Система связи

1 Структурная схема системы связи

 

Система связи – это  совокупность технических средств  и среды распространения сигналов, обеспечивающих передачу сообщений  от источника к потребителю. Покажем  на рисунке 1 структурную схему системы  связи.

 

 

Рисунок 1.1 – Структурная схема системы связи.

 

Рассмотрим краткий принцип  функционирования структурной схемы  системы связи, взаимодействие блоков:

АЦП – аналого-цифровой преобразователь, в котором выполняются операции дискретизации и квантования  по уровню, с последующим представлением квантованных значений в кодовую  последовательность двоичных символов.

В цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП) производится операция преобразования цифрового в аналоговый сигнал, когда  в соответствие двоичной последовательности определенной длины ставится дискретный отсчет аналогового сигнала.

Статистический кодек, на стороне передатчика устраняет  избыточность источника, на стороне  приемника осуществляет обратное преобразование. В данной схеме у каждого источника  информации свой статистический кодек.

Мультиплексор объединяет потоки данных от разных источников для передачи в одном направлении.

Демультиплексор осуществляет обратную операцию мультиплексированию.

 

2 Определение скорости передачи  информации для дискретного и  расширенного дискретного каналов

 

В дискретной системе связи при  отсутствии помех информация на выходе канала связи (канала ПИ) полностью  совпадает с информацией на его  входе, поэтому скорость передачи информации численно равна производительности источника сообщений:

 

(2.1) 

При наличии помех часть информации источника теряется и скорость передачи информации оказывается меньшей, чем производительность источника. Одновременно в сообщение на выходе канала добавляется информация о помехах.

Поэтому при наличии помех необходимо учитывать на выходе канала не всю информацию, даваемую источником, а только взаимную информацию:

 

 бит/с. (2.2)

На основании формулы имеем

 

или , (2.4)

 

где H¢(x) - производительность источника;

    H¢(x/y) - ²ненадёжность “ канала(потери) в единицу времени;

      H¢(y) - энтропия выходного сообщения в единицу времени;

      H¢(y/x)=H’(n) –энтропия помех (шума) в единицу времени.

 Пропускной способностью канала связи (канала передачи информации) C называется максимально возможная скорость передачи информации по каналу

 

                                    (2.5) 

Для достижения максимума  учитываются все возможные источники  на выходе и все возможные способы кодирования. Таким образом, пропускная способность канала связи равна максимальной производительности источника на входе канала, полностью согласованного с характеристиками этого канала, за вычетом потерь информации в канале из-за помех.

В канале без помех C=max H¢(x), так как H¢(x/y)=0. При использовании равномерного кода с основанием k, состоящего из n элементов длительностью t_э, в канале без помех

 

, при k=2 (2.6)

 бит/c.

 

Для эффективного использования  пропускной способности канала необходимо его согласование с источником информации на входе. Такое согласование возможно как для каналов связи без  помех, так и для каналов с  помехами на основании двух теорем, доказанных К. Шенноном.

1-ая теорема (для канала связи  без помех):

Если источник сообщений  имеет энтропию H (бит на символ), а канал связи – пропускную способность C (бит в секунду), то можно закодировать сообщения таким образом, чтобы передавать информацию по каналу со средней скоростью, сколь угодно близкой к величине C, но не превзойти её.

К.Шеннон предложил и метод такого кодирования, который получил название статистического или оптимального кодирования. В дальнейшем идея такого кодирования была развита в работах Фано и Хаффмена и в настоящее время широко используется на практике для “cжатия сообщений”.

2-ая теорема (для каналов связи  с помехами):

Если пропускная способность  канала равна C, а производительность источника H’(x)<C, то путём соответствующего кодирования можно передавать информацию по каналу связи со скоростью, сколь угодно к C и с вероятностью ошибки, сколь угодно близкой к нулю. Если же H’(x)>C, то можно закодировать источник таким образом, что ненадёжность будет меньше, чем H’(x)-C+e, где e. – сколь угодно малая величина.

Не существует способа  кодирования, обеспечивающего ненадёжность, меньшую, чем H'(x)-C.

К сожалению, теорема К.Шеннона для каналов с шумами(помехами) указывает только на возможность такого кодирования, но не указывает способа построения соответствующего кода. Однако известно, что при приближении к пределу, устанавливаемому теоремой Шеннона, резко возрастает время запаздывания сигнала в устройствах кодирования и декодирования из-за увеличения длины кодового слова n. При этом вероятность ошибки на выходе канала стремится к величине .

Очевидно, что p_э ® 0, когда n×t_э ® ¥, и следовательно, имеет место “обмен” верности передачи на скорость и задержку передачи.

 

3 Понятие модема

 

Для подключения компьютера к Интернету (доступа в Интернет) используется множество технологий — как доступ по телефонной линии, так и с помощью выделенных линий, различных радиотехнологий и даже спутниковых систем. Самый простой способ подключиться к Интернету — с помощью телефонной линии. Для этого используют телефонные модемы, которые кодируют (моделирует) компьютерную информацию, представленную в цифрах, в электрические волны, и наоборот. Модем может подключаться к компьютеру, если он внешний, или быть картой расширения, если он внутренний.

Таким образом, модем (аббревиатура, составленная из слов модулятор-демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции. Работа модулятора модема заключается в том, что поток битов из компьютера преобразуется в аналоговые сигналы, пригодные для передачи по телефонному каналу связи. Демодулятор модема выполняет обратную задачу. Данные, подлежащие передаче, преобразуются в аналоговый сигнал модулятором модема «передающего» компьютера. Принимающий модем, находящийся на противоположном конце линии, «слушает» передаваемый сигнал и преобразует его обратно в цифровой с помощью демодулятора. Режим работы, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексом (half duplex), в обе стороны — дуплексом (full duplex).

Частным случаем модема является широко применяемое периферийное устройство для компьютера, позволяющее ему  связываться с другим компьютером, оборудованным модемом, через телефонную сеть (телефонный модем) или кабельную  сеть (кабельный модем).

Модемы бывают внутренними (в виде электронной платы, подключаемой к шине ISA или PCI компьютера) и внешними, в виде отдельного устройства. Отличаются модемы с поддерживаемыми протоколами  связи и скоростью модуляции (modulation speed). Она определяет физическую скорость передачи данных без учета исправления ошибок и сжатия данных, которая измеряется количеством бит в секунду (бит/с). Устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена факсимильными изображениями, называется факс-модемом.

 

3.1 Классификация модемов

 

Существуют разные классификации  модемов: по исполнению, по методам  модуляции, по принципу работы, по типу. Ниже приведены основные классификационные  группы модемов с кратким описанием  каждой.

1. По исполнению:

- Внешние — подключаются к COM или USB порту, обычно имеют внешний блок питания (существуют USB-модемы, питающиеся от USB и LPT-модемы).

- Внутренние — устанавливаются внутрь компьютера в слот ISA, PCI, PCMCIA, AMR, CNR

- Встроенные — являются внутренней частью устройства, например ноутбука или док-станции.

2. По принципу работы:

- аппаратные — все операции преобразования сигнала, поддержка физических протоколов обмена, производятся встроенным в модем вычислителем (например с использованием DSP, контроллера). Так же в аппаратном модеме присутствует ПЗУ, в котором записана микропрограмма, управляющая модемом.

- Винмодемы — аппаратные модемы, лишённые ПЗУ с микропрограммой. Микропрограмма такого модема хранится в памяти компьютера, к которому подключён модем. Работоспособен только при наличии драйверов, которые обычно писались исключительно под операционные системы семейства MS Windows.

- Полупрограммные (Controller based soft-modem) — модемы, в которых часть функций модема выполняет компьютер, к которому подключён модем.

- Программные (Host based soft-modem) — все операции по кодированию сигнала, проверке на ошибки и управление протоколами реализованы программно и производятся центральным процессором компьютера. При этом в модеме находится аналоговая схема и преобразователи: АЦП, ЦАП, контроллер интерфейса (например USB).

3. По типу:

- Аналоговые — наиболее распространённый тип модемов для обычных коммутируемых телефонных линий

- ISDN — модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий

- DSL — используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий используя обычную телефонную сеть. Отличаются от коммутируемых модемов кодированием сигналов. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии в обычном порядке.

- Кабельные — используются для обмена данными по специализированным кабелям — к примеру, через кабель коллективного телевидения по протоколу DOCSIS.

- Радио – для доступа используются технологии WiFi и EDGE, а также мобильные телефоны.

- Спутниковые

- PLC — используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети.

4. По методам модуляции:

- FSK (Frequency Shift Keying) - является разновидностью частотной модуляции.

- PSK (Phase Shift Keying) - является разновидностью фазовой модуляции

- QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – в этом методе квадратурной амплитудной модуляции одновременно изменяются фаза и амплитуда сигнала, что позволяет передавать большее количество информации.

- TCQAM (Trellis Coded QAM) - модуляция с решетчатым кодированием.

 

3.2 Преимущества и недостатки  внешних и внутренних модемов

 

Внешний модем – это  модем, имеющий собственный корпус и блок питания, подключаемый кабелем  к 9 - или 25 - штырьковому разъему СОМ - порта.

Внутренний модем — модем, который устанавливаются внутрь компьютера в слот ISA, PCI, PCMCIA, AMR, CNR.

Как правило, внешние модемы дороже аналогичных внутренних модемов  и имеют как незначительные преимущества, так и недостатки. К несомненному преимуществу внешних модемов относится  простота их физического подключения  к компьютеру. Для установки внешнего модема не потребуется открывать  корпус компьютера, можно легко отсоединить  модем от одного компьютера и подсоединить к другому. Кроме того, каждый внешний  модем имеет так называемую панель индикаторов, по которым можно визуально  диагностировать работу модема. Справедливости ради стоит отметить, что и многие внутренние модемы позволяют программно эмулировать подобную панель с индикаторами, которая может отображаться на экране монитора.

Еще одним преимуществом  некоторых моделей внешних модемов  является возможность ручной регулировки  громкости звука. Для этого, конечно, нужно, чтобы у модема был встроен  динамик. Звук, воспроизводимый модемом, позволяет работать с ним в  режиме обычного телефона — модемы умеют и такое. Но главное, для  чего понадобится этот звук, — это  диагностика процесса установления связи. Те, кто хоть раз выходил  в Интернет, то есть устанавливал с  помощью модема соединение с удаленным  компьютером, знают, что в процессе установления связи модем начинает издавать непонятные звуки, похожие  на шипение. Это не что иное, как  разговор двух модемов между собой. Человеку язык подобного общения  не понятен, зато модемы, прекрасно  понимающие друг друга, договариваются между собой о параметрах связи. В буквальном переводе с английского  такие переговоры называются «рукопожатием». В процессе рукопожатия модемы «выясняют» качество линии связи, «оговаривают»  скорость передачи информации между  ними и много других деталей, без  которых было бы невозможно установить соединение. Возникает вопрос: если человеку непонятен язык общения  модемов, то зачем ему вообще слушать  эти переговоры? Дело в том, что  некоторые модели модемов, не приспособленные  к нашим линиям связи, не способны правильно определять сигнал «занято». В этом случае вы услышите не только шипение (попытку вашего модема разговаривать), но и пробивающийся сквозь него сигнал «занято». Естественно, что работа с таким модемом не доставит удовольствия. Проблемы будут возникать всякий раз при невозможности соединения вследствие занятости абонента. Обнаружив такую особенность модема и, поняв, в чем дело, лучше сразу обменять его на другую модель или, если это возможно, устранить указанную проблему путем настройки.