Введение в специальность
.pdf
265
ваться быстрыми темпами. |
|
|
Первоепрактическоеприме- |
|
|
нение радио - беспроволоч- |
|
|
ный телеграф (между про- |
|
|
чим, во французском языке |
|
|
слово«радио» досихпорпе- |
|
|
реводится сокращением |
|
|
T.S.F, то есть Télégraphie |
|
|
Sans Fils - «телеграфия без |
|
|
проводов»). |
Г.Маркони на борту корабля |
|
Человеческаяречьвпер- |
||
«Elettra» |
||
вые была передана через |
||
|
океанв1915 году, радиосигналбылотправленизАрлингтона, штат Вирджиния, а принят на Эйфелевой башне в Париже. В феврале 1927 годавступилавдействиеперваякоммерческаярадиотелефонная линия Лондон-Нью-Йорк, работающая на частоте 50 кГц (длина волны 6 км).
Втечение всего XX века радиосвязь осваивала все более высокие частоты, каждый раз сталкиваясь с проблемами распространения радиоволн в новом диапазоне. Длинные и средние волны распространяютсявдольповерхностиЗемли, ониведутсебяболееили менее предсказуемо, однако вэтихдиапазонах очень тесно, с большимтрудомтаммогутразместитьсявсегонесколькосотрадиостанций. Коротковолновыйдиапазонзначительновместительнее, норадиосвязьнаКВнеустойчива, онасильнозависитотсостоянияионосферы и подвержена сильным помехам. В диапазоне ультракоротких волн (к УКВ относятся радиоволны короче 10 м) почти нет помех, там может разместиться очень большое число радиостанций, зато эти волня не огибают Землю и могут распространяться только
впределах прямой видимости. Только развитие радирелейных и спутниковых систем, о которых мы поговорим далее, смогло решить задачи дальней связи на УКВ.
Вконце XX века телефония и радиосвязь, вдохновленные достижениями микроэлектроники, породили принципиально новую технологию мобильной телефонии. Это направление развивается исключительнобурно, внекоторыхстранахчислосотовыхтелефо-
266
нов уже превысило число жителей.
Телевидение |
Первые эксперименты по передаче изображений |
|
былипредпринятыещевначалевека. В1907 году |
петербургскийпрофессорБорисЛьвовичРозинг(1869-1933) получилпатентна«способэлектрическойпередачиизображениянарасстояние», предложив использовать трубку Брауна в приемнике телевизионного изображения. В 1932 году русский инженер Владимир Кузьмич Зворыкин (1888-1982), эмигрировавший после революции в США и обосновавшийся в компании Radio Corporation of America (RCA), продемонстрировал работающую систему электронного телевидения. Вскоре компания наладила серийное производство телевизоров, однако регулярные передачи телевидения в СШАсталиидтитолькос1939 года. Чутьраньше, в1936 годурегулярное телевещание началось в Гермнании и Англии. Репортажи с Олимпийских игр 1936 года в Берлине можно было видеть в ЛейпцигеиДрездене, ноколичество телевизоровнавсюЕвропу не превышало нескольких сот, да и стоили они очень дорого. Один телевизор равнялся по цене двум недорогим автомобилям.
Начиная с 60-х годов телевиедение стало цветным, а спутники связипомоглисправитьсясфундаментальнойпроблемойпередачи телевизионного сигнала на большие расстояния. В начале XX века жители многих городов имеют возможность принимать несколько десятков телевизионных программ. Впечетляющая демонстрация
возможностей глобального телевидения
|
состоялась в ночь с 31 декабря 1999 года |
|
на 1 января 2000 года, когда миллиарды |
|
телезрителей могли в прямом эфире на- |
|
блюдать репортажи со всех меридианов |
|
Земли– отНью-ЙоркаиПарижадоэкзо- |
|
тических островов в Океании. |
|
Втечениепоследнихлетврядестран |
В.К.Зворыкинна |
разрабатывались новые системы телеви- |
дения с высоким качеством изображения |
|
выставке своих |
и звукового сопровождения, в результате |
разработок, 30-е гг. |
этих работ в США совместно с крупней- |
|
267
шими европейскими фирмами Philips и Thompson была разработана цифровая система телевидения HDTV на 1000 строк с прогрессивнойразверткой, обеспечивающаяреволюционноеулучшениекачестваизображенияирезкоеувеличениефункциональныхвозможностейтелевизоровпутемихвхождениявмировуюкомпьютерную сеть. В конце 1996 года эта система была принята как новый телевизионный стандарт США, и американская промышленность приступила к крупносерийному выпуску телевизоров для внедрения этой системы. По-видимому, новый стандарт скоро станет общемировым, а существующее телевизионное вещание на 525 и 625 строкчерез10 - 12 летбудетпрекращеноизамененоширокоразвитым вещанием по новой системе.
Втечениемногихлет, вплотьдо1990-хго- дов, основным видом деятельности телекоммуникационных компаний было обес-
печение телефонной связи, а также радио- и телевизионного вещания, поэтомувсяинфраструктурапервичнойсетибыларассчитана на передачу непрерывных электрических сигналов. Новые виды связи, такие как передача данных в компьютерных сетях, приноравливались к существующей системе, при этом цифровые сигналы от компьютеров сначала преобразовывались в звуковые, а потом передавались по телефонным каналам к получателю. Однако в последние годы на основе достижений микроэлектроники стала происходитьбурнаяцифровизацияпервичнойсетисвязи. Приэтом процесс передачи переворачивается с ног на голову: получив в узлахпервичнойсетиразнообразныезвуковые, телевизионныеидругие непрерывные сигналы от разнообразных источников, аппаратура связи преобразует их в единую цифровую форму, сливает в общий цифровой поток, а затем передает поток по магистральным цифровым каналам до пункта назначения, где он опять разбирается на составляющие и преобразуются в исходную форму. Системы связи, обеспечивающие перенос различных видов сообщений по единой цифровой технологии, называются интегральными, они гарантируютвысокоекачествосвязииминимумпомехнезависимо от дальности.
268
Идеяпередачианалоговыхсигналоввкодированнойцифровой форме в общем не очень нова, однако ее широкое внедрение сдерживалось экономическими причинами: на медных кабельных лмнмях аналоговые системы получались дешевле. Новую жизнь в цифровые технологии вдохнули мощные радиорелейные, спутниковыеиоптическиелиниисвязи, окоторыхмыбудемговоритьчуть позже. К концу XX века все континетнты оказались закольцованнымивглобальнуюинтегрированнуюсупермагистраль. Досихпор основнаячастьпропускнойспособностиинтегрированнойсетииспользуетсядляобеспечения трациционныхуслугсвязи: поодному оптическому волокну или лучу радиорелейной линии могут одновременно передаваться десятки телевизионных программ и десяткитысячтелефонныхразговоров, однако, начинаяссередины1990- х годов, в потоки телефонных сообщений стали вливаться сначала тоненькие, а потом все более и более заметные ручейки данных от компьютерных сетей, прежде всего сети Internet. Если темпы развития компьютерных сетей сохранятся, то не исключено, что через нескольколетпотокикомпьютерныхданныхбудутдоминирующими.
4.2. Основные понятия теории передачи сообщений
Прежде чем рассматривать историю и современное состояние компьютерных сетей, познакомимся кратко с общими понятиями теории передачи сообщений, основы которой были заложены выдающимся американским ученым Клодом Шенноном (Shannon, Claud El–wood; 1916-2001). ВместесНорбертомВинеромонзаслуженно считается одним из отцов-основателей кибернетики и информатики. В1936 годуШеннонзакончилМичиганскийуниверситет со степенями бакалавра электротехники и математики и поступил в Массачусетсский технологический институт, где по инициативе Ванневара Буша создал теорию релейных схем на основе математической логики. С 1941 по 1972 год он работал в математи-
269
ческом отделе Bell Telephone Laboratories. В 1948 году опублико-
вал классическую работу «Математическая теория связи», в которой заложил основы теории информации, и теории кодирования, доказал ряд фундаментальных положений, в частности, вывел знаменитуюформулуШеннонадляпредельнойпропускнойспособности канала связи, с которой мы познакомимся несколько позже.
Рассуждая на бытовом уровне о системах связи, мыговоримопередачеинформации, сообщений, данных или сигналов, не всегда задумываясь об точном смысле употребляемых слов и не видя
между ними большой разницы. На самом деле между этими понятиями есть существенные различия, в которых мы сейчас разберемся.
Понятие информация (information) относится к числу первичных, неопределимых строгопонятий, вобщемслучае оноозначает некоторыесведения, представляющиеинтересдляполучателя. Кстати сказать, в шенноновской теории информации оно никак не раскрывается, введенная Шенноном мера количества информации не связана спонятием информации, она основанно не на содержании, а на «неожиданности» сведений для получателя.
Длятого, чтобы информацию можно было передавать, хранить и обрабатывать, она должна быть закреплена в некоторой объективной форме (в виде печатного текста, картинки, звукового образа, компьютерного файлаит. п.). Объективнаяформапредставления информации, абстрагированная от смысла, называется сообщением
(message). Одно и то же сообщение для разных людей может нести совершенноразличнуюинформацию. Например, прозвучавшее 17 июля 1936 года по испанскому радио звуковое сообщение «Над Испанией безоблачное небо» для большинства слушателей означало
270
обычнуюсводкупогоды, адляфранкистскихзаговорщиковэтобыло сигналом к началу мятежа. Другой пример – сообщение на китайском языке, для многих читателей этой книги оно вообще не несет информации. В связи со сказанным, в профессиональной речи избегаютговоритьопередачеинформации, аеслииупотребляютэтот термин, то имеют в виду передачу сообщений.
Втехникесвязирассматриваютсявопросыпередачилюбыхсообщений (телефонных, телеграфных, факсимильных, телевизионных), однакомы, имеяввидукомпьютерныесети, будеминтересоваться прежде всего передачей данных (data tranamission). Данными называют ссобщения, формируемые или принимаемые компьютерами или аналогичными им автоматическими устройствами (банкоматами, маршрутизаторами компьютерных сетей и т. п.), на-
зывемымивобщкмслучаеоконечнымоборудованиемданных(ООД)
– Data Terminal Equipment (DTE). Поскольку практически все со-
временныеавтоматическиеустройствахранятиобрабатываютдан- ныевдвоично-кодированномвиде, сообщениеданныхобычнопредставляет собой поток двоичных символов – битов.
Для того, чтобы сообщение передать в пространстве, необходим некоторый носитель – физический процесс, свойства которого изменяются во времени в зависимости от варианта сообщения. Такой физический процесс называется сигналом сообщения или просто сигналом (signal). В системах электросвязи в качестве сигнала выступаетэлектрическийток(припередачесигналовпопроводам) или электромагнитная волна (в беспроводных системах).
Наиболее общая модель системы передачи сообщений, предложеннаяШенноном, приведенанарисунке. Источник(человекили оконечное оборудование данных) формирует сообщение m, которое преобразуется в электрический сигнал s(t). При передаче речи такоепреобразованиеделаетмикрофонтелефонногоаппарата, при отправке факсимильного сообщения – фотоэлемент факс-аппара- та, компьютерные данные преобразуются в сигналы аппаратурой передачи данных (АПД) – Data Communication Equipment (DCE), в
качестве которой могут выступать, например, модем или сетевая карта.
271
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Телефон |
Телефон |
||||||||||||||
|
|
Канал |
|
|
m |
s(t) |
электро- |
s'(t) |
m’ |
Факс |
|
связи |
|
Факс |
АПД |
|
Помехи |
|
АПД |
|
n(t) |
|
||
ООД |
|
|
ООД |
Источник |
|
|
|
Получатель |
|
Преобразователь |
|
Преобразователь |
|
||
сообщения |
сообщения в |
сигнала в |
сообщения |
||
|
сигнал |
сообщение |
|
||
Система передачи сообщений
Переноссигналаизоднойточкипространствавдругуюосуществляет канал электросвязи (channel), который может быть реализован самыми различными способами – на основе проводных или беспроводных систем связи. На приемном конце происходит обратное преобразования сигнала в сообщение, доставляемое получателю. При передаче речи это делает наушник телефонного аппарата, при передаче видеосигнала – телевизионный приемник и т. п.
Передача сообщений от источника к приемнику неизбехно сопровождается помехами (noise) n(t), из-за чего на выходе системы получится искаженный сигнал s’(t), в результате полученное сообщение m’ будет отличаться от посланного. Степень соответствия принятогосообщенияпереданномуназываетсяверностью(fidelity) передачи. Оценка верности для каждого вида сообщений производится по собственным критериям. Например, для передачи речи прежде всего важна разборчивость, а искажение тембра не так существенно. При трансляции музыки требования к точности воспроизведениязвуказначительноболеевысокие(отсюдапошелтермин Hi-Fi, то есть High Fidelity – высокая верность). Оценка качества телевизионного изображения производится с помощьюизвес-
272
тных телевизионных таблиц, а для передачи данных верность принято оценивать коэффициентом ошибок, то есть отношением числа искаженных к общему числу переданных битов.
Любой канал электросвязи предназначена для передачи сигналов определенного вида, с этой точки зрения электрические
сигналы делятся на два типа – цифровые (digital) и аналоговые
(analog).
Цифровые сигналы являются самыми простыми, они берут свое начало от первых систем телеграфирования. Цифровой сигнал имеет конечное множество состояний (значащих позиций), которые меняются только в определенные моменты времени, крат-
ныеединичномуинтервалувремениT. Впростейшемслучаезнача-
щих позиций две, такой сигнал называется двухпозиционным, он самыместественнымспособомотображаетпотокбитоввдвоичнокодированном сообщении. Любой многопозиционный сигнал легкопреобразоватьвдвухпозиционный, дляэтогонужнопронумеровать позиции и каждую из них закодировать двоичным числом с соответствующим числом разрядов. Например, нулевая позиция в четырехпозиционном сигнале может иметь код 00, первая - код 01
s(t) |
|
|
|
|
s(t) |
|
|
|
3 |
|
|
|
11 |
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
0 |
|
|
t |
1 |
|
|
|
|
0 |
1 |
||
|
|
|
01 |
1 |
1 |
|||
0 |
|
|
|
00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
T |
T |
T |
|
T |
T |
T |
T |
Цифровойсигнал. Слева-четырехпозиционный, справа-двухпози- ционный, соответствующий первым двум элементам четырехпозиционного сигнала
273
ит. д. Нарисункепоказанопреобразованиедвухпервыхэлементов четырехпозиционного сигнала в четыре элемента двухпозиционного.
Величина B=1 / T, показывающая сколько единичных элементовэлементовцифровогосигналапередаетсяводнусекунду, называется скоростью манипуляции. Она измеряется в бодах, в честь выдающегося французского инженера, изобретателя системы одновременной работы нескольких телеграфных аппаратов по одной парепроводовЖанаБодо(Baudot, Jean-Marie; 1845-1903). Знаяско-
рость манипуляции, легко вычислить скорость передачи данных цифровым сигналом С, измеряемую в битах в секунду (бит/с). Для двухпозиционного сигнала она совпадает со скоростью манипуляции, а для M-позиционного вычисляется по формуле C = B log2 M.
Аналоговый сигнал в отличие от цифрового представляется непрерывной функцией времени s(t), такие сигналы фигурируют в телефонии, радиовещании, телевидении. Из школьного курса физикиизвестно, чтолюбойнепрерывныйсигналможнопредставить в в иде суммы некоторого числа простейших синусоидальных колебаний (гармоник) с различными частотами f и соответствующими амплитудами A(f). Функция A(f) называется спектральной функцией или просто спектром данного сигнала, она показывает, с какой силой «звучит» данная гармоника в сигнале.
Спектр реальных сигналов не простирается от нуля до беско-
s (t) |
A(f) |
t |
fmi n |
fma x |
f(Гц) |
Аналоговый сигнал и его спектр
274
нечности, он состредоточен в некоторой полосе частот от fmin до
fmax. Например, звуки речи занимают частоты от 50-100 Гц до 8-10 кГц, но экспериментально установлено, что для вполне разборчи-
вого воспроизведения разговора вполне досточно передать полосу частот от 300 до 3400 Гц.
Спектр сигналов, применяемых при передече музыки, значительно шире. Так как человеческое ухо воспринимает звуки от 20 до 20 000 Гц, то система трансляции музыкальных программ высшего качества должна обеспечивать передачу этих частот.
Рекорднымпоширинеспектраявляетсятелевизионныйсигнал, он занимает полосу частот от нуля до 6 МГц, он почти в 2 000 раз шире спектра стандартного телефонного сигнал.
Назначение канала электросвязи – перенестипоступившийотпреобразователяпервичныйэлектрическийсигналнанекотороерасстоя-
ние от источника до получателя. Технически канал электросвязи может быть реализован самыми различными способами, мы этому вопросу посвятим следующий параграф, однако абоненту нет необходимости вникать в технические тонкости, для него канал – некоторое логическое понятие, абстрактный туннель для сигналов, имеющий стандартные потребительские характеристики.
Дляконечногопотребителя, которыйпокупает услуги у компа- ний-операторовсвязи, каналэлектросвязиначинаетсяизаканчиваетсяточкамисопряжения– портами(port), физическиреализованными в виде электрических разъемов, к которым можно подключитьобычноеустройствосвязи(телефон, видеотелефон, факс) либо аппаратуру передачи данных. Поскольку производителей оконечногооборудованияиоператоровсвязивеликоемножество, необходимы четкие правила их сопряжения и единые требования к каналам электросвязи. За этим зорко следит образованный еще в 1865 году вПариже Международный консультативныйкомитетпотеле-
графии и телефонии (МККТТ) – Comité Consultatif International de Télégraphie et Téléphonie (CCITT), вошедшийв1932 годувМеждународный союз электросвязи – International Telecommunications Union (ITU). Многочисленные рекомендации МККТТ-ITU, имею-