Понятие линии и канала связи

Для передачи сигналов между взаимодействующими системами в компьютерных сетях используются линии связи.

В узком смысле под термином линия связи (transmission link, link) подразумевается физическая среда, по которой передаются сигналы между двумя конечными системами. Сигналы формируются специальными техническими средствами (передатчиками, усилителями, мультиплексорами и т.д.), относящимися к сетевому оборудованию.

Среда передачи (transmission medium) или физическая среда - материальная субстанция, через которую осуществляется распространение сигналов.

В компьютерных сетях используют два типа сред передачи: кабельную и беспроводную.

 

Рис. 3.1 Типы сред передачи

Основой беспроводных сред передачи является земная атмосфера или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны. В кабельных средах передачи используются кабели различных типов: коаксиальные, волоконно-оптические, витая пара. Передача сигналов в них осуществляется с помощью электрических (электрический ток) или оптических (свет) сигналов.

В широком смысле под термином « линия связи» в области компьютерных сетей подразумевают канал связи.

Канал связи (channel, data link) представляет собой совокупность одной или нескольких физических сред передачи и каналообразующего (сетевого) оборудования, которые обеспечивают передачу данных между взаимодействующими системами в виде сигналов, соответствующих типу физической среды.

В этом контексте термины «линия связи» и «канал связи» являются синонимами.

Рис. 3.2 Канал связи

 

Различают физические (physical link) и логические (logical link) каналы. Физический канал связи представляет собой средство передачи сигналов между взаимодействующими системами. В зависимости от типа передаваемых сигналов и физической среды, используемой для их распространения, физические каналы подразделяются на электрические (витая пара, коаксиальный кабель), оптические (волоконно-оптический кабель) и беспроводные (радиоканалы, инфракрасные каналы и т.д).

Логические каналы устанавливаются между протоколами любых уровней модели OSI взаимодействующих систем и определяют путь, по которому данные передаются от источника к приемнику через один или последовательность физических каналов.

При прокладке в физическом канале нескольких логических каналов, ресурсы физического канала распределяются между логическими каналами с помощью методов мультиплексирования.

Рис. 3.3 Физический и логический каналы связи

 

Каналы (линии) связи можно классифицировать на основе следующих признаков:

● по типу физической среды;

● по типу представления передаваемой информации;

● по направлению передачи данных;

● по времени существования;

● по способу подключения;

● по ширине полосы пропускания.

В зависимости от типа представления передаваемой информации каналы делятся на аналоговые, предназначенные для передачи аналоговых сигналов и дискретные, служащие для передачи дискретных (цифровых) сигналов.

В зависимости от направления передачи данных различают каналы:

● симплексные (simplex), в которых передача осуществляется только в одном направлении;

● полудуплексные (half-duplex), в которых передача ведется поочередно в прямом и обратном направлении;

● дуплексные (duplex), в которых передача ведется одновременно в двух направлениях - прямом и обратном.

Рис. 3.4 Симплексный канал

 

Рис. 3.5 Полудуплексный канал

 

Рис. 3.6 Дуплексный канал

Также каналы можно классифицировать по времени доступности для абонента. Каналы между конечными системами, которые доступны для передачи данных на длительное время за счет постоянно существующего соединения с заданными характеристиками, называются выделенными или некоммутируемыми. Каналы связи, передача данных по которым возможна только после установления соединения между взаимодействующими системами, называются коммутируемыми или временными. При этом канал будет существовать только в течение сеанса связи, т.е. времени, требуемого для передачи данных.

По способу подключения каналы делятся на: «точка-точка» (point-to-point), «точка-многоточка» (point-to-multipoint), «многоточка» (multipoint). Канал «точка-точка» связывает только два узла или две взаимодействующих системы. Канал «точка-многоточка» обеспечивает соединение одной центральной системы (узла) с группой других систем (узлов). Канал «многоточка» обеспечивает подключение друг к другу группы узлов или систем.

Важной характеристикой канала связи является его полоса пропускания (bandwidth). В зависимости от ширины полосы пропускания (разности между граничными частотами полосы пропускания) и способа передачи сигналов каналы делятся на основополосные (baseband channel) и широкополосные (broadband channel).

Основополосный канал характеризуется простотой и дешевизной реализации, в связи с чем, широко используется в локальных сетях (слово «BASE» в названиях спецификаций физического уровня Ethernet (например, 10BASE-T, 100BASE-FX, 1000BASE-SX), указывает на основополосную передачу). Сигнал по основополосному каналу передается в основной полосе частот, т.е. без модуляции несущей, при этом вся полоса пропускания используется для передачи только одного сигнала.

В отличие от основополосного канала, вся полоса пропускания широкополосного канала разделяется между несколькими логическими каналами с помощью методов мультиплексирования, что позволяет одновременно и независимо друг от друга выполнять передачу сигналов между несколькими парами взаимодействующих систем. Технологии широкополосного доступа (например, xDSL, PowerLine (PLC), 3G (UMTS), 4G (LTE)) используются при организации подключения к набору услуг, предлагаемых операторами связи.

Сигналы

Передача данных по каналам связи осуществляется с помощью их физического представления - электрических (электрический ток), оптических (свет) или электромагнитных сигналов.

Если рассматривать сигнал как функцию времени, то он может быть:

● аналоговым (непрерывным) - его величина непрерывно изменяется во времени;

● цифровым (дискретным) - имеющим конечное, обычно небольшое число значений.

Рис. 3.7 Аналоговый сигнал

 

Рис. 3.8 Цифровой сигнал

 

Сигналы, используемые для передачи потока данных должны быть информативными, т.е. иметь некоторые изменяющиеся параметры, которые позволят приемнику идентифицировать полученные данные. В качестве такого сигнала часто используется гармонический сигнал.

Гармонический сигнал - это гармонические колебания, со временем распространяющиеся в пространстве, которые несут в себе информацию или какие-то данные. Гармонические колебания - это колебания, при которых физическая (или любая другая) величина изменяется с течением времени по синусоидальному или косинусоидальному закону.

Гармонический сигнал несет в себе информацию в виде трех параметров: амплитуды, фазы и частоты и описывается формулой:

 

 

где А – амплитуда сигнала; ω – круговая частота: ω=2πf (f – линейная частота: f =1/T, величина обратная периоду Т); φ₀ – начальная фаза гармонического сигнала; t – время.

Рис. 3.9 Гармонический сигнал

 

Для обеспечения высокой скорости передачи данных важна частота: чем выше частота, тем больше скорость передачи.

Функция времени y(t) может быть произвольной и иметь различные частоты.

Вспомним теорию гармонического анализа и преобразование Фурье. Французский ученый Ж.Б. Фурье доказал, что любое изменение во времени некоторой функции можно аппроксимировать в виде конечной или бесконечной суммы ряда гармонических колебаний с разными амплитудами, частотами и начальными фазами.

Другими словами, любой периодический сигнал (аналоговый или цифровой), описываемый сложной функцией времени, может быть представлен в виде бесконечной или конечной суммы простых гармонических колебаний (гармоник) с частотами кратными основной частоте ω=2π/Т:

,

где i – номер гармоники; А_i – амплитуда, φ_i – начальная фаза, ω_i – круговая частота i -й гармоники; t – время.

Первая гармоника ω₁ называется первой или основной гармоникой сигнала, все остальные гармоники называются высшими. При этом частота каждой последующей гармоники больше предыдущей ω₁ < ω₂ < ω₃ ….. < ω_∞.

Периодическим сигналом называют такой вид воздействия, когда форма сигнала повторяется через некоторый интервал времени T, который называется периодом.

Рис. 3.10 Формирование сигнала из суммы первых 4 гармоник и спектральная амплитудная диаграмма периодического сигнала

 

Набор гармонических колебаний, в сумме составляющий исходный сигнал, образует частотный спектр этого сигнала, т.е. область частот, составляющих данный сигнал.

Сигналов, которые обладали бы бесконечным спектром, в природе практически нет. Преобладающая часть энергии реальных сигналов сосредоточена в ограниченной области (полосе) частот, а сам сигнал представляется в виде конечной суммы гармонических колебаний. В этом случае спектр сигнала y(t) определяется как разность между частотами верхней и нижней гармоник: f_n-f₁, где n < ∞.

Из набора гармоник, составляющих сигнал, выделяют и различают амплитудный и фазовый спектр. Амплитудным спектром называют набор амплитуд всех гармоник, который обычно представляют диаграммой в виде набора вертикальных линий, длины которых пропорциональны (в выбранном масштабе) амплитудным значениям гармонических колебаний, а место на горизонтальной оси определяется частотой (номером гармоники) данной составляющей. Амплитудный и фазовый спектр однозначно определяют сигнал. Однако для многих практических задач достаточно ограничиться амплитудным спектром.

При передаче сигнала по каналу связи его форма искажается вследствие неодинаковой деформации гармоник различных частот. Это происходит из-за того, что физические параметры канала связи отличаются от идеальных. На сигнал влияют такие факторы, как затухание, шумы и помехи. Однако, основным фактором, оказывающим влияние на форму сигнала, является полоса пропускания канала связи. Для того чтобы передать сигнал без значительных искажений, канал связи должен иметь ширину полосы пропускания не менее ширины спектра частот передаваемого сигнала.

Рис. 3.11 Влияние физических параметров среды передачи на сигнал