CFA LogoCFA Logo Computer
Загрузка поиска
Новости Компьютеры Прайс-лист [Новое] Прайс-лист [Б/У] Для ноутбуков Конфигуратор ПК Заказ, Оплата, Доставка Сервис объявления Драйвера Статьи Как нас найти Контакты
Новости
RSS канал новостей
Компания MSI заявляет о выпуске серии настольных систем MSI Trident 3, которые благодаря обновленной ...
Американская компания Hewlett-Packard в прошлом году представила линейку продуктов рассчитанных ...
В рамках выставки CES 2017 компания Dell, известная во всем мире своими отличными моделями мониторов, ...
В Сети уже появлялась информация о том, что компания Gigabyte Technology готовит к выходу новую ...
Тайваньская компания ASUStek познакомила мировую общественность с линейкой новейших материнских ...
Самое интересное
Программаторы 25 SPI FLASH Адаптеры Optibay HDD Caddy Драйвера nVidia GeForce Драйвера AMD Radeon HD Игры на DVD Сравнение видеокарт Сравнение процессоров

АРХИВ СТАТЕЙ ЖУРНАЛА «МОЙ КОМПЬЮТЕР» ЗА 2003 ГОД

Какая сеть такой улов

Виктор БОНДАРЬ apollo-13@ukr.net

Продолжение, начало см. в МК, № 27 (250).

Передача начал

В этот раз мы рассмотрим базовые понятия, касающиеся самого процесса передачи данных. Как уже говорилось ранее, информация передается с помощью какой-либо энергии, распространяющейся в передающей среде. Если такой средой выступает медный кабель, то для передачи информации используется электрический сигнал.

Для начала, в качестве примера передачи данных по кабелю, рассмотрим стандарт RS-232, который широко применяется в современных десктопах. Согласно стандарту EIA (Electronics Industrion Association — Ассоциация Электронной Промышленности), передача данных в RS-232 осуществляется изменением напряжения в проводе. Для обозначения единицы используется напряжение -15В, для нуля +15В (рис. 1). Таким образом, упрощенная схема передачи данных выглядит следующим образом: передатчик представляет данные посредством смены напряжения, которое детектируется принимающей аппаратурой и преобразуется обратно в двоичные данные. Однако такая общая схема сама по себе не является достаточной: для полноценного взаимодействия приемника и передатчика необходимо, чтобы выполнялся еще целый ряд условий.

Поскольку RS-232 является асинхронной системой связи, то передатчик и приемник никак не координируют свои действия. Передатчик готов в любой момент начать передавать данные, а приемник принимать. Во время простоя, согласно стандарту, напряжение в кабеле составляет -15В, что соответствует единице, и поэтому отличить начало передачи бита 1 от простоя линии невозможно. Для решения этой проблемы в начале каждой передачи в линию подается напряжение +15В, которое соответствует значению бита 0 и называется стартовым битом. После этого начинается пересылка битов символа (рис. 2).

Рис. 1.   Рис. 2.

Если во время передачи встретятся два следующих друг за другом одинаковых бита, то возникнет аналогичная предыдущей проблема: как их отличить. На этот раз она решается вводом такого понятия, как время передачи одного бита. Это время, на протяжении которого линия должна находиться под напряжением, чтобы приемник смог зафиксировать и интерпретировать сигнал как ноль или единицу. Данное время оговорено в стандарте, и немного позже мы еще вернемся к нему.

После передачи всех битов одного символа передатчик, согласно стандарту, обязан привести линию в состояние простоя хотя бы на время пересылки одного бита. Поэтому обязательную подачу напряжения в -15В после передачи одного символа часто называют стоповым битом. Таким образом, для отправки семибитового символа используется девять битов, после чего может быть начата передача следующего символа и т.п.

На рисунке 3 изображен пример передачи латинского символа «V» по интерфейсу RS-232. Красным цветом обозначены границы его передачи. Вне их может идти пересылка других символов, либо, как в нашем примере, линия простаивает, ожидая поступления очередного символа неопределенно долгое время.

Вернемся ко времени передачи одного бита. Обычно оно очень мало, и поэтому принято говорить не о самом времени, а о количестве битов, которые передаются за одну секунду. В ранних системах RS-232 оно составляло 300 бит в секунду, сейчас скорости достигают 19200–115200 бит в секунду. Также для определения скорости иногда применяется понятие бода. Оно показывает количество изменений сигнала в линии за секунду. А поскольку при одном изменении сигнала может быть переслано несколько бит (рис. 3), то в большинстве случаев скорость передачи, выраженная в битах выше, чем в бодах.

Рис. 3.

Производители аппаратуры обычно предусматривают работу оборудования на нескольких скоростях. Поэтому приемная и передающая аппаратура должны быть настроены на использование одинаковой скорости в бодах, иначе возникают так называемые ошибки кадрирования, когда время передачи одного бита несогласованно. С целью их предотвратить используется многократное измерение напряжения при передаче одного бита, и если результаты измерений неверны, либо стоповый бит появился не вовремя, то приемник генерирует сообщение об ошибке.

Эта ошибка может вызываться и искусственно клавишей Break на клавиатуре. Ее нажатие приводит к подаче в линию сигнала 0 на время, большее, чем время передачи одного символа. Приемник начинает получать символ со всеми битами, равными нулю, а в его конце ожидает обнаружить стоповый бит. Не найдя его, он передает сообщение об ошибке в программу, которая может использовать эту информацию как требование о завершении работы.

Математика скорости

Максимальная скорость передачи данных в реальных аппаратных средствах обусловлена тем, что значения напряжения не могут меняться мгновенно. Предельное количество изменений сигнала в секунду называют пропускной способностью аппаратуры. Однако существует еще один важный показатель, который влияет на скорость передачи. Это помехи в канале или так называемый шум, воздействие которого на пропускную способность канала отражено в теореме Шеннона:

С=B·log2(1+S/N),

где C — это предельная безошибочная скорость передачи по каналу в битах/с, В — пропускная способность аппаратуры в герцах, S/N — отношение сигнал/шум. Обычно для обозначения последнего используется значение в децибелах, которое высчитывается по формуле 10·log10(S/N). (Отношение сигнал/шум в формуле Шеннона дано в разах (!), а не децибелах, поэтому значение S/N из децибел следует пересчитать в разы по формуле S/N=10nДб/10 (десять в степени n децибел, деленных на 10) — прим. сильно научного :-) ред.).

Из формулы видно, почему для высокоскоростной передачи данных так губительны шумы. А также становится очевидным, что роста скорости можно добиться только увеличением отношения сигнал/шум либо пропускной способности аппаратуры.

Попробуем рассчитать скорость передачи данных в сетях телефонной связи. Их пропускная способность составляет приблизительно 3000 Гц, отношение сигнал/шум примем равным 30 дБ, тогда скорость передачи данных С=3000·log2(1+1000)=30000 бит/сек. Данная величина может быть большей, если в линии более высокое отношение сигнал/шум. Количество же передаваемой информации (то есть скорость) можно увеличить, используя сжатие данных перед отправкой, что, впрочем, не увеличивает пропускной способности канала.

Однако использование телефонных линий позволяет достичь гораздо больших скоростей, свидетельством чему является появление систем xDSL (Digital Subscriber Line), работающих на основе существующей телефонной сети и показывающих удивительные результаты, измеряющиеся мегабитами (с системами xDSL и ISDN можно подробнее ознакомиться в статье «Автобаны Интернета», МК, № 5 (228)). Но чтобы объяснить, каким образом это происходит, нам придется разобраться еще с несколькими понятиями.

По понятиям

Для передачи данных в модемном соединении не может использоваться изменение напряжения для обозначения каждого бита, так как такой сигнал с расстоянием затухает и в какой-то момент перестает различаться приемником. Именно по этой причине в вышеописанном стандарте RS-232 длина кабеля ограничена 15 метрами. Затухание же сигнала обусловлено наличием в передающей среде электрического сопротивления, в результате чего часть энергии сигнала рассеивается в виде тепла. Избежать этого явления невозможно, можно лишь уменьшить его влияние, используя в качестве проводника материал с меньшим сопротивлением. Однако есть способ передачи сигнала на гораздо большие расстояния и без «сверхпроводящих» кабелей. Основан он на наблюдении за состоянием непрерывно колеблющегося (волнового) сигнала (рис. 4), который способен распространяться на большие расстояния. Такой непрерывный сигнал называют несущей. А чтобы он нес полезную смысловую нагрузку, его слегка изменяют — модулируют.

Принцип модуляции используется в радио. Там на несущий высокочастотный сигнал накладывается низкочастотный голосовой, в результате чего получаем на выходе промодулированный сигнал, который и передается в радиоэфир. Если радиоприемник настроен на частоту несущей, то он принимает этот сигнал и без проблем выделяет из него голосовую составляющую.

В радиопередаче используются методы частотной и амплитудной модуляции. С не меньшим успехом методы ЧМ и АМ применяются и для передачи данных. В первом из них, в соответствии с передаваемой информацией, изменяется частота несущей, во втором — амплитуда ее колебаний. Пример передачи данных с использованием амплитудной модуляции показан на рисунке 5. В нем для передачи бита 1 используется уменьшение амплитуды несущей до 2/3 от обычной, а для передачи 0 — до 1/3.

Однако в обоих этих методах для передачи одного бита необходим как минимум один полный цикл несущей. Но можно пересылать большее число битов без увеличения частоты. Для этого используют другие виды модуляции и, в частности, фазовую модуляцию.

При фазовой модуляции для кодирования информации применяется сдвиг фазы (рис. 6) — резкий переход несущей в другую точку ее цикла (как если бы мы вырезали кусок несущей на рисунке 4 и сдвинули обе половинки вместе). По величине сдвига фазы и определяется зашифрованная информация. Стоит ли говорить, что применяя разную величину сдвига, можно зашифровать сколь угодно большое количество битов в одном цикле. Проблема же состоит в том, что любая аппаратура имеет свой предел чувствительности и поэтому не может применяться сколь угодно большое количество величин сдвига.

Рис. 4.   Рис. 5.

Рис. 6.

Одно аппаратное средство, которое обеспечивает модуляцию и демодуляцию сигнала, известно практически всем, и называется оно модем (собственно это слово и есть сокращением от модулятор/демодулятор). В соответствии с используемой передающей средой, модемы могут быть оптическими, радиочастотными и электрическими. (Не знаю даже, точно ли приведенное мною определение для последнего из них, но назвать его кабельным тоже было бы неправильно, поскольку кабельный модем — это разновидность «электрического», используемого в сетях кабельного телевидения.)

Ускорение без перестройки

Вот мы, собственно, и подошли к тому, как можно увеличить скорость передачи данных в телефонных линиях. При обычном dial-up-соединении используется одна низкочастотная несущая (где-то до 4 кГц, что соответствует «голосовым частотам», при этом всем понятно, что телефон на «качество звучания» в области высоких частот не претендует). В технологиях же xDSL медный провод рассматривают как широкополосную среду и применяют мультиплексирование с частотным уплотнением, что дает существенный прирост производительности.

Здесь стоит пояснить новое понятие —мультиплексирование. В общем случае этим термином можно назвать использование одной передающей среды для одновременной связи нескольких пар приемников/передатчиков.

Различают мультиплексирование с временным и частотным уплотнением. При мультиплексировании с временным уплотнением отправители данных получают доступ к передающей среде по очереди (в отведенный каждому устройству интервал времени —прим. ред.). Если используется мультиплексирование с частотным уплотнением, то возможна одновременная организация такого доступа. Каким образом? А как вы, например, смотрите десятки разных каналов кабельного телевидения, хотя как ни странно :-), к телевизору подключен всего один кабель. Или же в случае с радио вы можете настроиться на множество радиостанций, хотя радиоэфир один. Дело в том, что в передающей среде может транслироваться одновременно несколько сигналов с использованием разных несущих частот, при этом они совершенно не мешают друг другу. Хотя относительно последнего утверждения имеются некоторые оговорки. Пожалуй, самая важная из них следующая — соседние несущие должны располагаться на некотором «расстоянии» друг от друга, то есть во избежание взаимных влияний их частоты должны отличаться на некоторое минимальное значение. Именно это, кстати, мешает использовать нескончаемое число несущих для передачи бесконечно большого количества информации, вот почему сейчас и разгорелась такая война за частотные диапазоны радиоэфира.

В оптоволоконных системах применяется мультиплексирование со спектральным уплотнением, которое аналогично мультиплексированию с частотным уплотнением. Однако в качестве несущих тут используются световые волны с разной длиной волны.

(Продолжение следует)

Рекомендуем ещё прочитать:






Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:

RSS
Комментарий:
Введите символы: *
captcha
Обновить






Рейтинг@Mail.ru
Хостинг на серверах в Украине, США и Германии. © www.sector.biz.ua 2006-2015 design by Vadim Popov