🗊Презентация Телекоммуникации. Схема передачи информации

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ - комплекс технических средств, предназначенных для передачи информации на расстояние. Информация поступает в самых разнообразных видах: цифровые сигналы, звуки, печатные слова или изображения и т.д.

СХЕМА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

КАНАЛ СВЯЗИ

Характеристики канала связи

Линия связи

Требования к линиям связи К линиям связи предъявляются следующие основные требования: осуществление связи на практически требуемые расстояния; широкополосность пригодность для передачи различных видов сообщений; защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, коррозии и пр.); стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи; экономичность системы связи в целом.

Проводные или кабельные линии связи

Электрические кабели Электрический кабель связи — это длинномерное изделие электротехнической промышленности Электрические кабели образованы проводами с изоляционными покрытиями, помещенными в защитные оболочки. По конструкции и взаимному расположению проводников различают: - симметричные (СК) кабели - коаксиальные (КК) кабели

Электрические кабели

Магистральный кабель

Оптоволоконный кабель Оптоволоконный кабель обеспечивает высокую скорость передачи данных на большом расстоянии Оптоволоконный кабель пропускает электромагнитные волны оптического диапазона. Видимое оптическое излучение лежит в диапазоне длин волн 380...760 нм. Практическое применение в волоконных оптических кабелях получил инфракрасный диапазон, т.е. излучение с длиной волны более 760 нм. Принцип распространения оптического излучения

Конструкция оптоволоконного кабеля

Достоинства электрических и оптоволоконных кабелей Электрический кабель простота надежность соответствие стандартам

Многоканальные линии связи Проблема – необходимо разделить каналы связи !!!

Разделение каналов связи

Частотное разделение каналов связи

Временное разделение каналов связи

Атмосферные линии связи Методы беспроводной технологии передачи данных (Radio Waves) являются удобным, а иногда незаменимым средством связи. Можно выделить три основных типа беспроводной технологии: · радиосвязь; · связь в микроволновом диапазоне; · инфракрасная связь. Радиосвязь Технологии радиосвязи пересылают данные на радиочастотах и практически не имеют ограничений по дальности. Она используется для соединения локальных сетей на больших географических расстояниях. Радиопередача в целом имеет высокую стоимость и чувствительна к электронному и атмосферному наложению, а также подвержена перехватам, поэтому требует шифрования для обеспечения уровня безопасности. Связь в микроволновом диапазоне Передача данных в микроволновом диапазоне (Microwaves) использует высокие частоты и применяется как на коротких, так и на больших расстояниях. Главное ограничение заключается в том, чтобы передатчик и приемник были в зоне прямой видимости. Используется в местах, где использование физического носителя затруднено. Передача данных в микроволновом диапазоне при использовании спутников может быть очень дорогой. Инфракрасная связь Инфракрасные технологии (Infrared transmission), функционируют на очень высоких частотах, приближающихся к частотам видимого света. Они могут быть использованы для установления двусторонней или широковещательной передачи на близких расстояниях. При инфракрасной связи обычно используют светодиоды (LED – Light Emitting Diode) для передачи инфракрасных волн приемнику. Инфракрасная передача ограничена малым расстоянием в прямой зоне видимости и может быть использована в офисных помещениях

Обеспечение дальности связи Многоканальные системы передачи с частотным и временным разделением каналов - это сложный комплекс технических средств, включающий в себя оконечную аппаратуру, устанавливаемую на оконечных пунктах (ОП), промежуточную аппаратуру, размещаемую в обслуживаемых (ОУП) или необслуживаемых (НУП) усилительных пунктах, а также линий связи. В отличие от аналоговых систем во временных (цифровых) системах на обслуживаемых и необслуживаемых пунктах устанавливается аппаратура для восстановления (регенерации) импульсных сигналов линейного тракта. Отсюда обслуживаемые и необслуживаемые пункты в этих системах принято называть регенерационными (ОРП, НРП).

Схема передачи аналогового сигнала Аналоговый сигнал – это сигнал (изменение тока или напряжения), закон изменения которого является непрерывной функцией времени Аналоговый сигнал перед передачей в линию связи модулируется

Модуляция Модуляция – нанесение информации на материальный носитель В процессе модуляции участвуют два сигнала: модулирующий сигнал - низкочастотный сигнал, изменяющийся по закону передаваемого сообщения; несущий сигнал - высокочастотный синусоидальный сигнал или высокочастотная последовательность импульсов. В процессе модуляции некоторый физический параметр несущего сигнала изменяется по закону модулирующего сигнала. Сигнал, который образуется в процессе модуляции называется модулированным, именно этот сигнал передается в линию связи.

Виды модуляции

Передача цифровых сигналов Основной тенденцией развития телекоммуникаций во всем мире является цифровизация сетей связи, предусматривающая построение сети на базе цифровых методов передачи и коммутации. Это объясняется следующими существенными преимуществами цифровых методов передачи перед аналоговыми. Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) этих символов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации. Слабая зависимость качества передачи от длины линии связи. В пределах каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов оказываются ничтожными. Длина регенерационного участка и оборудование регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остаются практически такими же, как и в случае передачи на малые расстояния. Так, при увеличении длины линии в 100 раз для сохранения неизменным качества передачи информации достаточно уменьшить длину регенерационного участка лишь на несколько процентов. Стабильность параметров каналов. Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной характеристик и др.) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства составляют незначительную часть оборудования, стабильность параметров каналов в таких системах значительно выше, чем в аналоговых. Возможность построения цифровой сети связи. Цифровые системы передачи в сочетании с цифровыми системами коммутации являются основой цифровой сети связи, в которой передача, транзит и коммутация сигналов осуществляются в цифровой форме. При этом параметры каналов практически не зависят от структуры сети, что обеспечивает возможность построения гибкой разветвленной сети, обладающей высокими надежностью и качественными показателями. Высокие технико-экономические показатели. Передача и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать оборудование на единых аппаратных платформах. Это позволяет резко снижать трудоемкость изготовления оборудования, значительно снижать его стоимость, потребляемую энергию и габариты. Кроме того, существенно упрощается эксплуатация систем и повышается их надежность.

Передача цифровых сигналов Цифровой сигнал – это цифровой код, чаще всего двоичный, нанесенный на электрический сигнал В аналоговом сигнале выделяют параметр, например, уровень напряжения, который может принимать два значения:

Аналого-цифровое преобразование Состоит из двух процедур: - дискретизация, в процессе которой значения аналогового сигнала заменяются его отдельными значениями, взятыми в дискретные моменты времени; - квантование, в процессе которого дискретные значения сигнала заменяются значениями ближайших уровней квантования. Техническое устройство, реализующее дискретизацию и квантование называется аналого-цифровым преобразователем АЦП

Дискретизация В процессе формирования АИМ сигнала осуществляется дискретизация непрерывного (аналогового) сигнала во времени в соответствии с  теоремой дискретизации (теоремой В.А.Котельникова), которая определяет выбор шага дискретизации: Любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой FВ полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчетов, взятых через промежуток времени Tд=1/2FВ, называемый периодом дискретизации. В соответствии с им частота дискретизации, т.е. следования дискретных отсчетов, выбирается из условия: FД больше или равна 2FВ.

Дискретизация

Квантование В процессе квантования по уровню значение каждого АИМ-отсчета заменяется ближайшим разрешенным значением или уровнем квантования. Характеристиками квантующего устройства являются следующие: - число уровней квантования NКВ; - шаг квантования d или разность между двумя соседними разрешенными уровнями; - напряжение ограничения UОГР или максимальное значение амплитуды отсчета, подвергаемого квантованию.

Равномерное и неравномерное квантование

Кодо-импульсная модуляция Кодово-импульсная модуляция применяется для передачи цифровых сигналов и заключается в том, что в точках дискретизации аналогового модулирующего сигнала производится квантование его значений и кодирование квантованных значений, как правило, в двоичной системе исчисления. Полученная последовательность высоких и низких уровней, соответствующая цифровому коду, является модулирующим сигналом для высокочастотного несущего сигнала. Вид модулированного сигнала:

Кодирование Кодирование представляет собой преобразование сообщения в последовательность кодовых символов. На практике при кодировании дискретных сообщений широко применяется двоичная система счисления. Правило кодирования может быть выражено кодовой таблицей, в которой приводятся алфавит кодируемых сообщений и соответствующие им кодовые комбинации. Множество возможных кодовых символов называется кодовым алфавитом, а их количество m - основанием кода. В общем случае при основании кода m правила кодирования N элементов сообщения сводятся к правилам записи N различных чисел в m-ичной системе счисления. Число разрядов n, образующих кодовую комбинацию, называется значностью кода, или длиной кодовой комбинации Коды, у которых все комбинации имеют одинаковую длину, называют равномерными. Неравномерные коды характерны тем, что у них кодовые комбинации отличаются друг от друга не только взаимным расположением символов, но и их количеством. Применение неравномерных кодов требует передачи разделительных символов между кодовыми комбинациями По помехоустойчивости коды делят на простые (примитивные) и корректирующие. Коды, у которых все возможные кодовые комбинации используются для передачи информации называются простыми

Корректирующие коды Корректирующие коды строятся так, что для передачи сообщения используются не все кодовые комбинации, а лишь некоторая часть их (так называемые разрешенные кодовые комбинации). Тем самым создается возможность обнаружения и исправления ошибки при неправильном воспроизведении некоторого числа символов. Корректирующие свойства кодов достигаются введением в кодовые комбинации дополнительных (избыточных) символов.  Расстоянием Хэмминга между двумя кодовыми n-последовательностями, bi и bj, которое обозначается d(i; j), является число разрядов, в которых символы этих последовательностей не совпадают Обнаруживающая способность кода характеризуется следующей теоремой: Если код имеет d>1 и используется декодирование по методу обнаружения ошибок, то все ошибки кратностью q<d обнаруживаются. Исправляющая способность кода при этом правиле декодирования определяется следующей теоремой: Если код имеет d>2 и используется декодирование с исправлением ошибок по наименьшему расстоянию, то все ошибки кратностью q<d/2 исправляются. Что же касается ошибок большей кратности, то одни из них исправляются, а другие нет.

Задача помехозащищенного кодирования Задача кодирования состоит в выборе кода, обладающего максимально достижимым d. Впрочем, такая формулировка задачи неполна. Увеличивая длину кода n и сохраняя число кодовых комбинаций М, можно получить сколь угодно большое значение d. Но такое "решение" задачи не представляет интереса, так как с увеличением n уменьшается возможная скорость передачи информации от источника. Если длина кода n задана, то можно получить любое значение d, не превышающее n, уменьшая число комбинаций М. Поэтому задачу поиска наилучшего кода (в смысле максимального d) следует формулировать так: при заданных M и n найти код длины n, содержащий М комбинаций и имеющий наибольшее возможное d. В общем виде эта задача в теории кодирования не решена, хотя для многих значений n и М ее решения получены. На первый взгляд помехоустойчивое кодирование реализуется весьма просто. В память кодирующего устройства (кодера) записываются разрешенные кодовые комбинации выбранного кода и правило, по которому с каждым из М сообщений источника сопоставляется одна из таких комбинаций. Данное правило известно и декодеру. Получив от источника определенное сообщение, кодер отыскивает соответствующую ему комбинацию и посылает ее в канал. В свою очередь, декодер, приняв комбинацию, искаженную помехами, сравнивает ее со всеми М комбинациями списка и отыскивает ту из них, которая ближе остальных к принятой. Однако даже при умеренных значениях n такой способ весьма сложный. Таким образом, применение достаточно эффективных (а значит, и достаточно длинных) кодов при табличном методе кодирования и декодирования технически невозможно.

Направление развития помехоустойчивого кодирования Основное направление теории помехоустойчивого кодирования заключается в поисках таких классов кодов, для которых кодирование и декодирование осуществляются не перебором таблицы, а с помощью некоторых регулярных правил, определенных алгебраической структурой кодовых комбинаций Одним из таких классов являются линейные блоковые коды.  Линейными называются такие двоичные коды, в которых множество всех разрешенных блоков является линейным пространством относительно операции поразрядного сложения по модулю 2. Чаще всего применяют систематические линейные коды, которые строят следующим образом. Сначала строится простой код длиной k, т.е. множество всех k-последовательностей двоичных символов, называемых информационными. Затем к каждой из этих последовательностей приписывается r = n - k проверочных символов, которые получаются в результате некоторых линейных операций над информационными символами Преимуществом линейных, в частности систематических, кодов является то, что в кодере и декодере не нужно хранить большие таблицы всех кодовых комбинаций, а при декодировании не нужно производить большое количество сравнений. Пример корректирующего кода - код Хэмминга

Циклические коды В классе линейных систематических двоичных кодов выделяют циклические коды. Циклические коды просты в реализации и при невысокой избыточности обладают хорошими свойствами обнаружения ошибок. Циклические коды получили очень широкое распространение как в технике связи, так и в компьютерных средствах хранения информации. Название циклических кодов связано с тем, что каждая кодовая комбинация, получаемая путем циклической перестановки символов, также принадлежит коду. Так, например, циклические перестановки комбинации 1000101 будут также кодовыми комбинациями 0001011, 0010110, 0101100 и т.д. Среди всего многообразия групповых кодов можно выбрать такие, у которых строки связаны условием цикличности, т.е. все строки матрицы могут быть получены циклическим сдвигом одной строки, которая называется образующей или производящей. Сдвиг осуществляется справа налево, а крайний левый символ перемещается в конец строки, т.е. в крайнее правое положение.

Пример циклического кода

Представление циклического кода

Модемы Моде́м (акроним, составленный из слов модулятор и демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации. Модулятор в модеме осуществляет модуляцию несущего сигнала при передаче данных, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала.  Демодулятор осуществляет обратный процесс при приёме данных из канала связи. Модем выполняет функцию оконечного оборудования линии связи. Само формирование данных для передачи и обработки принимаемых данных осуществляет  терминальное оборудование (в его роли может выступать и персональный компьютер). Модемы широко применяются для связи компьютеров через телефонную сеть (телефонный модем), кабельную сеть (кабельный модем), радиоволны (en:Packet_radio, радиорелейная связь). Ранее модемы применялись также в сотовых телефонах (пока не были вытеснены цифровыми способами передачи данных).

Классификация модемов По исполнению: внешние — подключаются через COM-, LPT-[1], USB- или Ethernet-порт, обычно имеют отдельный блок питания (существуют и USB-модемы с питанием от шины USB). внутренние — дополнительно устанавливаются внутрь системного блока или ноутбука (в слот ISA, PCI, PCI-E, PCMCIA,AMR/CNR). встроенные — являются частью устройства, куда встроены (материнской платы, ноутбука или док-станции). По принципу работы: аппаратные — все операции преобразования сигнала, поддержка физических протоколов обмена производятся встроенным в модем вычислителем (например, с использованием DSP или микроконтроллера). Также в аппаратном модеме присутствуетПЗУ, в котором записана микропрограмма, управляющая модемом. программные (софт-модемы, host based soft-modem) — все операции по кодированию сигнала, контролю ошибок и управлению протоколами реализованы программно и производятся центральным процессором компьютера. В модеме находятся только входные/выходные аналоговые цепи и преобразователи (ЦАП и АЦП), а также контроллер интерфейса (например USB). полупрограммные (controller based soft-modem) — модемы, в которых часть функций модема выполняет компьютер, к которому подключён модем. По типу сети и соединения: Модемы для телефонных линий: Модемы для коммутируемых телефонных линий — наиболее распространённый в XX веке и 2000-х годах тип модемов. Используют коммутируемый удалённый доступ. ISDN — модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий. DSL — используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий средствами обычной телефонной сети. Отличаются от коммутируемых модемов тем, что используют другой частотный диапазон, а также тем, что по телефонным линиям сигнал передается только до АТС. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии для переговоров. Кабельные модемы — используются для обмена данными по специализированным кабелям — к примеру, через кабель коллективного телевидения по протоколу DOCSIS. Радиомодемы — работают в радиодиапазоне, используют собственные наборы частот и протоколы: Беспроводные модемы — работают по протоколам сотовой связи (GPRS, EDGE, 3G, LTE) или Wi-Fi. Часто имеют исполнения в виде USB-брелока. В качестве таких модемов также часто используют терминалы мобильной связи. Спутниковые модемы — используются для организации спутникового Интернета. Принимают и обрабатывают сигнал, полученный со спутника.

Состав модема Порты ввода-вывода — схемы, предназначенные для обмена данными между телефонной линией и модемом с одной стороны, и модемом и компьютером — с другой. Для взаимодействия с аналоговой телефонной линией зачастую используется трансформатор. Сигнальный процессор (Digital Signal Processor, DSP) Обычно модулирует исходящие сигналы и демодулирует входящие на цифровом уровне в соответствии с используемым протоколом передачи данных. Может также выполнять другие функции. Контроллер управляет обменом с компьютером. Микросхемы памяти: ROM — энергонезависимая память, в которой хранится микропрограмма управления модемом — прошивка, которая включает в себя наборы команд и данных для управления модемом, все поддерживаемыекоммуникационные протоколы и интерфейс с компьютером. Обновление прошивки модема доступно в большинстве современных моделей, для чего служит специальная процедура, описанная в руководстве пользователя. Для обеспечения возможности перепрошивки для хранения микропрограмм применяется флэш-память (EEPROM). Флэш-память позволяет легко обновлять микропрограмму модема, исправляя ошибки разработчиков и расширяя возможности устройства. В некоторых моделях внешних модемов она так же используется для записи входящих голосовых и факсимильных сообщений при выключенном компьютере. NVRAM — энергонезависимая электрически перепрограммируемая память, в которой хранятся настройки модема (профиль модема)[2]. Пользователь может изменять установки, например, используя набор AT-команд. RAM — оперативная память модема, используется для буферизации принимаемых и передаваемых данных, работы алгоритмов сжатия и прочего. Дополнительные функции Факс-модем — позволяет компьютеру, к которому он присоединён, передавать и принимать факсимильные изображения на другой факс-модем или обычный факс-аппарат. Голосовой модем — с функцией оцифровки сигнала с телефонной линии и воспроизведения произвольного звука в линию. Часть голосовых модемов имеет встроенный микрофон. Такой модем позволяет осуществить: - передачу голосовых сообщений в режиме реального времени на другой удалённый голосовой модем, приём сообщений от него и воспроизведение их через внутренний динамик; - использование в режиме автоответчика и для организации голосовой почты.

Контрольные вопросы 1. Определить число уровней квантования и число разрядов двоичного кода, необходимых для неравномерного квантования аналогового сигнала: - число а равно последней цифре шифра - число b равно предпоследней цифре шифра - диапазон изменения сигнала от 0 до 15 В - погрешность квантования не более 2 В 2. Показать чему равно кодовое расстояние четырехразрядного двоичного кода 3. Записать в виде полинома по степеням Х число А в двоичном коде - число А в десятичной системе счисления = дата рождения + 100