различных сообщений, которое можно составить из п элементов, принимающих любые из т различных фиксированных состояний. Из ансамбля п элементов, каждый из которых может находиться в одном из т фиксированных состояний, можно составить т" различных комбинаций, т. е. L = тп. Тогда:

При полосе F наибольшее число отсчетов сигнала равно 2F в единицу времени или 2/<Тза время Т, т. е. п = 2FT.

Если бы шума не существовало, то число дискретных уровней сигнала было бы бесконечным. В случае наличия шума последний определяет степень различимости отдельных уровней амплитуды сигнала. Так как мощность является усредненной характеристикой амплитуды, число различимых уровней сигнала по мощности равно       +       /       а по амплитуде соответственно

m- tJ(Pc +Рш ) / Рш > где Рс — мощность сигнала; Рш— мощность шума. Тогда емкость канала рассчитывается по формуле

Итак, емкость канала ограничивается двумя величинами: шириной полосы канала и шумом. Приведенное соотношение известно как формула Хартли — Шеннона и считается основной в теории информации.

Полоса частот и мощность сигнала входят в формулу таким образом, что да я С — const при сужении полосы необходимо увеличивать мощность сигнала, и наоборот.

Емкость канала является максимальной величиной скорости. Чтобы достигнуть такой скорости передачи, информация должна быть закодирована наиболее эффективным образом. Утверждение, что такое кодирование возможно, является важнейшим результатом созданной К.Э. Шенноном теории информации. Шеннон доказал принципиальную возможность существования такого эффективного кодирования, не определив, однако, конкретных путей его реализации. (Отметим, что на практике инженеры часто говорят о емкости канала, подразумевая под этим реальную, а не потенциальную скорость передачи.)

Эффективность систем связи характеризуется параметром, равным скорости передачи информации R на единицу ширины полосы F, т. е. R/F. Для иллюстрации существующих возможностей по созданию эффективных систем связи на рис. приведе-

1 — граница Шеннона; 2 — М-ичная фазовая модуляция; 3 — М-ичная амплитудная модуляция; 4 — М-ичная частотная модуляция

ны графики зависимости эффективности передачи информации при различных видах М-ичной дискретной амплитудной модуляции (AM), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) (кроме бинарной модуляции используется также модуляция с 4, 8, 16 и даже с 32 положениями модулируемого параметра) от отношения энергии одного бита к спектральной плотности мощности шума (£b / No). Для сравнения показана также граница Шеннона.

Сравнение кривых показывает, в частности, что при неизменном отношении "сигнал — шум" наиболее популярный вид модуляции 4ФМ в три раза хуже потенциально достижимого. Из сравнения кривых можно сделать более общие выводы: наиболее эффективной оказывается передача с фазовой дискретной модуляцией; современные методы кодирования и модуляции еще весьма далеки от совершенства.

 

6.6.3.   КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

 

Кодированием называется сопоставление алфавитов, а правило, по которому оно проводится, — кодом. Иными словами, кодирование можно определить как представление сообщений в форме, удобной для передачи по данному каналу. Электрический ток в телефонных проводах — это кодированная речь, а звуковые волны речи — это кодированные колебания голосовых

В рассматриваемом нами конкретном случае кодирование есть представление по определенным правилам дискретных сообщений в некоторые комбинации, составленные из определенного числа элементов — символов. Эти элементы называются элементами кода, а число различных элементов, из которых слагаются комбинации, — основанием кода. Элементы кода образуют кодовые комбинации. Например, если мы составляем комбинации из различных сочетаний 0 и 1, то это код с основанием два, или двоичный код. Если все комбинации имеют одинаковое число знаков, код называется равномерным. Широко известный код Морзе — неравномерный код. Правило кодирования обычно выражается кодовой таблицей, в которой каждому символу сообщения ставится в соответствие определенная кодовая комбинация.

Кодовое представление дискретных значений сигнала осуществляется с помощью цифр, но необязательно десятичных. Напомним, что в десятичной системе, называя число, мы указываем, сколько единиц от нуля до девяти имеется в разряде единиц, в разряде десятков, сотен, тысяч и т. д. То же происходит в любой другой системе счисления с другим основанием. В десятичной системе мы пользуемся десятью цифрами: 0,1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9. В двоичной системе счисления в нашем распоряжении только две цифры: 0 и 1.

Если пронумеровать все буквы алфавита и необходимые специальные символы и выразить каждую цифру в двоичной системе счисления, получится натуральный двоичный код данного алфавита. Очевидно, что число разрядов в двоичной системе больше, чем в десятичной, так как основание системы счисления меньше.

Число кодовых комбинаций определяется числом дискретных значений сигнала. Например, если в языке 32 буквы (или букв и знаков), то для передачи сообщений на этом языке необходимо иметь 32 различные кодовые комбинации. В десятичной системе это означало бы передачу 32 цифр от 0 до 31. В двоичной системе необходимо составить отличающиеся друг от друга 32 кодовые комбинации, и так как 32 = 25, эти комбинации должны быть из 5 элементов, например 01010, 11111, 11001 и т. д. Число возможных кодовых комбинаций для представления 32 букв колоссально: 32! Один из этих вариантов есть натуральный пятизначный двоичный код, используемый для передачи букв латинского и русского алфавитов. При цифровом кодировании речевых сигналов исходят из практического наблюдения: искажения сигнала невелики, если его изменения представлять 128 амплитудными значениями, т. е. для его передачи необходимо 128 кодовых комбинаций. Для двоичного кода из соотношения 2" = 128 определяем, что длина кодовой комбинации п - 1. Таким образом, для передачи речевых сигналов нужен код с 7-элементными кодовыми комбинациями. Обычно речевой сигнал по спектру ограничен частотой 4000 В этом случае речь в цифровой форме необходимо передавать со скоростью (вспомним теорему о выборках) 4000 • 2 • 7 = 56 Кбит/с. Заметим, что обычно в комбинацию добавляют один служебный символ, и тогда комбинация становится 8-элементной, а необходимая скорость передачи увеличивается до 64 Кбит/с.

Остановимся также на принципах помехоустойчивого кодирования, играющего чрезвычайно важную роль в развитии средств передачи информации. Отметим, что теория помехоустойчивого кодирования является достаточно сложной, и наши рассуждения носят весьма упрощенный характер.

Основным условием обнаружения и исправления ошибок в принимаемых кодовых комбинациях является избыточность. Поясним это на примере.

Условимся, что необходимо передавать только четыре сообщения: А, Б, В и Г. Для передачи этих сообщений можно составить четыре 2-элементные комбинации:

А Б В Г 00       01       10 11

Пусть помехи воздействуют на комбинацию таким образом, что изменяют только один из ее элементов. Если помехе подверглась комбинация 00 и она вследствие этого превратилась в комбинацию 01, то мы не обнаружим ошибку, а будем просто считать, что вместо А передатчик послал Б; и так будет со всеми четырьмя комбинациями.

Теперь введем избыточность. Используем для передачи А, Б, В и Г 3-элементные кодовые комбинации, которых, кстати, может быть всего восемь. Выберем из восьми возможных комбина-цийООО, 001, 010, 100, ПО, 011, 101, 111 (других комбинаций быть не может) только четыре, но так, чтобы они максимально отличались друг от друга: 000, 011, 101, ПО.

Пусть теперь в результате действия помехи изменится один из элементов в любой из выбранных комбинаций. Она не будет идентичной ни одной из наших комбинаций, и мы сразу укажем, что принята ошибочная. Таким образом, для передачи сообщений А, Б, В, Г код 00, 01, 10, 11 годится, но он не помехоустойчив, код же 000, 011, 101, ПО является помехоустойчивым. При этом следует оговориться, что он помехоустойчив только к таким помехам, которые могут привести лишь к однократной ошибке в комбинации. При двукратной ошибке код не помехоустойчив. Для защиты от таких помех сообщений А, Б, В и Г пришлось бы допустить еще большую избыточность, используя 4-элемент-ные кодовые комбинации, т. е. выбрав четыре комбинации из 16

Таким образом, обнаружить ошибку невозможно, если любой принятый символ служит сообщением. Ошибки можно обнаружить только в том случае, если на возможные сообщения наложены некоторые ограничения.

Итак, одним из основных достоинств передачи информации в цифровой форме является возможность использования кодированных сигналов и оптимального в заданных условиях способа их приема. Важно, что при цифровой передаче все типы сигналов, такие, как речь, музыка, телевидение, данные, могут объединяться в один общий поток информации, передача которого формализована. Кроме того, уплотнение при одновременном использовании компьютера позволяет эффективнее использовать спектр и время, защитить канал от несанкционированного доступа, объединить в единый процесс передачу цифровой информации и цифровую коммутацию каналов и сообщений.

 

6.6.4.  УПЛОТНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ

 

На практике часто требуется осуществить одновременную передачу информации от многих источников по одному каналу ко многим получателям, т. е. осуществить многоканальную передачу. Следует сказать, что современные системы передачи информации практически всегда многоканальные [29].

Способ объединения отдельных сообщений в один групповой сигнал с последующим разделением сообщений на индивидуальные называется уплотнением или мультиплексированием. К классическим методам уплотнения относятся частотное, временное и кодовое.

Современная техника связи позволяет организовывать широкополосные каналы, поэтому целесообразно использовать методы, позволяющие передавать наибольшее число телеграфных, телефонных, телевизионных и других сообщений на одной несущей или в отведенном интервале частот.

Сущность методов мультиплексирования состоит в том, что сообщения от нескольких источников определенным образом комбинируются в групповой сигнал и принимаются с помощью одного приемопередатчика. Поскольку современная система связи обычно является многоканальной, необходимой частью любой системы передачи информации служит мультиплексор (рис. 6.14).

 

Модем Модем

Высокоскоростной

Мультиплексор ^£>4       канал    ейВ^І Мультиплексор

 

Рис. 6.14. Схема цифровой системы связи

 

' Наиболее известным является способ частотного мультиплексирования, когда в полосе пропускания канала размещается множество каналов, разделенных с помощью фильтрации по частоте (рис. 6.15, а). Каждый частотный канал представлен своим спектром. Его временная структура может быть различной — это может быть последовательность импульсов или телефонное сообщение. Соответствующая настройка разделительных фильтров приемника позволяет разделить принимаемый групповой сигнал на отдельные сигналы.

При временном мультиплексировании в условном временном интервале размещают последовательно отрезки сообщений, например кодовые последовательности каждого частного канала (рис. 6.15, б). Если при частотном мультиплексировании сообщения от разных абонентов передаются одновременно по общему каналу, при временном мультиплексировании передача осуществляется строго по очереди, т. е. полоса пропускания канала предоставляется полностью на определенный интервал времени каждому абоненту. На практике обычно группы каналов объединяются в супергруппы, и при каждом иерархическом объединении может применяться разный способ модуляции несущей.

Аналоговый сигнал, например, в телефонном канале преобразуется в цифровой с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) и передается в каналах с временным мультиплексированием. Передача организуется так: выборки каждого непрерывного сигнала сдвигаются на интервал, достаточный для передачи соответствующей кодовой комбинации. При передаче п непрерывных сигналов в стандартном интервале времени размещают п кодовых комбинаций, по одной на каждую выборку каждого сигнала. При этом полоса частот группового сигнала увеличивается

примерно в п раз. Например, 24-канальная система для передачи речи работает со скоростью 1544 Кбит/ с (скорость одного канала 64 Кбит/с).

Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии разработал стандарты образования многоканальных сообщений при временном мультиплексировании. Прежде всего были предложены 8-разрядный равномерный код для указания значений уровней квантования сигнала и закон квантования, названный "А=87,6". Для проведения выборок, изображенных на рис. 6.12, был использован линейный закон квантования, когда интервалы квантования одинаковы. Закон квантования А=87,6 является нелинейным, он лучше учитывает природу восприятия человеком речевых сигналов. Частота дискретизации телефонного сообщения принята равной 8 кГц. При этом скорость передачи одного телефонного сообщения оказывается равной 64 Кбит/с.

Так как принципиальной основой многоканальной цифровой системы передачи информации является временная шкала, определяющая расстановку информационных и служебных сигналов, соединение цифровых систем различной емкости в единую сеть возможно лишь при условии кратного соответствия временных шкал различных систем и стандартизации групповых сигналов и способов синхронизации. С этой целью разрабатывается иерархия (соподчиненность) цифровых систем.

Под уровнем цифровой системы понимается число каналов или скорость передачи. Иерархия предусматривает возможность образования цифровыми системами низшего порядка системы более высокого порядка. На одном уровне объединяется фиксированное число цифровых сигналов системы более низкого уровня для образования суммарного цифрового сигнала более высокого уровня.

Например, первый уровень соответствует многоканальной передаче 30 телефонных сообщений в цифровой форме. Для этого требуется суммарная скорость передачи 2048 Кбит/с. Второй уровень образован из четырех систем первого уровня с учетом необходимой служебной информации. Он имеет суммарную скорость 8448 Кбит/с. Система второго уровня способна передавать 120 телефонных каналов или один видеотелефонный. Третий и четвертый уровни по рекомендации МККТТ соответствуют скоростям 34,368 и 139,264 Мбит/с.

Некоторые фирмы или страны работают по своим стандартам. В табл. 6.2 приведены сведения об иерархии уровней цифровых систем (скоростей передачи).

Иерархия скоростей цифровых систем является важной эксплуатационной характеристикой. Она предусматривает адаптивность систем к любым цифровым каналам (от обычных телефонных до волоконно-оптических) и всем информационным сигналам (от речевых до сигналов цветного телевидения).

Существует много причин, вызывающих необходимость стандартизации скоростей передачи цифровой информации. К ним относятся требования потребителей каналов к универсальности передающей аппаратуры по отношению к различным источникам информации, необходимости планирования развития сетей передачи данных с учетом старой и новой аппаратуры при гармоническом сочетании систем, надежности и гибкости сети передачи данных. Благодаря соблюдению стандартов иерархии можно осуществлять передачу цифровой информации по комбинированным системам с использованием кабельных, радио-, спутниковых, волоконно-оптических и других каналов.

 

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 |