Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей cтарший преподаватель

Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей cтарший преподаватель кафедры ТКС

Лекция 2 ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Модуль 1 «Введение»

Часть 1 ИНФОРМАЦИЯ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ

Начальные определения • Телекоммуникации – область науки и техники, включающая изучение методов, средств и способов передачи информации на расстояние • Связь – возможность передачи информации на расстоянии – Для передачи сообщения используется физический процесс, например, ток в проводе, электромагнитные волны, звуковые волны и т. д. • Сообщение – форма представления информации, имеющая признаки начала и конца, предназначенная для передачи через среду связи • Источник информации – это материальная система вместе с наблюдателем (человеком или устройством), передающим сведения) • Устройство (или человек), которому передается сообщение называется получателем информации

Система связи • Изменяющаяся физическая величина, отображающая сообщение, называется сигналом • Совокупность средств, предназначенных для передачи сигнала, называется каналом связи • Совокупность технических средств для

В чем отличие? ДАННЫЕ ИНФОРМАЦИЯ СООБЩЕНИЕ СИГНАЛ

Информация в цифровых системах • Сообщение (message) – последовательность дискретных символов (знаков, сигналов) или непрерывная функция времени, подлежащие передаче • Знак (character) – элемент алфавита или набора символов (например, код ASCII, EBCDIC, код Бодо, код Муррея, азбука Морзе и др. ) • Двоичная цифра (binary digit) (бит (bit)) – единица (объема) информации в цифровых системах • Поток битов (bit stream) – последовательность двоичных цифр, также называют видеосигналом или низкочастотным сигналом (baseband signal) • Символ (symbol) – группа из k бит, рассматриваемых как единое целое, mi (i = 1, …, M) • Алфавит – конечный набор символов, размером

Скорость передачи данных (data rate) R = k/T = (1/T) log 2 M • k бит определяют символ из M = 2 kсимвольного алфавита • T – это длительность k-битового символа

В чем измеряем? БИТ В СЕКУНДУ И БОД

Немного о бит/с (bit/s) • Некоторые считают «бит» наименьшей единицей информации • А передача информации характеризуется скоростью – бит в секунду (тогда следует предполагать, что все эти «биты» периодичны и смежны) – справедливо только для синхронной Узнать больше: ü BER передачи ü Бит в секунду ü Скорость передачи информации

Немного о бодах (baud) • Важной задачей является повышение скорости передачи ( «переключений, переходов» ) цифровой информации (бит/с) • Число переходов (переключений) в секунду (которое зависит от способа модуляции сигнала, потому что при каждом переходе (переключении) могут передаваться разное количество «бит» ) измеряется в «бодах» • Единица «бод» названа в честь Э. Бодо, изобретателя системы кодировки символов для телетайпа • В бодах измеряется символьная скорость или

Забегая вперед • В модемах 2 400 бит/с используют QPSK (quadrature phase-shift keying) модуляцию, когда при каждом переходе передаются два бита. Частота модуляции такого модема – 1200 бод • В модемах 4 800 бит/с применяют 8 -ми значную π/4 PSK модуляцию, когда при каждом переключении передают 3 бита. Частота модуляции такого устройства – 1600 бод

Немного теории информации • Измерение количества информации: Пусть источник информации имеет алфавит A = {mi | i = 1, …, M} и каждый символ mi генерируется с вероятностью pi • Количество информации, содержащееся в символе mi, оценивается величиной Ii = log 2 1/pi – Обычно основание логарифма – 2, и единица измерения «бит» (bit) • Среднее количество информации на символ передаваемого сообщения – энтропия источника

Немного теории информации • Сжатие данных (data compression) – алгоритмическое преобразование данных с целью уменьшения объема • Кодирование (encoding) – процесс преобразование сигнала в форму, удобную для передачи • Шифрование (encrypting) – обратимое преобразование информации в целях сокрытия от неавторизованных лиц Узнать больше: ü Теория информации ü Количество информации ü Информационная Узнать для чего всё это нужно: ü Сжатие данных ü Помехоустойчивое кодирование

Варианты кодирования при передаче двоичных данных

Часть 2 СПЕКТРЫ СИГНАЛОВ, ТЕОРЕМА КОТЕЛЬНИКОВА, ЧАСТОТА НАЙКВИСТА

Важно различать: временнóе и частотное представления сигналов

Физически реализуемый электрический сигнал Отвечает следующим требованиям: – Имеет отличное от нулевого значение на рассматриваемом конечном отрезке времени – Спектр сигнала имеет характерные значения в рассматриваемом интервале частот – Является непрерывной функцией времени – Имеет конечную максимальную амплитуду – Имеет только действительные значения

Классификация сигналов • Различают детерминированные и случайные сигналы • Детерминированный сигнал полностью известен – его значение в любой момент времени можно определить точно • Случайный сигнал в любой момент времени представляет собой величину, которая принимает конкретные значения с некоторой вероятностью

Периодичность сигнала • Для периодического сигнала s(t) с периодом Т выполняется соотношение s(t + n. T) = s(t) при любом t, где n – произвольное целое число • Если величина Т является периодом сигнала s(t), то периодами для него будут и кратные ей значения: 2 Т, 3 Т и т. д.

Частота • Величина, обратная периоду, называется частотой повторения сигнала f = 1/T [Гц] • В теории сигналов также часто используется понятие круговой частоты = 2 f [рад/с]

Гармонические сигналы • Важную роль в технике связи играют гармонические сигналы. В общем виде они записываются как s(t) = A cos ( t + ) • Гармонический сигнал полностью определяется тремя числовыми параметрами: амплитудой A, частотой и фазой

Представление периодического сигнала • Периодическое колебание сложной формы всегда можно представить в виде суммы простейших периодических колебаний – синусоид – с частотами, кратными основной частоте: , 2 , 3 и т. д. s(t) = Ao + A 1 sin( t + 1) + A 2 sin(2 t + 2) + …, – где Ao, A 1, A 2 – амплитуды первой, второй, третьей гармоник; 1, 2 – их начальные фазы; - основная частота

Ряды Фурье • Для упрощения такое представление записывают в сокращенной форме s(t) = Σ Ak sin (k t + k) k=0

Представление сигнала гармоническими функциями • Теоретически для точного отображения любого периодического сигнала надо учитывать любую его гармонику со сколь угодно высокой частотой • Однако на практике не существует электрических цепей, которые могли бы формировать или пропускать электрические колебания без ослабления энергии в области достаточно высоких частот • Поэтому реальный сигнал можно описать с помощью конечного числа гармоник, скажем, до k = n (например,

Параметры сигнала • Поскольку каждая из гармоник вполне однозначно описывается указанием всего лишь двух величин – амплитуды A и начальной фазы , – то оказывается возможным любой периодический сигнал описать ограниченным количеством чисел, хотя сам такой сигнал может длиться бесконечно долго

Амплитудно- и фазо-частотные спектры • Совокупность значений амплитуд гармоник (Ao, A 1, A 2 …) называется амплитудночастотным спектром данного колебания • Совокупность значений начальных фаз ( 1, 2, 3 …) называют фазочастотным спектром сигнала

Представление импульса • Огибающая спектра последовательности импульсов, называемых видеоимпульсами, имеет вид функции f(F) = sin ( F)/ F, где – длительность импульса

Спектр цифрового сигнала • Сигнал из повторяющихся прямоугольных импульсов имеет очень широкий спектр, причем, несмотря на общую тенденцию к убыванию амплитуд, наблюдаются то увеличения, то спады гармоник на различных частотах

Спектральная плотность • Суммарную мощность всех синусоидальных составляющих в полосе частот, скажем, 1 Гц называют спектральной плотностью мощности S • Она пропорциональна сумме квадратов амплитуд всех синусоидальных составляющих, заключенных в пределах полосы 1 Гц • Корень квадратный из S зависит от частоты так же, как и огибающая линейчатого спектра данного импульса

Спектр одиночного импульса • Если для периодичных цифровых сигналов постепенно увеличивать период T повторения импульсов, то в пределе такой последовательности сигнал можно рассматривать как одиночный импульс • При неограниченном возрастании периода интервалы между гармониками будут неограниченно уменьшаться, а количество

Дискретизация, квантование и кодирование

От аналогового к цифровому • «Местом встречи» аналогового мира и устройства цифровой обработки является АЦП, преобразующий аналоговые сигналы непрерывного времени (и непрерывной амплитуды) в сигналы дискретного времени (выборка, sampled) и дискретного уровня (разбиение, квантование, quantized)

Теорема Найквиста-Котельникова • По Найквисту (и Котельникову) минимальное значение частоты дискретизации, необходимое для извлечения всей информации из непрерывного, меняющегося во времени сигнала f. S 2 BW где f — частота дискретизации; BW —

Необходима фильтрация • Если речь модулируется сигналами с частотой 8 к. Гц, то для правильного ее воспроизведения необходимо удалить из речи все высокочастотные составляющие (> 4 к. Гц), даже если они присутствуют в исходном сигнале • Существуют стандарты (ограничивающие шаблоны) на характеристики фильтра по

Часть 3 СИГНАЛЫ, ШУМЫ И КАНАЛЫ СВЯЗИ

В чем отличие? ПРИЕМНЫЙ/ПЕРЕДАЮЩИЙ ТРАКТ КАНАЛ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ КАНАЛ СВЯЗИ ЦЕПЬ СВЯЗИ ЛИНИЯ СВЯЗИ СРЕДА ПЕРЕДАЧИ

Характеристики каналов связи • • • Полоса частот Динамический диапазон Волновое сопротивление Пропускная способность Помехозащищенность Объем

В чем измеряем? ДЕЦИБЕЛ

Мощность сигнала в децибелах • Для удобства мощность сигнала P 1 выражают относительной величиной (по отношению к эталонному сигналу, шуму и др. ) в логарифмической форме (в децибелах, д. Б) 10 lg (P 1/P 2) • Если эталонное значение мощности равно P 2 =1 м. Вт, то относительное значение выражают в д. Бм

Сколько децибелов? P 1/P 2 1 д. Б 0 2 3 10 1000 1 000 3 5 10 30 60 • Операции с децибелами можно выполнять в уме: – в разах: умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня – в д. Б: сложение и вычитание

А если отношение напряжений или токов? • В электрических схемах рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока, если принять, что импедансы равны R 1 = R 2 10 lg (P 1/P 2) = 10 lg (U 1/U 2)2 = 20 lg (U 1/U 2) U 1/U 2 1 д. Б 0 2 3 10 6 10 20 1000 1 000 60 120

Частные случаи • д. Бм (d. Bm) – д. Б по отношению к мощности 1 м. Вт • д. Б/бит – используется для описания динамического диапазона или разрешения при ИКМ в таких устройствах, как проигрыватель КД. Стандартное значение определяется в виде (20 lg 2)/бит = 6, 02 д. Б/бит

Частные случаи • д. Би (d. Bi) – это децибел для изотропного излучения. Применяется при определении коэффициента усиления антенны • д. Бд (d. Bd) – дипольный децибел. Так как КУ диполя составляет 2. 14 d. Bi, то в качестве дополнительной величины было принято: d. Bd = d. Bi - 2. 14 • Так как реализовать идеальную изотропную антенну невозможно, то d. Bd на практике выглядит более предпочтительным, так как позволяет получить сравнительную характеристику с самой простой реализуемой антенной – диполем

Децибелы и мегагерцы

Все дело в помехах! • В цифровой технике «нули» и «единицы» на входе и выходе • В аналоговой технике малейшая помеха – это искажение информации • А источников помех так много!

Случайные сигналы • Мгновенные значения случайных сигналов заранее не известны и могут быть предсказаны лишь с некоторой вероятностью, меньшей единицы • Характеристики таких сигналов являются статистическими, то есть имеют вероятностный вид

Два класса «вероятностных» сигналов • Шумы – хаотически изменяющиеся во времени электромагнитные колебания, возникающие в разнообразных физических системах из-за беспорядочного движения носителей заряда • Сигналы, несущие информацию, для описания которых также прибегают к вероятностным моделям

Спектральные характеристики случайных процессов • Каждая отдельно взятая реализация случайного процесса представляет собой детерминированную функцию, и к ней можно применить преобразование Фурье • При этом различные реализации будут иметь различные спектры • Полезно описать статистически усредненные характеристики

АБГШ (аддитивный белый гауссовский шум) AWGN (additive white gaussian noise) • Аддитивный способ воздействия на сигнал • Нормальное (гауссово) распределение значений амплитуды • Равномерная спектральная плотность

В канале передачи данных Отношение сигнал/шум S/N или SNR • отношение мощности полезного сигнала (S) к мощности шума (N) • Динамический диапазон —отношение максимального и минимального возможных значений величины входного параметра устройства (системы) – минимальное значение определяется уровнем собственных шумов или внешних помех в устройстве – максимальное — перегрузочной способностью устройства В цифровых системах Eb/N 0 • отношение энергии сигнала, приходящейся на 1 бит принимаемого сообщения (Eb), к энергетической спектральной плотности шума (N 0) – для расчета вероятности ошибки в цифровых каналах связи при различной модуляции без учёта пропускной способности канала – средняя частота ошибок

Теорема Шеннона-Хартли • Теоретический предел для скорости в канале с ограниченной полосой и гауссовским шумом (пропускная способность канала, C) определяется двумя параметрами: шириной полосы BW и соотношением сигнал/шум (S/N, SNR - Signal to Noise Ratio) С [бит/с] = BW * log 2 (1 + S/N)

Предел Шеннона, бит/с Отношение S/N, д. Б Полоса, Гц 2 400 3 100 3 430 10 8 300 10 725 11 900 20 16 000 20 650 23 000 40 32 000 41 200 45 600

А на самом деле… • Реальная скорость - конечно же, всегда меньше • Меньше она не только потому, что это - теоретический предел, но еще и потому, что реальный шум вовсе не обязан удовлетворять условию теоремы (и, будьте уверены, не удовлетворяет) • Свой вклад дают и импульсные помехи

Часть 3 СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ

Функциональная схема системы цифровой связи (Скляр, 2003)

Типовые задачи в области телекоммуникаций • Преобразовать сигналы (информацию) к стандартному виду • Передать большой объем информации за короткое время • Передать много сигналов • Выделить сигнал на фоне помех • Защитить передаваемую информацию

Технические приемы • • Усиление сигналов Фильтрация сигналов Модуляция сигналов Кодирование сигналов Компандирование сигналов Детектирование и выборка сигналов Автоподстройка частоты Преобразование (в т. ч. АЦП/ЦАП)

Важнейшие ограничивающие факторы для устройств связи • • Пропускная способность Расстояние для передачи Помехи Конфиденциальность

Преимущества цифровой обработки сигналов • Воспроизводимость • Универсальность (многофункциональность) • Программируемость • Возможность работы при малых значениях S/N • Осуществление регенерации сигнала

Часть 4 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

«Вычислительная сеть» или «Компьютерная сеть» или «Сеть передачи данных» • Информационная сеть, в состав которой входит вычислительное оборудование • DTE (Data Terminal Equipment) – оконечное оборудование данных • DCE (Data Circuit-terminating Equipment или Data Communication Equipment или Data Carrier Equipment) – оконечное оборудование линии связи

Современные сети связи – три сетевых уровня • Первичные сети состоят только из линий связи, усилительной и каналообразующей аппаратуры на станциях • Вторичные сети содержат, кроме того, узлы коммутации, позволяющие переключать каналы связи на различные направления • А вот уже на основе вторичных сетей создаются многочисленные службы связи, предоставляющие разные услуги

Прикладной (Application) Данные Доступ к сетевым службам Представительский (Presentation) Поток Модель ВОС – взаимодействия открытых систем The OSI model – open systems interconnection Представление и шифрование данных Сеансовый (Session) Сеансы Управление сеансом связи Транспортный (Transport) Сегменты/ Дейтаграммы Прямая связь между пунктами и надежность конечными Сетевой (Network) Пакеты Определение маршрута и логическая адресация Канальный (Data Link) Узнать больше: ü Сетевая модель OSI ü Стек протоколов TCP/IP ü Протоколы передачи данных Кадры Физическая адресация Физический (Physical) Биты Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными

Формат передачи информации от уровня к уровню Узнать больше: ü OSI model ü Protocol data unit and Service data unit ü Инкапсуляция

Сетевое оборудование • Для построения локальных связей между компьютерами используются различные виды кабельных систем, сетевые адаптеры, концентраторы, повторители, мосты, коммутаторы и маршрутизаторы • Оптимальный набор коммуникационного оборудования подбирается исходя из количества участников (размер) сети, а также их размещения относительно друга (архитектура)

Сети – Networks [словами…] Размер сети • PAN (personal area network) – 1 м 2 (вокруг человека) • LAN (local area network) – 10, 1000 м (комната, здание, район) • MAN (metropolitan area network) – 10 км (город) • WAN (wide area network) Топология сети • Точка-точка (point-topoint) • Шина (bus) • Звездообразная (star) • Кольцевая (ring) • Полносвязная (mesh) • Древовидная (tree) • Комбинированная (hybrid) – больше: Узнать100 км, 1000 км (страна, континент) ü Что такое WLAN, SAN, CAN, GAN? ü Персональная сеть, Локальная сеть, Городская сеть, Глобальная сеть ü Типы сетей и Сетевая топология

Сети – Networks [в картинках…] Размер сети – стандарты и технологии Топология сети Централизация/децентрализ ация Сотовая (cellular) топология

Пример сетей № 1: «Система военной связи» Узнать больше: ü Набрать в любом поисковике «Military network»

Пример сетей № 2: «Интернет» Узнать больше: ü Набрать в любом поисковике «Internet architecture» , «Architecture of Internet» или «Архитектура интернет»

Уровень модели Физический OSI: Повторитель – repeater • Для предотвращения затухания сигнала в кабеле (обычно через 500 м) используют повторители • Повторители бывают двух- и многопортовыми • Многопортовые повторители в сетях на основе «витой пары» называют также концентраторами или хабами (hub)

Уровень модели Физический OSI: Концентратор – hub • В основном функция концентратора состоит в объединении пользователей в один сетевой сегмент – усиливают сигналы – распространяют сигналы по сети – не требуется фильтрация – не требуется определение маршрутов и коммутации пакетов – используются как точки объединения трафика в Концентратор Cisco Fasthub 108 T

Уровень модели Канальный OSI: Мост – bridge • Могут анализировать входящие кадры и пересылать их (или отбросить) на основе адресной информации • Собирают и передают пакеты между двумя или более сегментами LAN-сети • Поддерживают таблицы MAC-адресов. • Типы мостов: – Прозрачные мосты (transparent bridges) объединяют сети с едиными протоколами канального и физического уровней модели OSI; – Транслирующие мосты (translating bridges) объединяют сети с различными протоколами канального и физического уровней; – Инкапсулирующие мосты (encapsulating bridges) соединяют сети с едиными протоколами канального и физического

Уровень модели Канальный OSI: Коммутатор – switch • Коммутатор предоставляет каждому устройству (серверу, ПК или концентратору), подключенному к одному из его портов, всю полосу пропускания сети • Это повышает производительность и уменьшает время отклика сети за счет сокращения числа пользователей на сегмент • Как и двухскоростные концентраторы, коммутаторы часто конструируются для поддержки 10 или 100 Мбит/с, в зависимости от максимальной скорости подключаемого устройства Серия коммутаторов Catalyst 6500

Уровень модели Сетевой OSI: Маршрутизатор – router • Может быть реализован в виде отдельного высокопроизводительного устройства • Функцию маршрутизатора может также выполнять сетевая операционная система обычного компьютера Маршрутизатор Cisco 1841

Уровень модели Транспортный OSI: Шлюз – gateway • Любое сетевое устройство, которое одновременно подключено к нескольким сетям при помощи нескольких сетевых интерфейсов, имеет в каждой сети свой адрес сетевого уровня и занимается продвижением пакетов между этими Сетевой шлюз со сетями встроенным коммутатором Cisco 770

На следующей неделе Лекция 3 «Преобразование сигналов и модуляция» Лекцию ведёт: Тимошенко Александр Геннадиевич

Почитать к следующей лекции Обязательно • Wikipedia, статьи: «Модуляция» , «Спектр сигнала» , «Преобразование Фурье» Для общего развития • Wikipedia, статьи: «Теорема Котельникова» и «Частота Найквиста» , «Теорема Шеннона — Хартли» , «Теорема Шеннона об источнике шифрования» или оригиналы: • Котельников В. А. О пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи // Успехи физических наук : Журнал. — 2006. — № 7. — С. 762 -770 • C. E. Shannon (January 1949). "Communication in the presence of noise" (PDF). Proc. Institute of Radio Engineers 37(1): 10– 21. • C. E. Shannon, «A Mathematical Theory of Communication» , Bell System Technical Journal, vol. 27, pp. 379— 423, 623— 656, July, October, 1948

Всем спасибо!