Длина волны в пространстве (м)

ELF - Extremely Low Frequency (сверхнизкая чистота);

VF - Voice Frequency (тональная частота);

VLF - Very Low Frequency (очень низкая частота);

LF - Low Frequency (низкая частота / «длинные волны»);

MF - Medium Frequency (промежуточная частота / «средние волны»);

HF - High Frequency (высокая частота / «короткие волны»);

VHF - Very High Frequency (очень высокая частота);

UHF - Ultrahigh Frequency (ультравысокая частота);

SHF - Superhigh Frequency (сверхвысокая частота);

EHF - Extremely High Frequency (кране высокая чистота).

	Рис. 2.11. Спектры электромагнитных волн, используемых для связи

Таблица 2.3.

Обычно несколько витых пар объединяются в кабель, обёрнутый в плотную защитную оболочку. Скручивание пары приводит к снижению перекрёстных помех от соседних проводов пары. Шаг скрутки лежит в пределах от 5 до 15 см. Толщина проводов пары лежит в пределах 0,4–0,9 мм.

Витая пара широко используется внутри зданий для объединения компьютеров в локальные сети, использующие скорость передачи данных около 10 Мбит/с.

В 1991 году ассоциация электронной промышленности опубликовала стандарт EIA – 568, который определяет использование экранированной пары для передачи данных внутри здания. Согласно этому стандарту различают 3 категории неэкранированной витой пары:

· Категория 3 – полоса пропускания которых менее 16 МГц;

· Категория 4 – полоса пропускания которых менее 20 МГц;

· Категория 3 – полоса пропускания которых менее 100 МГц.

Как видно из рисунка, изолированные проводники симметричного кабели помещены и металлическую трубку, служащую экраном, защищающим проводники от мешаю­щего влияния различных внешних электромагнитных полей. Поверх экрана имеется изолирующая оболочка, предохраняющая кабель от влияния агрессивных сред. В коаксиальных кабелях взаимное расположение проводников обеспечивается с помощью специальной арматуры, изготавливаемой из диэлектрического материала.

Сегодня основным типом проводных линий связи являются кабельные. По конструкции и взаимному расположению проводников различают симметричные и коаксиальные кабели. Основными элементами кабелей являются токопроводящие жилы (пара проводов), образующие электрическую цепь. На рисунке 2.12 показана конструкция однопарных симметричного и коаксиального кабелей.

а – симметричный; б – коаксиальный

Рис.2.12. Однопарные кабели связи

Внеш­ний проводник пары имеет изолирующую оболочку. В симметрич­ных кабелях цепи образуются с помощью одинаковых по конструк­ции изолированных проводников. Электрические цепи в коаксиаль­ных кабелях образуются двумя цилиндрическими проводниками с совмещенными осями, причем один проводник (сплошной ци­линдр) расположен внутри другого, полого.

Для создания унифицированных линий связи используются комбинированные междугородные кабели, содержащие симметрические, коаксиальные пары и бронированную оболочку. Как пример, на рисунке 2.13 приводится междугородний кабель КМБ – 8/6.

Рис. 2.13. Комбинированный междугородный кабель КМБ-8/6

По условиям прокладки и эксплуатации различают подзем­ные, подвесные и подводные кабели.

Оптическое волокно. По волоконно-оптическим линиям принципиально можно организовать передачу до миллиона телефонных сигналов одновременно. Внешне оптические кабели мало отличаются от традиционных кабелей связи. Однако, вместо токопроводящих металлических жил в них применяются тонкие (диаметром 125... 150 мкм) двухслойные стеклянные волокна – световоды, которые являются средой, по которой передаются сигналы электросвязи в оптическом диапазоне частот (10" - I0¹⁵ Гц). Принцип распространения светового луча вдоль двухслойного волокна показан на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Принцип распространения светового луча по стекловолокну

Луч распространяется по внутрен­нему слою волокна (сердечнику) за счет последовательного и пол­ного отражения от границы раздела диэлектрических слоев.

В опти­ческом кабеле (рис.2.15) стекловолокна свободно помешаются внутри полиэтиленовых трубок, скрученных вокруг прочного пласт­массового сердечника.

Оптические кабели, как и обычные, имеют защитные полиэтиленовые оболочки и различные внешние покровы.

Применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое.
Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления.

В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть, сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна - мода).

В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много - мод). Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. В оптических лабораториях США разрабатываются самые "прозрачные", так называемые фтороцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/кмна длине волны 2,5 мкм.Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4 600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

Оптические волокна имеют диаметр около 1 – 0,2 мм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.

Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.

Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии.

Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Недостатки ВОЛС:

· требуются активные высоконадежные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы;

· необходимы оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона;
для монтажа оптических волокон требуется дорогостоящее технологическое оборудование (инструменты для оконцовки, коннекторы, тестеры, муфты и спайс – кассеты);

· Обладая главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится к фирме "CORNING GLASS") оказывают влияние на производство и рынок компонентов ВОЛС во всем мире, благодаря заключению лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий.

На сегодня в мире несколько десятков фирм, производящих оптические кабели различного назначения. Наиболее известные из них:

· AT&T;

· General Cable Company (США);

· Siecor (ФРГ);

· BICC Cable (Великобритания);

· Les cables de Lion (Франция);

· Nokia (Финляндия);

· NTT, Sumitomo (Япония);

· Pirelli(Италия).

Определяющими параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи.

В качестве примера оборудования ВОЛС рассмотрим - оптический мультиплексор 16Е1+Gigabit Ethernet 1000Base-T.

Полнодуплексный канал Gigabit Ethernet обеспечивает суммарную скорость передачи в двух направлениях до 2 Гбит/с. Имеется сквозной канал RS-232 и RS-422 для управления удаленным оборудованием потребителя.

Оптической мультиплексор может комплектоваться сдвоенным оптическим окончанием для построения схем резервирования типа 1+1. Переключение на резервное волокно может осуществляться как по падению уровня принимаемого оптического сигнала, так и по превышению заданного порога уровня ошибок в канале связи.

Оптический мультиплексор обеспечивает визуальную диагностику:

· наличие входного оптического сигнала;

· захват синхронизации входного оптического сигнала (на ближнем и дальнем конце);

· наличие входного сигнала Е1 (на ближнем и дальнем конце);

· наличие и скорость соединения с Ethernet;

· режим дуплекса или полудуплекса;

· передачу и прием Ethernet пакета;

· ошибки при передаче и приеме Ethernet пакета.

Внешний вид мультиплексора и его технические характеристики приведены на рисунке 2.16 и в таблице 2.4.

На передней панели мультиплексора расположены:

· индикаторы состояния каналов Е1;

· разъемы каналов Е1;

· индикаторы параметров оптического сигнала;

· оптические разъемы;

· индикаторы параметров Ethernet;

· разъем Ethernet MDI-II;

· индикатор активности приемника и передатчика «АСТ», соединения на дальнем конце, индикаторы ошибок;

· кнопка служебного вызова и отключения сигнала аварии;

· разъем гарнитуры служебной связи;

· разъем интерфейса RS-422/485;

· разъем RS-232 для управления удаленным оборудованием;

· разъем RS-232 для управления мультиплексором.

В последние годы наряду с когерентными системами связи развивается альтернативное направление: солитоновые системы связи.

Солитон - это световой импульс с необычными свойствами: он сохраняет свою форму и теоретически может распространяться по "идеальному" световоду бесконечно далеко. Они являются идеальными световыми импульсами для связи. Их длительность составляет примерно 10 триллионных долей секунды (10 пс). Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, могут иметь пропускную способность не менее 5 Гбит/с на расстоянии 10 000 км.

Такую систему связи предполагается использовать на уже построенной трансатлантической линии ТАТ-8.

Радиосвязь. Наряду с проводными линиями в электросвязи широко исполь­зуются линии радиосвязи. Структурная схема такой линии приведена на рисунке 2.17. Сигналы электросвязи, подлежащие переда­че, преобразовываются радиопередатчиком в радиочастотные сигналы, способные излучаться передающей антенной в открытое пространство в виде радиоволн. Радиоволны — это электромаг­нитные колебания с частотами до 3-10¹² Гц, распространяющиеся в пространстве без искусственных направляющих сред. В соответст­вии с международной договоренностью все радиоволны разделены на девять диапазонов (см. рис. 2.11). Далее радиоволны принимаются антенной радиоприемника и преобразуются в нем сначала в сигна­лы электросвязи, а затем в соответствующие сообщения. Протяжен­ность радиолинии и возможное число сигналов, передаваемых по ней, зависят от многих факторов: диапазона используемых частот, условий распространения радиоволн, технических данных радио­передатчиков, радиоприемников, антенн и др.

Рис. 2.17. Схема линий радиосвязи

Линия радиосвязи может состоять из нескольких или многих участков (интервалов), в пределах которых передача сигналов происходит согласно рассмотренной схеме. В этом случае сигналы, переданные из одного пункта, принимаются в другом, усиливаются и передаются дальше в третий пункт и т. д. Такие линии назы­ваются радиорелейными линиями (РРЛ). На рисунке 2.18 приведена схема РРЛ, обеспечивающая двустороннюю передачу сигналов. Каждый оконечный пункт РРЛ, называемый оконечной станцией, имеет радиопередатчик и радиоприемник для одновре­менной передачи и приема сигналов. Передача и прием произво­дятся на разных частотах, поэтому передающая аппаратура не мешает работе приемной. На каждой промежуточной станции имеется, по крайней мере, по два радиопередатчика и радиоприем­ника для одновременного приема и передачи сигналов в двух направлениях.

Разновидностью радиорелейных линий являются спутнико­вые радиолинии (рис. 2.19). Радиосигналы с земной пе­редающей станции излучаются в направлении искусственного спутника Земли (ИСЗ), где принимаются, усиливаются и вновь передаются с помощью радиопередатчика в направлении земной станции приема. Радиотехническое оборудование ИСЗ выполняет функцию промежуточной станции радиорелейной линии, находя­щейся на большой высоте.

Спутник связи

Земная станция

Рис. 2.18. Радиорелейная линия

Основной характеристикой спутника является орбита, на которой он находится. На сегодня наиболее распространенными являются геостационарные спутники (GEOS). Если спутник находится на круговой орбите, на высоте 35 838 км над уровнем океана и вращается в экваториальной плоскости, то его угловая скорость будет совпадать со скоростью вращения Земли. В результате спутник будет, всё время, находится над одной и той же точкой на экваторе. Такое расположение спутника обладает рядом достоинствами:

· не возникает проблем, связанных с эффектом Доплера, то есть с изменением частоты, вызванным движением спутника относительно антенны земной станции;

· простота наведения антенны на спутник;

· с высоты 36 тыс. км спутник «видит» примерно четверть Земли, то есть 3 спутников достаточно, чтобы охватить все самые заселённые регионы.

Вместе с тем с использованием геостационарных спутников связаны следующие проблемы:

· с высоты 36 тыс. км сигнал сильно ослабевает;

· полярные регионы недоступны;

· задержка распространения сигнала весьма существенна.

Задержка распространения сигнала между 2 находящимися точно под геостационарным спутником терминалами составит:

T = 2 x 35 838 км : 300 000 км/с = 0,24 с ,то есть прохождение сигнала в оба конца составит примерно 0,5 с.

Решить эти проблемы помогают спутники, находящиеся на более низких орбитах:

· низко орбитальные – 320 - 1 100 км;

· средне орбитальные – 8 000 – 12 000 км.

Канал связи. Понятие «линия связи» близко к понятию «канал связи». В тех случаях, когда по линии связи передается один сигнал, эти поня­тия совпадают. По современным линиям связи, как правило, передаются одновременно и независимо друг or друга десятки, сотни, тысячи и более сигналов. Каждый сигнал передается по своему каналу. Образование каналов для передачи отдельных сигналов электросвязи по одной линии связи иначе называется разделе­нием каналов. Операция разделения каналов основана на при­своении каждому передаваемому сигналу индивидуального при­знака. Известны разные методы разделения каналов, но наиболее широко применяется метод частотного разделения ка­налов (ЧРК) и временного разделения каналов (ВРК). При использовании метода ЧРК каждому передаваемому сигналу отводится строго индивидуальная полоса частот. Известно, что сигналы электросвязи, соответствующие однородным сообщениям, имеют одинаковую ширину спектра. С помощью специальных устройств (преобразователь частоты) сигнал одной полосы частот переносится без информационного изме­нения в заданный диапазон частот. Принцип переноса полос частот поясняется на рисунке 2.20. Полосы частот, занимаемых каждым сигналом после переноса, должны находиться в пределах частотного диапазона используемой линии передачи.

В основу метода ВРК положен принцип поочередной поэлемент­ной передачи нескольких сигналов по одной линии связи. В начале по линии передаются первые элементы первого сигнала, затем вто­рого и так до последнего n-го сигнала. Далее передаются вторые элементы снова от первого до n-го сигнала. Подобная операция повторяется цикл за циклом до тех пор, пока не будут переданы последние элементы всех п сигналов. В итоге получается, что каждый сигнал передается в строго определенные интервалы вре­мени, то есть по своему временному каналу. В данном случае всего п временных каналов (см. рис.2.4).

Рис.2.20. Принцип переноса полос частот при ЧРК

На приемной стороне элементы каждого сиг­нала выделяются, объединяются и по ним восстанавливаются копии исходных сигналов. Последовательность передачи сигналов по ли­нии предполагает определенную задержку в передаче отдельных элементов сигналов. Однако задержка не должна ощущаться при приеме сообщений.

Совокупность физических цепей (одной или двух пар прово­дов) линейных трактов однотипных или разнотипных систем пе­редачи, имеющих общие среду распространения, линейные соору­жения и устройства их обслуживания, называется линией пе­редачи.

Протоколы обмена информацией. При обмене данными между компьютерами, терминалами и другими устройствами обработки данных могут использоваться сложные процедуры. Для этого нужно решить задачу организации физического пути между 2 компьютерами. Они могут быть соединены напрямую или через коммуникационную сеть, но для их информационного взаимодействия необходимо:

· сеть должна идентифицировать подключаемый компьютер;

· управляющая программа на принимающей системе готова к приёму и сохранению файла для данного пользователя;

· форматы файлов, используемых каждой из систем, необходимо преобразовать для их совместимости.

Соглашения для успешного взаимодействия двух систем называется протоколом, который может определить набор правил обмена данными между ними.

Протокол объединяет следующие ключевые элементы:

· синтаксис – форматы данных, уровни сигналов и пр.;

· семантика – управляющая информация, служащая для координации и обработки ошибок;

· синхронизация – согласование скорости и порядка передачи данных.

Количество и разновидность протоколов очень велико, так, в качестве примера, на рисунке 2.21 приведены протоколы стека TCP | IP.

BGP- Border Gateway Protocol (протокол граничного шлюза);

FTP - File Transfer Protocol (протокол передачи файлов);

HTTP- HyperText Transfer Protocol (протокол передачи гипертекста);

ICMP- Internet Control Message Protocol (протокол управляющих сообщений Интернета);

IGM- Internet Group Management Protocol (межсетевой протокол управления группами);

IP- Internet Protocol (протокол Интернета);

MIME- Multipurpose internet Mail Extension (многоцелевые расширения почты Интернета);

OSPF - Open Shortest Path First (первоочередное открытие кратчайших маршрутов);

RSVP - Resource ReSerVation Protocol (протокол резервирования ресурсов);

SMTP - Simple Mail Transfer Protocol (простой протокол передачи почты);

SNMP - Simple Network Management Protocol (простой протокол сетевого администрирования);

TCP - Transmission Control Protocol (протокол управления передачей);

UDP - User Datagram Protocol (протокол пользовательских дейтаграмм).

Рис. 2.21. Некоторые протоколы стека TPC/IP