Аналоговые и цифровые технологии. Сравнение аналоговых и цифровых сигналов. Аналоговые и цифровые сигналы

Люди до сих пор спорят, что лучше: аналоговая или цифровая технология. При этом последняя завоевывает мир окончательно и бесповоротно. Например, на Сиднейском кинофестивале в этом году не было ни одного фильма в формате 35 мм — киноиндустрия черпает вдохновение из новых технологий.

Взгляните на Топ-10 музыкального хитов ARIA (официальный хит-парад Австралийской ассоциации звукозаписи, Australian Recording Industry Association): в процессе записи этой музыки никогда не использовались еще совсем недавно считавшиеся ничем незаменимыми студийные магнитофоны. Наконец, фотографы уже давно предпочитают цифровые камеры аналоговым.

Все перечисленные примеры связаны с носителями информации, используемыми для записи результатов творчества. Раньше авторы сохраняли плоды своих трудов на магнитной ленте или кинопленке, теперь они предпочитают цифровые технологии и соответствующие носители.

Творчество ныне в основном сводится к манипуляции новейшими медиасредствами для того, чтобы рассказать историю, вызвать эмоциональный отклик, задать вопросы, развлечь аудиторию — то есть, делать все то, что искусство должно делать.

Однако в эпоху цифровых технологий находится все больше молодежи, ностальгирующей по старым аналоговым носителям информации. Иногда подобное пристрастие по отношению к вещам, которыми они никогда не пользовались, граничит с фетишизмом.

Не так давно всех удивил музыкант Джек Уайт (Jack White), сделавший запись на винтажном магнитофоне с 8 дорожками. И это далеко не единичный случай. Воскрешение «пленочных» студии звукозаписи и рекорд-лейблов, распространяющих музыку на кассетах, сильно удивило воротил музыкальной индустрии, считавших аналоговый формат мертвым. Тем более, что цифровая техника позволила избавиться от прежних раздражителей (гул, потрескивание, искажения, вспышки и прочие признаки «теплого лампового звука»).

Ностальгия по аналогу

Нелинейность — термин из практики современных медиа, означающий, что входной сигнал, поступающий в устройство, не эквивалентен выходному сигналу.

Любые медиаустройства, в той или иной степени искажающие сигнал — сжатие динамического диапазона музыки в аудиозаписи, размытые контуры изображений и избыточное насыщение кинокадра определенными цветами — можно рассматривать как нелинейные.

Технические специалисты всегда стремились избавиться от погрешностей, а музыкальные продюсеры, фотографы и режиссеры учились вписывать их в творческий продукт. Публика же воспринимала это вполне естественно.

До сих пор много музыкальных продюсеров делают запись на пленке, прежде чем передать ее на оцифровку. Или фотографы — сначала «отщелкивают» материал, а потом редактируют изображения в Photoshop.

Компании Waves и Steven Slate Digital создают программное обеспечение, как можно точнее воссоздающие звуковые эффекты старых магнитофонов.

Конечно, увлечение аналоговым форматом нисколько не умаляет достоинства цифровой технологии. Свое качество она оправдывает, даже слишком. Из-за триумфа «цифры» мы уже заскучали по «зашумленной», нечеткой и перенасыщенной цветом картинке, присущей аналоговым технологиям. Но одновременно никто не оспаривает высокую производительность и экономическую эффективность цифровых форматов обработки сигнала.

Некоторые любители всеми силами стараются сохранить уходящую в прошлое аналоговую технологию исключительно ради идеи. Другим просто доставляет удовольствие пользоваться винтажной техникой, например, камерой Polaroid.

Остальная часть «ретроградов» просто моделирует «полароидные» эффекты на смартфонах ради удовлетворения чувства ностальгии.

Рост «медленных медиа»

Всплеск интереса к старым технологиям со стороны людей, родившихся в цифровую эпоху, напоминает явление конца 80-х годов под названием «движение медленных медиа».

Растут продажи виниловых пластинок. Потому что люди вновь открывают радость встречи с альбомом музыканта как неким посланием. А само прослушивание пластинки? Это целый ритуал: взять в руки круг черной пластмассы, неторопливо подойти и бережно поставить его в проигрыватель.

У музыкантов своя причина любви к пленке. Когда они приходят в студию, то знают, что должны сыграть отменно, потому что «цифровой обман» недоступен.

Режиссеры, в свою очередь, исходят из ограниченности кинопленки. Это налагает ответственность на игру актеров ради избежания лишних дублей.

Музыкальные продюсеры также работают качественнее без огромного количества дорожек и безграничных возможностей наложения звука. Посмотрите, что творили Beatles всего на 4 дорожках. Сегодня их как минимум 96. Слушая современную музыку, приходится сомневаться в пользе дополнительных 92 дорожек.

У любви к старым технологиям есть одна подоплека. Дело тут не столько в монетизации ретро-моды, сколько в претензии к способу работы медиаиндустрии. В аналоговом мире вы вынуждены работать медленнее. В цифровой реальности вы должны сделать работу прямо сейчас.

Старые медиаформаты не уйдут. Слишком много людей заинтересованы в их существовании. Кто-то будет пытаться на волне ретро-моды вернуть утраченную часть прибыли. Кто-то погрузится в ностальгию и начнет коллекционировать старинное оборудование.

Некоторые вещи по-настоящему удивительны. Например, музыкальные инструменты или звукозаписывающее оборудование: 40-50 лет тому назад они делались словно на века, часто из более дорогих материалов, чем сегодня.

08.11.2016

Цифровые технологии меняют наши привычки, интерьер наших квартир, стиль нашей жизни и язык нашего общения. Они преобразуют бизнес и правительство, развлечения и образование, науку и медицину. Они существенно изменили и самого человека, особенно в социально-экономических и культурных аспектах. Каждый третий житель нашей планеты носит с собой сотовый телефон и в местах, где связь "не очень" нам нужно усиление сотовой связи и направленные антенны. Все большее число часов мы проводим «в цифровом пространстве» Интернета и все меньше времени уделяем таким средствам информации, как телевидение и радио. Бумажные носители вытесняются электронными. Все большее число пассажиров в метро читает не традиционные книги, а загруженные из Сети их электронные версии.

Цифровые технологии в том виде, в каком мы их знаем сегодня, радикально изменили и наш бизнес и нашу частную жизнь. Хранение и передача данных стали более эффективными. Интернет, особенно после создания WWW, позволяет человечеству создавать и обмениваться информацией и знаниями в глобальном масштабе.

Цифровой, невидимый и вездесущий

Следующим шагом цифровой революции будет вездесущность цифровых технологий. Наши фотоаппараты и МР3-плееры, электронные записные книжки и мобильные телефоны все больше напоминают карманные компьютеры, приобретая возможности видеосъемки, записи звука, высокоскоростной передачи данных.

Технические инновации, основанные на самых разных технологиях, среди которых радиоидентификация и радиодатчики, меняют модели человеческого существования в нашем цифровом веке. Информационные и коммуникационные возможности становятся невидимыми и повсеместными.

Теория будущей «вездесущности компьютеров» Марка Вейзера - бывшего главного ученого исследовательского центра Xerox в Пало-Альто - говорит о том, что самые сильные, совершенные и глубокие технологии - это «те, что исчезают, вплетают себя в ткань повседневной жизни, пока не растворятся в ней». Согласно этому мнению, все наши привычные вещи скоро превратятся в миниатюрные компьютеры. И это - не вымысел. Стоит только обратить внимание на тенденции смены поколений компьютеров. Они не просто становятся меньше. Они становятся все многочисленнее и все незаменимее. Решение многих задач более не потребует вмешательства человека, и технологии, такие заметные вчера, завтра будут исчезать из нашего поля зрения. В то же время повсеместно в окружающей нас среде, у самых повседневных вещей появится способность к обработке информации.

Два с половиной десятка лет назад ЭВМ, обслуживающие десятки человек, были обыденным явлением. Затем появились персональные компьютеры - одна машина на одного человека, теперь наше общество находится в фазе перехода к повсеместно распространенным компьютерам, когда несколько цифровых устройств обслуживают одного человека. Рисунок 2, взятый из статьи Марка Вейзера «Компьютер XXI века», иллюстрирует наступление эпохи повсеместной компьютеризации. На нем видны этапы роста, насыщения и спада трех поколений компьютеров.

Новые векторы развития Сети

Так давно предсказываемая цифровая конвергенция становится реальностью во многих областях жизни. За последние два десятилетия телефонная связь изменилась до неузнаваемости. Получила повсеместное распространение беспроводная телефония. В то же время телефон перестает быть средством только речевого общения. Трафик данных в сетях связи растет намного быстрее, чем трафик речевой. И в то время как мобильные операторы стремятся выжать максимальную выгоду из речевой связи, операторы других услуг - передачи речи по интернет-протоколу (VoIP) - стараются эту выгоду минимизировать.

Своей растущей популярностью технология VoIP обязана множеству преимуществ, которые, все вместе, для многих категорий пользователей - от домохозяек до трансконтинентальных корпораций - образуют чрезвычайно привлекательный метод общения. VoIP-вызовы зачастую оказываются бесплатными или, по крайней мере, дешевле обычной телефонии. Пользователи могут вызывать адресата из любой точки, где есть выход в Интернет, и пользоваться при этом множеством дополнительных услуг, таких, как перенаправление вызова, видеосвязь, конференц-связь, обмен файлами и т. п.

Услуги VoIP существуют с 90-х годов прошлого века. Однако массовое их распространение стало заметно относительно недавно. Среди наиболее известных служб, нацеленных на определенных потребителей, можно выделить Skype.

Skype - это служба, благодаря которой можно посредством специальной компьютерной программы бесплатно звонить другим абонентам Skype во всем мире. При наличии у абонентов веб-камер Skype позволяет устраивать видеоконференции. Можно также звонить на обычные стационарные и мобильные телефоны по очень низким тарифам. Skype включает в себя функции систем мгновенного обмена сообщениями, при этом позволяет организовывать чаты с участием до 100 человек одновременно и сохранять получаемую информацию.

Skype начала свою работу в 2003 году и через пару лет была куплена компанией eBay, крупнейшим в мире сетевым аукционом. Присоединение Skype к eBay подтолкнуло несколько других крупных компаний к началу экспериментов с интернет-телефонией. Так, Microsoft недавно приобрела VoIP-компанию Teleo, Yahoo! купила фирму DialPad, а Google начала предоставлять сервис Talk. Провайдеры услуг телефонии также проявляют интерес к VoIP. British Telecom и Nokia испытывают интеллектуальные абонентские терминалы, которые «бесшовно» переключаются между сотовыми и VoIP-сетями, позволяя абоненту избежать необходимости покупать два различных терминала и оплачивать счета двух операторов.

Новый вид инфраструктуры

Устройства, обменивающиеся данными по радио, легко соединять в сеть: не надо рыть траншеи или строить кабельную канализацию, не надо прокладывать кабели. Однако современный мир с его многогигабайтными потоками не может обойтись без фиксированной инфраструктуры, поэтому и фиксированные сети тоже не стоят на месте. Основное направление развития здесь - создание полномасштабных оптических сетей, характеризующихся огромной пропускной способностью. В развитых странах магистральные сети, обеспечивающие междугородную и международную связь - уже полностью оптические. Сети, соединяющие дома и производственные здания с магистральной сетью - так называемые сети доступа, сегодня пока еще используют медные кабели и технологии DSL. Но и они, несомненно, будут замещаться оптическими линиями, реализуя концепцию FTTH (fibre-to-the-home). Ну, и последний шаг - оптические линии связи внутри зданий - также не заставит себя долго ждать.

Общее мнение экспертов сводится к тому, что в развитом мире оптические сети составят вездесущую фиксированную инфраструктуру. Эти сети будут дополняться радиосетями, чья роль будет триединой.

Первая: обеспечивать удобное присоединение терминальных устройств к инфраструктуре. По аналогии с термином «последней мили», широко используемым в сегодняшней телекоммуникационной литературе, завтрашние сети радиодоступа будут сетями «последних метров» - расстояние от локальных приемопередатчиков до оптических сетей.

Вторая: связь для подвижных объектов. Эта роль, как и первая, является классической ролью подвижной связи.

Третья роль - относительно новая. Она заключается в соединении устройств без использования инфраструктуры. Имеет ли это смысл? Да, имеет. Например, для всех мест и ситуаций, где инфраструктуры просто нет (например в развивающихся странах) либо она недоступна или повреждена (например из-за аварии). Кроме того, если верить теории вездесущности компьютеров, то однажды нам потребуется соединить в одну сеть множество дешевых устройств, которые, вероятно, будут решать некие локальные задачи в офисе или дома. Вероятно, что оборудовать такие устройства интерфейсами UMTS или WLAN окажется слишком дорого. Вот здесь-то нам и понадобится возможность соединить устройства без подключения их к сетевой инфраструктуре. Именно для таких целей была придумана в свое время технология Bluetooth, которая и стала первым шагом в этом направлении.

Новый стиль жизни

Вряд ли кто-нибудь в состоянии подсчитать, насколько велика сегодня Всемирная паутина. Yahoo! оценивает ее размер в 40 миллиардов страниц. В сотни раз больше - объем закрытых данных, хранимых различными организациями .

Зачастую мы используем Интернет, даже не подозревая об этом. Набирая телефонный номер, мы не задумываемся, что часть пути наш вызов пройдет по VoIP-участку через Интернет. Когда мы отправляем электронное письмо коллеге из соседнего офиса, нас не интересует, через какие серверы оно будет перемещаться. Нажимая кнопку «Поиск» в Google или Yahoo!, мы просто хотим получить информацию. Интернет, вместе с иллюзией «всеобщности» знаний, принес нам новый стиль жизни. И вместе с новыми стилем жизни - новый рынок услуг.

Насколько же велик рынок «цифрового стиля жизни»?

На одном уровне - это огромный сегмент, объединяющий в себе такие цифровые отрасли, как связь, телерадиовещание и компьютерная индустрия. Но с другой стороны - это рынок для одного человека, который равно ценит как платные, так и бесплатные услуги. Здесь следует помнить, что ключевой социальной силой рынка новых услуг связи является тенденция общества к индивидуализации, стремление клиента выбирать продукты и услуги, руководствуясь только своими запросами. Поэтому поставщикам и операторам придется предложить потребителю возможность непосредственного и личного выбора и «подгонки» получаемых услуг. Мультимедийная связь, электронная торговля, телемедицина, дистанционное обучение, вездесущность компьютеров - в домах, офисах, автомобилях; радиосети в кафе и фитнес-клубах, магазинах и отелях, аэропортах и вузах - все это вместе приведет к существенному росту глобального трафика, передаваемого по Интернету.

Таким образом, совершенно очевидно, что на наших глазах три составные части новых услуг - связь, телерадиовещание и компьютерная индустрия - должны объединиться и создать новый рынок, у которого пока еще нет правильного названия, но оно появится и, вероятно, очень скоро.

Новые противоположности

Служба IBM Global Business Services опубликовала новый отчет «Движение в условиях разрыва медиасреды: инновации и реализация новых бизнес-моделей» , описывающий конфликт, перед лицом которого оказались традиционные владельцы контента и его распространители. Именно он назван в Отчете «разрывом медиасреды», который характеризуется напряженностью взаимоотношений между традиционными участниками медиарынка и «пришельцами» из области цифровых технологий. Специалисты IBM прогнозируют, что в ближайшие четыре года суммарные доходы от новых видов распространения медиаконтента будут расти на 23% в год - примерно в пять раз превышая темпы роста на традиционном рынке СМИ и развлечений. Кроме того, согласно экспертным оценкам, при переходе к цифровым технологиям формирования, хранения и распространения контента музыкальная отрасль потеряет примерно 90–160 млрд. долларов, и еще большие потери понесут телевизионная и киноиндустрия, если не будет найдено приемлемого выхода из сложившейся конфликтной ситуации.

Если приглядеться, то можно легко увидеть четкий раздел между старой и новой средами распространения контента. В традиционной среде по-прежнему преобладает контент, который создается специалистами и распространяется через фирменные платформы. Его защищают голограммами, ставят штампы «Все права сохранены», за ходом его распространения наблюдают высокооплачиваемые юристы, дела о нелегальном (читай - неоплаченном) использовании такого контента рассматриваются в судах самых разных инстанций. В новой среде контент зачастую создается пользователями, а доступ к нему осуществляется через открытые ресурсы. Эти полярные тенденции четко определяют конфликт между действующими и новыми участниками рынка.

Еще один конфликт возникает между уже существующими участниками рынка - традиционными владельцами ресурсов (кинокомпаниями, разработчиками игр и студиями звукозаписи) и их распространителями (телекомпаниями, предприятиями розничной торговли, кинопрокатчиками, поставщиками услуг кабельной и спутниковой связи). Существующий раздел медиасреды сталкивает партнеров друг с другом в борьбе за рост доходов.

Сегодняшнее противостояние традиционных и новых провайдеров ресурсов мультимедиа достигло точки наивысшего напряжения. Проблема, которая изначально была чисто технической и заключалась всего лишь в замене аналоговых средств связи на цифровые, переросла в экономическую, юридическую и даже политическую. Так что пришло время менять бизнес-модели, внедрять инновации и пересматривать партнерские отношения.

Новые фирмы и новые отношения

По традиции, рынки оцениваются в параметрах спроса и предложения, на основании которых производители и провайдеры услуг принимали решение о том, за какие «ценности» будут платить потребители, и старались эти ценности создать. Но в зародившемся цифровом мире, похоже, потребители сами создают эти ценности. Классическими примерами такого «самообслуживания» являются массовые онлайновые игры, общественные сайты.

Даже такие традиционные фирмы, как операторы связи, начинают двигаться в направлении «персонализации». В XIX веке телеграфные сообщения печатались и декодировались служащими телеграфных компаний, к XX веку пользователи могли сами отправлять и получать сообщения, но оборудование сети принадлежало телефонной компании. В XIX веке для передачи сообщений все чаще используется оборудование, принадлежащее пользователю.

Аналогичные тенденции можно наблюдать в области компьютеров (например, использование бесплатного ПО и ПО с открытым кодом) и в области вещания (где обычные люди все чаще участвуют в создании контента, снимаясь в реалити-шоу или позвонив в студию в прямом эфире теле- или радиопередачи).

Движение в сторону персонализации и увеличения ценностей, создаваемых самими пользователями, изменяет вид рынка. Основными показателями этого являются следующие.

Что есть услуга и кто ее потребитель?

Что можно считать сегодня базовой услугой технологий информации и связи? Двадцать лет назад ее определяли как «телефон в каждом доме». Сегодня базовый сервис - не только доступность необходимых услуг или оборудования, но и обеспечиваемое ими качество. В борьбе за качество и пропускную способность, а в конечном счете - за клиента ломаются копья, сливаются и банкротятся компании, рушатся регуляторные устои, пишутся концепции и не сбываются прогнозы.

В конце 2006 года Международный союз электросвязи издал свой ежегодный - седьмой по счету - доклад группы аналитиков о тенденциях развития сети Интернет. Он озаглавлен «Digital.life» и говорит, что в ближайшие десятилетия нам стоит ждать рассвета новой эры цифровизации, в ходе которой сегодняшний «Интернет данных и людей» уступит место завтрашнему «Интернету вещей».

В своем докладе аналитики МСЭ напоминают читателю, как в самом начале интернет-эпохи нас поражала возможность контакта - без телефонисток и междугородных звонков - с людьми, находящимися за океанами, в других часовых поясах, а то и в других полушариях. Как непривычно было получать доступ к информации, находясь перед экраном домашнего компьютера, а не в Ленинской библиотеке!

Следующим логическим шагом в этой технологической революции, по мнению экспертов, будет объединение в сеть неодушевленных предметов. Они будут связываться в режиме реального времени и, тем самым, радикально преобразуют Интернет. Согласно отчету, в настоящее время в мире насчитывается около 875 миллионов пользователей глобальной сети. И это число может просто удвоиться, если люди так и останутся основными пользователями будущего. Но эксперты рассчитывают, что в ближайшие десятилетия число подключенных к сети терминалов будет исчисляться десятками миллиардов. Это и лежит в основе Интернета вещей. «Интернет вещей сделает возможными новые формы использования вещей, каких мы до настоящего времени и не предполагали», - предсказывают авторы отчета.

Но несмотря на то что причин для беспокойства довольно много, ясно одно: наука и техника продолжают двигаться вперед. Интернет перестает быть чем-то самостоятельным, он охватывает всю нашу жизнь. Многомиллиардные инвестиции в технологии обработки и передачи данных приводят к появлению все новых и новых услуг и возможностей для потребителя, а значит - все новых рынков и новых доходов. Этот процесс непредсказуем, как непредсказуем ход движения мысли изобретателя.

Вряд ли стоит пытаться осознать пути развития прогресса, перед тем как продолжить движение вперед. В условиях головокружительной скорости появления и смены технологий искусственная остановка, «чтобы осознать», может стоить довольно дорого. И в этом я готова поспорить с авторами уже упоминавшегося мною отчета МСЭ, которые призывают пожинать плоды глобального Интернета вещей «только после полного понимания этого прогресса, связанных с ним выгод и трудностей».

Наш мир постепенно становится цифровым. Мы сейчас в самом эпицентре цифровой революции, которая зародилась в начале 1980-х и постепенно вытесняет из нашего быта и бизнеса аналоговые услуги и устройства, заменяя их цифровыми.

Аналоговые и цифровые сигналы

Основные принципы цифровой электроники.

Введение.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Конспект лекций

Цифровая электроника в настоящее время всœе более и более вы­тесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, произво­дящие самую разную электронную аппаратуру, всœе чаще заяв­ляют о полном переходе на цифровую технологию.

Успехи в технологии производства электронных микросхем обеспечили бурное развитие цифровой техники и устройств. Использование цифровых методов обработки и передачи сигналов позволяет существенно повысить качество линий связи. Цифровые методы обработки и коммутации сигналов в телœефонии позволяют в несколько раз сократить массогабаритные характеристики устройств коммутации, повысить надежность связи, ввести дополнительные функциональные возможности. Появление быстродействующих микропроцессоров, микросхем оперативной памяти больших объёмов, малогабаритных устройств хранения информации на жестких носителях больших объёмов позволило создать достаточно недорогие универсальные персональные электронные вычислительные машины (компьютеры), нашедшие очень широкое применение в быту и производстве. Цифровая техника незаменима в системах телœесигнализации и телœеуправления, применяемых в автоматизированных производствах, управлении удаленными объектами, к примеру, космическими кораблями, газоперекачивающими станциями и т. п. Цифровая техника также заняла прочное место в электро-радиоизмерительных системах. Современные устройства регистрации и воспроизведения сигналов также немыслимы без применения цифровых устройств. Цифровые устройства широко используются для управления в бытовых приборах.

Очень вероятно, что в будущем цифровые устройства займут доминирующее положение на рынке электроники.

Стоит сказать, что для начала дадим несколько базовых определœений.

Сигнал - это любая физическая величина (к примеру, тем­пература, давление воздуха, интенсивность света͵ сила тока и т. д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению во времени сигнал может нести в себе какую-то ин­формацию.

Электрический сигнал - это электрическая величина (на­пример, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со време­нем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя в последнее время всœе больше используются световые сигналы, которые представляют из себяизменяющуюся во времени интенсивность света.

Аналоговый сигнал - это сигнал, который может прини­мать любые значения в определœенных пределах (к примеру, на­пряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до деся­ти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сиг­налами, называются аналоговыми устройствами.

Цифровой сигнал - это сигнал, который может принимать только два значения (иногда - три значения). Причем разреше­ны некоторые отклонения от этих значений (рис. 1.1). Напри­мер, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называ­ются цифровыми устройствами.

В природе практически всœе сигналы аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в некоторых пределах. Именно поэто­му первые электронные устройства были аналоговыми. Οʜᴎ преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, выполняли над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические вели­чины. К примеру, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителœем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха, в более громкий звук.

Рис. 1.1. Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа).

Все операции, производимые электронными устройства­ми над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

‣‣‣ обработка (или преобразование);

‣‣‣ передача;

‣‣‣ хранение.

Во всœех этих случаях полезные сигналы искажаются пара­зитными сигналами - шумами, помехами, наводками. Вместе с тем, при обработке сигналов (к примеру, при усилении, фильт­рации) еще искажается и их форма из-за несовершенст­ва, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослаб­ляются.

Рис. 1.2. Искажение шумами и наводками аналогового сигнала (слева) и циф­рового сигнала (справа).

В случае аналоговых сигналов всœе это существенно ухуд­шает полезный сигнал, так как всœе его значения разрешены (рис. 1.2). По этой причине каждое преобразование, каждое промежу­точное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухуд­шает аналоговый сигнал, иногда вплоть до его полного унич­тожения. Надо еще учесть, что всœе шумы, помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, в связи с этим точноописать поведение любых аналоговых устройств абсолютно не­возможно. К тому же со временем параметры всœех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, в связи с этим харак­теристики этих устройств не остаются постоянными.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всœе­го два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всœегда существуют зоны допустимых отклонений (рис. 1.2). Именно в связи с этим цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более дли­тельное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всœегда можно абсолютно точно рассчитать и пред­сказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Вместе с тем, цифро­вые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что всœе эти преимущества обеспечивают бурное развитие циф­ровой электроники.

При этом у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней циф­ровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определœен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой - в дискретном времени (то есть только в выделœенные моменты времени). По этой причине мак­симально достижимое быстродействие аналоговых устройств всœегда принципиально больше, чем цифровых устройств. Ана­логовые устройства могут работать с более быстро меняющи­мися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всœегда должна быть сде­лана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым устройством.

Вместе с тем, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый передает информацию еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. По этой причине для передачи того объёма по­лезной информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всœего приходится использовать несколько цифро­вых сигналов

(обычно от 4 до 16).

К тому же, как уже отмечалось, в природе всœе сигналы ана­логовые, то есть для преобразования их в цифровые сигналы и для обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и

цифро-аналоговых преоб­разователœей). Так что ничто не дается даром, и плата за пре­имущества цифровых устройств может порой оказаться непри­емлемо большой.

Аналоговые и цифровые сигналы - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Аналоговые и цифровые сигналы" 2017, 2018.

Цифровая электроника в настоящее время все более и более вы-тесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, произво-дящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заяв-ляют о полном переходе на цифровую технологию.

Успехи в технологии производства электронных микросхем обеспечили бурное развитие цифровой техники и устройств. Использование цифровых методов обработки и передачи сигналов позволяет существенно повысить качество линий связи. Цифровые методы обработки и коммутации сигналов в телефонии позволяют в несколько раз сократить массогабаритные характеристики устройств коммутации, повысить надежность связи, ввести дополнительные функциональные возможности.

Появление быстродействующих микропроцессоров, микросхем оперативной памяти больших объемов, малогабаритных устройств хранения информации на жестких носителях больших объемов позволило создать достаточно недорогие универсальные персональные электронные вычислительные машины (компьютеры), нашедшие очень широкое применение в быту и производстве.

Цифровая техника незаменима в системах телесигнализации и телеуправления, применяемых в автоматизированных производствах, управлении удаленными объектами, например, космическими кораблями, газоперекачивающими станциями и т. п. Цифровая техника также заняла прочное место в электро-радиоизмерительных системах. Современные устройства регистрации и воспроизведения сигналов также немыслимы без применения цифровых устройств. Цифровые устройства широко используются для управления в бытовых приборах.

Очень вероятно, что в будущем цифровые устройства займут доминирующее положение на рынке электроники.

Для начала дадим несколько базовых определений .

Сигнал — это любая физическая величина (например, тем-пература, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т. д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению во времени сигнал может нести в себе какую-то ин-формацию.

Электрический сигнал — это электрическая величина (на-пример, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со време-нем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя в последнее время все больше используются световые сигналы, которые представляют собой изменяющуюся во времени интенсивность света.

Аналоговый сигнал — это сигнал, который может прини-мать любые значения в определенных пределах (например, на-пряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до деся-ти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сиг-налами, называются аналоговыми устройствами.

Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только два значения (иногда — три значения). Причем разреше-ны некоторые отклонения от этих значений (рис. 1.1). Напри-мер, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называ-ются цифровыми устройствами.

В природе практически все сигналы аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в некоторых пределах. Именно поэто-му первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, выполняли над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические вели-чины. Например, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха, в более громкий звук.

Рис. 1.1. Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа).

Все операции, производимые электронными устройства-ми над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

Обработка (или преобразование);

Передача;

Хранение.

Во всех этих случаях полезные сигналы искажаются пара-зитными сигналами — шумами, помехами, наводками. Кроме того, при обработке сигналов (например, при усилении, фильт-рации) еще искажается и их форма из-за несовершенст-ва, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослаб-ляются.

Рис. 1.2. Искажение шумами и наводками аналогового сигнала (слева) и циф-рового сигнала (справа).

В случае аналоговых сигналов все это существенно ухуд-шает полезный сигнал, так как все его значения разрешены (рис. 1.2). Поэтому каждое преобразование, каждое промежу-точное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухуд-шает аналоговый сигнал, иногда вплоть до его полного унич-тожения. Надо еще учесть, что все шумы, помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, поэтому точноописать поведение любых аналоговых устройств абсолютно не-возможно. К тому же со временем параметры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому харак-теристики этих устройств не остаются постоянными.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие все-го два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений (рис. 1.2). Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более дли-тельное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и пред-сказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифро-вые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие циф-ровой электроники.

Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней циф-ровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой — в дискретном времени (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому мак-симально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых устройств. Ана-логовые устройства могут работать с более быстро меняющи-мися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть сде-лана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым устройством.

Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый передает информацию еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема по-лезной информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифро-вых сигналов (обычно от 4 до 16).

К тому же, как уже отмечалось, в природе все сигналы ана-логовые, то есть для преобразования их в цифровые сигналы и для обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преоб-разователей). Так что ничто не дается даром, и плата за пре-имущества цифровых устройств может порой оказаться непри-емлемо большой.

Лекция 4. Методы сетевой коммуникации.

Методы сетевой коммуникации

Сигналы

Как упоминалось раньше, существует много способов физического создания и пе­редачи сигнала электрические импульсы могут проходить по медному проводу, им­пульсы света - по стеклянному или пластмассовому волокну, радиосигналы переда­ются по воздуху, так же передаются и лазерные импульсы в инфракрасном, или ви­димом диапазоне Преобразование единиц и нулей, представляющих данные в компьютере, в импульсы энергии называется кодированием (модуляцией).

Подобно классификации компьютерных сетей, сигналы можно классифицировать на основе их различных характеристик. Сигналы бывают следующие:

аналоговые и цифровые,

смодулированные и модулированные,

синхронные и асинхронные,

симплексные, полудуплексные, дуплексные и мультиплексные

Аналоговые и цифровые сигналы

В зависимости от формы электрического напряжения (которую можно увидеть на экране осциллографа), сигналы делятся на аналоговые и цифровые Скорее всего, вы Уже знакомы с этими терминами, так как они довольно часто встречаются в докумен­тации различного электронного оборудования, например магнитофонов, телевизоров, телефонов и т.д.

В некотором смысле аналоговое оборудование представляет уходящую эпоху элек­тронной техники, а цифровое - новейшую, приходящую ей на смену. Однако следует помнить, что один тип сигналов не может быть лучше другого. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, а также свои области применения. Хотя цифровые сигналы используются все более широко, они никогда не вытеснят аналоговых.

Параметры аналоговых сигналов

Аналоговые сигналы плавно и непрерывно изменяются во времени, поэтому их можно графически представить в виде плавной кривой (рис. 4.1).

В природе подавляющее большинство процессов принципиально аналоговые. На­пример, звук - это изменение давления воздуха, которое с помощью микрофона можно преобразовать в электрическое напряжение. Подавая это напряжение на вход осциллографа, можно увидеть график, аналогичный приведенному на рис. 4.1, т.е. можно проследить, как изменяется давление воздуха во времени.

Чтобы нагляднее представить себе аналоговую информацию, вспомните традиционный спидометр в автомобиле. Когда скорость автомобиля увеличивается, стрелка плавно прохо­дит по шкале от одного числа к другому. Еще один пример - настройка на станцию в ра­диоприемнике: при повороте ручки принимаемая частота плавно изменяется.

Большинство аналоговых сигналов имеют циклический, или периодический харак­тер, например радиоволны, представляющие собой колебания электромагнитного по­ля с высокой частотой. Такие циклические аналоговые сигналы принято характеризо­вать тремя параметрами.

Амплитуда. Максимальное или минимальное значение сигнала, т.е. высота волны.

Частота. Количество циклических изменений сигнала в секунду. Частота изме­ряется в герцах (Гц); 1 Гц - это один цикл в секунду.

Фаза. Положение волны относительно другой волны или относительно некото­рого момента времени, служащего началом отсчета. Фазу принято измерять в градусах, причем считается, что полный цикл равен 360 градусам.

Параметры цифровых сигналов

Другое название цифровых сигналов - дискретные Довольно часто встречается термин дискретные состояния Цифровые сигналы изменяются от одного дискретного состояния к другому почти мгновенно, не останавливаясь в промежуточных состояниях (рис. 4.2).

Примером цифрового сигнала могут служить показания новейшего цифрового спидометра в автомобиле (сравните с примером аналогового спидометра в предыду­щем разделе). Когда скорость автомобиля увеличивается, цифры, показывающие зна­чение скорости в километрах в час, переключаются скачками, причем величина сиг­нала принципиально дискретна: например, между дискретными состояниями "125 км/ч" и "126 км/ч" нет промежуточных значений. Другой пример цифровой ин­формации - новейший радиоприемник, в котором для настройки на определенную станцию пользователь вводит точное число, равное частоте радиостанции.

Сравнение аналоговых и цифровых сигналов

Компьютеры являются цифровыми машинами. Обрабатываемая ими информация представлена нулями и единицами. Двоичная цифра равна или 0, или 1, причем меж­ду ними или за их пределами нет ничего. Благодаря такой четкой определенности цифровые сигналы очень удобны для представления и передачи компьютерных дан­ных, поэтому они используются в подавляющем большинстве сетей.

Благодаря простоте технологии цифровые сигналы имеют ряд преимуществ:

Цифровое оборудование в общем случае дешевле аналогового.

Цифровые сигналы менее чувствительны к помехам.

Тем не менее и аналоговые сигналы имеют некоторые преимущества:

Их легко мультиплексировать, т.е. передавать большое количество сигналов по одному каналу.

Они меньше подвержены затуханию (ослаблению сигнала с увеличением рас­стояния), поэтому при той же мощности передающего устройства их можно пе­редавать на большее расстояние.

В общем случае полезными являются как аналоговые, так и цифровые сигналы. Однако в компьютерных сетях цифровые сигналы позволяют достичь большего уровня безопасности, пропускной способности и надежности. Кроме того, цифровые линии значительно меньше подвержены ошибкам, чем аналоговые.

Локальные сети практически всегда основаны на передаче цифровых сигналов по кабелю. Аналоговые сигналы используются в некоторых глобальных сетях.

Модулированные и немодулированные сигналы

Важной характеристикой метода передачи является пропускная способность кана­ла, непосредственно связанная с модулированием сигнала. Цифровой сигнал называ­ется немодулированнымесли переходы из одного дискретного состояния в другое представляют собой скачки напряжения в кабеле или другом носителе. В то же время в модулированном сигнале переход между дискретными состояниями - это изменение амплитуды так называемого несущего сигнала, представляющего собой высокочастот­ные колебания напряжения.

Немодулированный сигнал занимает весь канал связи. Кроме него, по каналу свя­зи нельзя передать больше ничего. Примером немодулированных сигналов являются сигналы в кабеле Ethernet.

Если используется модулирование, то по одному каналу можно передать несколько цифровых сигналов на разных несущих частотах. Кроме того, на разных несущих час­тотах можно передавать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Примером может служить система кабельного телевидения, в которой один кабель обслуживает десятки телевизионных каналов, по каждому из которых идут разные передачи.

Немодулированные сигналы

Немодулированные сигналы довольно просты: по кабелю в один момент времени передается только один сигнал. Немодулированным чаще всего является цифровой сигнал, хотя может быть и аналоговый.

В компьютерной и коммуникационной технике применяются главным образом немодулированные цифровые сигналы. Например, компьютер обменивается смоду­лированными цифровыми сигналами с мониторами, принтерами, клавиатурой и т.д. Примером применения модулированных цифровых сигналов является система ISDN (Integrated Services Digital Network), в которой многие сигналы передаются на разде­ленных каналах по одному кабелю. Немодулированные сигналы могут передаваться в двух направлениях, т.е. на каждом конце кабеля можно установить как передатчик, так и приемник, работающие одновременно.

Модулированные сигналы

С помощью модулированных сигналов можно организовать несколько каналов связи по одному кабелю, при этом каждый канал связи может работать на своей не­сущей частоте, не мешая другим каналам.

Модулированные сигналы являются однонаправленными. Это значит, что сигнал передается только в одном направлении: на одном конце кабеля установлен передатчик, а на другом - приемник. Однако на одном кабеле могут одновременно работать несколько каналов в разных направлениях.

Кроме кабельного телевидения, модулированные сигналы используются в системе DSL (Digital Subscriber Line), в которой данные и голос передаются одновременно по одной и той же линии, возможно через спутник или посредством радиоволн.

Для размещения на одной линии нескольких каналов связи используются методы мультиплексирования.

Мультиплексирование

Мультиплексированием называется одновременная передача многих сигналов по одной линии. На принимающей стороне мультиплексированные сигналы вос­станавливаются, т.е. отделяются друг от друга. Вернемся к примеру с кабельным телевидением. В телевизор встроено устройство декодирования сигналов, которое выделяет один канал и отбрасывает остальные. Благодаря этому зритель может выбрать желаемую программу.

Во многих литературных источниках о методах мультиплексирования говорит­ся только применительно к аналоговым сигналам, однако мультиплексировать можно и цифровые сигналы. Применяются следующие основные методы мульти­плексирования:

частотное разделение каналов (Frequency Division Method - FDM);

временное разделение каналов (Time Division Method - TDM);

по длине волны высокой плотности (Dense Wavelength Division Multiplexing - DWDM).

Частотное разделение каналов

При частотном разделении каналов, занимающих одну и ту же линию, каждый ка­нал работает на своей частоте (рис. 4.3). Обычно этим методом мультиплексируются аналоговые сигналы. Чтобы при частотном разделении каналов была возможна дву­сторонняя коммуникация, необходимо установить на каждой стороне как мультиплексор, так и демультиплексор.

Временное разделение каналов

Обычно этот метод используется для мультиплексирования цифровых сигна­лов. При временном разделении каждому каналу выделяются свои промежутки времени. На принимающем конце сигналы разных каналов отделяются демульти- плексором (рис. 4.4).

Мультиплексирование по длине волны высокой плотности

Этот метод мультиплексирования используется при передаче сигналов по волокон­но-оптическим кабелям. Сигналы каждого канала передаются световым лучом со сво­ей длиной волны. Физически этот метод совпадает с частотным разделением каналов, так как длина волны светового луча однозначно связана с его частотой. Однако отли­чия аппаратных реализаций этих методов настолько велики, что они все же рассмат­риваются как отдельные методы Как показано на рис. 4.5, по одному оптическому волокну могут одновременно передаваться различные данные, причем разными мето­дами (например, SONET и ATM).

Асинхронная и синхронная передача

Данные, заложенные в цифровом сигнале, фактически представлены изменениями дискретных состояний сигнала. Можно восстановить наши исходные нули и едини­цы, измеряя напряжение вольтметром в определенные моменты времени. Однако нужно точно знать, в какие именно моменты времени следует выполнять измерения. Синхронизация, т.е. согласование по времени, в коммуникационных технологиях не менее важна, чем во всех других областях нашей жизни.

В сетевых технологиях такое согласование по времени называется битовой синхро­низацией. Электронные устройства синхронизируют отдельные биты с помощью асин­хронного или синхронного методов.

Асинхронная передача

В этом методе для синхронизации используется стартовый бит, расположенный в начале каждого сообщения. Когда стартовый бит попадает в принимающее устройство, оно в этот момент синхронизирует свои внутренние часы с часами передающего устройства.

Синхронная передача

При синхронной передаче внутренние часы передающего и принимающего уст­ройств координируются встроенными механизмами. Например, информация о време­ни может быть встроена в сигналы данных. Такой метод называется синхронизацией с гарантированным изменением состояний. Среди синхронных методов это наиболее рас­пространенный.

Другой синхронный метод - синхронизация с помощью отдельного временного сигнала, в котором информация о времени передается между передатчиком и прием­ником по отдельному каналу. Еще один синхронный метод - стробирование. В этом случае синхронизация выполняется с помощью специальных строб-импульсов.

Симплексный, полудуплексный и дуплексный методы передачи

Каналы, по которым передаются сигналы данных, могут работать в одном из трех режимов: симплексном, полудуплексном и дуплексном. Отличаются эти методы направ­лениями, в которых передаются сигналы

Симплексная передача

Как видно из названия, это самый простой метод передачи. Иногда его называют однонаправленным, потому что сигналы проходят только в одном направлении, как ав­томобили по улице с односторонним движением (рис. 4.6).

Примером симплексной коммуникации может служить телевидение. Данные (телевизионные программы) передаются на телевизор. От телевизора обратно в сту­дию или в кабельную компанию никакие сигналы не передаются. Поэтому в состав телевизора входит только приемник сигналов, но не передатчик.

В настоящее время все большее распространение получают системы интерактив­ного телевидения, позволяющие передавать сигналы не только из студии к телевизо­ру, но и в обратном направлении. Однако кабельное оборудование большинства ком­паний по-прежнему поддерживает только симплексную передачу. Это создало серьез­ную проблему при появлении сети Internet. Существующая кабельная система оказалась способной передавать данные только в одном направлении, к пользователю.

Этот недостаток делает невозможным, например, доступ пользователя к Web-страницам, потому что броузер пользователя должен передать на Web-узел свой за­прос. Кабельные компании предлагают два способа решения этой проблемы:

передавать запросы пользователей (которые всегда намного короче, чем Web- страницы) по телефонным линиям, а Web-страницы - по телевизионным кабелям;

установить новое кабельное оборудование с двусторонней передачей.

Большинство компаний использовали первый способ как временную альтернативу второго, более совершенного. Если оставить кабельную систему передачи симплекс­ной, то пользователю придется нести расходы только на покупку кабельного и теле­фонного модемов (с пропускной способностью последнего не более 56 Кбит/с.) При этом ресурсы высокоскоростного кабельного канала будут использоваться полностью.

Многие кабельные компании сразу модернизируют свое оборудование для под­держки двусторонней коммуникации, в то время как другие все еще предоставляют только одностороннюю передачу данных Internet по телевизионному кабелю. В этих районах клиенты вынуждены использовать как кабельные, так и аналоговые модемы, подключенные к телефонной линии.

Полудуплексная передача

По сравнению с симплексной преимущества полудуплексной передачи очевидны: сигналы могут передаваться в обоих направлениях. Однако, к сожалению, эта дорога недостаточно широка, чтобы сигналы проходили в обоих направлениях одновременно. В полудуплексном методе в каждый момент времени сигналы передаются только в одном направлении (рис. 4.7).

Полудуплексный метод используется во многих системах радиосвязи, например, в уст­ройствах связи в полицейских автомобилях. В этих системах при нажатой кнопке микро­фона можно говорить, но услышать что-либо нельзя. Если пользователи нажмут кнопки микрофонов в обоих концах одновременно, то ни один из них ничего не услышит.

Дуплексная передача

Работа дуплексной системы коммуникации похожа на улицу с двусторонним дви­жением: автомобили могут двигаться в обоих направлениях одновременно (рис. 4.8).

Примером дуплексной коммуникации является обычный телефонный разговор. Оба абонента могут говорить одновременно, при этом каждый из них слышит, что го­ворит другой на другом конце линии (правда, при этом не всегда можно разобрать, что было сказано).

Проблемы, возникающие при передаче сигналов

Сигналы, с помощью которых сообщаются компьютеры, подвержены различным помехам и ограничениям. Разные типы кабелей и методы передачи обладают разной чувствительностью к помехам.

Электромагнитные помехи

Электромагнитные помехи представляют собой вторжение постороннего электро­магнитного сигнала, нарушающего форму полезного сигнала. Когда в полезный сиг­нал добавляются внешние помехи, принимающий компьютер не может правильно интерпретировать сигнал.

Представьте себе, что вы проезжаете в автомобиле рядом с мощной промышлен­ной установкой и слушаете в это время радио. Чистый и разборчивый сигнал вдруг покрывается шумом и треском. Это происходит потому, что к сигналу радиостанции Добавляются сильные сигналы, создаваемые установкой, которая расположена ближе, чем радиостанция. Поэтому электромагнитные помехи иногда называют шумами

Довольно часто помехи поступают из неизвестного источника. Существует множество Устройств, в которых электрические сигналы не выполняют информационные функции, а являются побочным продуктом различных производственных процессов. Создаваемые ими помехи могут распространяться на расстояние вплоть до нескольких километров.

Электромагнитные помехи порождают проблемы не только в компьютерных коммуни­кационных технологиях. В городах есть много устройств, передающих и принимающих электромагнитные сигналы: мобильные телефоны, средства радиосвязи, телевизионные передатчики и приемники. Электромагнитные помехи могут стать причиной многих не­приятностей, таких как плохое телевизионное изображение, крушение самолета вследствие нарушения связи с диспетчером, смерть пациента из-за нарушения работы медицинского оборудования и т.д. Существуют также долговременные побочные эффекты электромаг­нитного излучения, например рак или лейкемия могут быть вызваны длительным пребы­ванием человека рядом с мощным источником электромагнитных полей.

В коммуникационных технологиях особенно чувствительны к электромагнитным помехам неэкранированные медные провода. Металлическая внешняя оболочка коак­сиальных кабелей в значительной степени защищает их от помех. Эту же функцию выполняет металлическая оболочка экранированной витой пары. Неэкранированная витая пара довольно сильно подвержена помехам. Совершенно нечувствительны к электромагнитным помехам волоконно-оптические кабели, потому что в них сигна­лами служат не электрические импульсы, а луч света. Поэтому в условиях сильных электромагнитных помех лучше всего работают волоконно-оптические каналы связи.

Радиочастотные помехи

Радиочастотные помехи представляют собой сигналы радиопередатчиков и других устройств, генерирующих сигналы на радиочастотах. К ним относятся также процес­соры и дисплеи компьютеров. Радиочастотным считается электромагнитное излучение на частотах от 10 КГц до 100 ГГц. Излучение на частотах от 2 до 10 ГГц называется также микроволновым.

Влияние радиочастотных помех устраняется с помощью помехозащитных фильт­ров, применяемых в различных типах сетей.

Перекрестные помехи

К этому типу помех относятся сигналы проводов, расположенных на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга. Протекающий по проводу электрический ток создает электромагнитное поле, которое генерирует сигналы в другом проводе, распо­ложенном рядом. Довольно часто, разговаривая по телефону, можно услышать при­глушенные разговоры других людей. Причиной этого являются перекрестные помехи.

Перекрестные помехи значительно уменьшаются, если скрутить два провода, как это сделано в витой паре. Чем больше витков приходится на единицу длины, тем меньше влияние помех. Применение волоконно-оптического кабеля полностью уст­раняет эту проблему. Внутри одной оболочки можно расположить сколько угодно оп­тических волокон, и они не будут мешать друг другу, потому что сигналами в них служат не электрические импульсы, а световые лучи.

Затухание сигналов

Проходя по кабелю, электрические сигналы становятся все слабее. Чем больше расстояние до источника, тем слабее сигнал. Это нетрудно представить себе, вообра­зив, будто вы пытаетесь что-то сказать человеку, находящемуся на некотором рас­стоянии от вас. Если до него 5 метров, то он услышит ваш голос (сигнал) четко и громко, однако если до него 50 метров, то он с трудом поймет, о чем вы ему кричите. Такое ослабление сигнала с расстоянием называется затуханием сигнала

Затухание является причиной того, что в спецификациях различных сетевых архи­тектур указывается ограничение на длину кабеля. Если это ограничение соблюдается, то эффект затухания не повлияет на нормальную работу канала связи.

При увеличении частоты затухание увеличивается, потому что, чем выше частота сигнала, тем интенсивнее рассеивание его электромагнитной энергии в окружающее пространство. При увеличении частоты сам провод превращается из носителя сигнала в антенну, рассеивающую его энергию в пространство.

Сигналы в волоконно-оптическом кабеле тоже подвержены затуханию. Две глав­ные причины - поглощение светового луча примесями в стекле и рассеивание луча вследствие небольших изменений оптической плотности стекла, образовавшихся при его производстве. Однако волоконно-оптические кабели могут передавать сигнал на значительно большее расстояние, чем медные кабели, причем без уменьшения его мощности до недопустимого уровня.

Пропускная способность

Пропускная способность канала коммуникации обычно измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с). На пропускную способность влияет тир сигнала, тип среды и рас­стояние, на которое передается сигнал.

Понятия высокой и низкой пропускной способности весьма относительны. Например, пропускная способность Ethernet lOBaseT, равная 10 Мбит/с, кажется очень высокой по сравнению с пропускной способностью телефонного модема (50 Кбит/с), в то же время она кажется удручающе низкой по сравнению Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) или с высокоско­ростными соединениями глобальных сетей, такими как SONET и ATM.

Важным критерием при выборе типа кабеля и архитектуры сети является требую­щаяся (как сейчас, так и в будущем) пропускная способность.

Планирование роста сети

На этапе планирования сети необходимо помнить, что пропускная способность - это такой ресурс, которого всегда оказывается недостаточно. Покупка оборудования с бо­лее высокой пропускной способностью, чем необходимо сейчас, является хорошим вложением капитала: дополнительные затраты обязательно окупятся.

Компьютерные и коммуникационные технологии развиваются быстрыми темпами. В 1980-х годах типичные каналы глобальных сетей имели пропускную способность 10 Кбит/с, а локальных - 2,5 Мбит/с. Тогда никто даже не предполагал, что когда- нибудь понадобится передавать что-нибудь со скоростью, большей 100 Мбит/с Ведь еще не существовали такие технологии, как видеоконференции, передача голоса, или передача больших файлов, которые сейчас широко распространены

Проложить кабель с увеличенной пропускной способностью значительно легче и дешевле, чем потом заменять кабель новым Допустим, вы устанавливаете сеть 10BaseT, для кото- Рои достаточно кабеля категории 3 с пропускной способностью 10 Мбит/с. Купив кабель ка­тегории 3, а не категории 5, вы сэкономите несколько долларов. Однако через несколько лет, когда понадобится модернизировать сеть до 100 Мбит/с (а это случится почти навер­няка), вам придется заменять все кабели. Это обойдется значительно дороже, чем если бы вы сразу купили и установили кабель категории 5.

Методы доступа к сети

Существует несколько раз­личных методов доступа, соответствующих разным архитектурам и топологиям сети. Наибольшее распространение получили следующие методы:

передача маркера (эстафетный доступ);

приоритеты запросов.

Метод CSMA/CD

В настоящее время самый распространенный метод управления доступом в ло­кальную сеть - это CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем носителя и обнаружением конфликтов). Распространенность метода CSMA/CD в значительной степени обусловлена тем, что он используется в наиболее распростра­ненной в настоящее время архитектуре Ethernet.

Это весьма быстродействующий и эффективный метод предоставления доступа к кабелю Ethernet. Чтобы понять, как он работает, рассмотрим отдельно фрагмен­ты его названия.

Контроль носителя. Когда компьютер собирается передать данные в сеть мето­дом CSMA/CD, он должен сначала проверить, передает ли в это время по это­му же кабелю свои данные другой компьютер. Другими словами, проверить со­стояние носителя: занят ли он передачей других данных.

Множественный доступ. Это означает, что несколько компьютеров могут начать передачу данных в сеть одновременно.

Обнаружение конфликтов. Это главная задача метода CSMA/CD. Когда компью­тер готов передавать, он проверяет состояние носителя. Если кабель занят, компьютер не посылает сигналы. Если же компьютер не слышит в кабеле чу­жих сигналов, он начинает передавать. Однако может случиться, что кабель прослушивают два компьютера и, не обнаружив сигналов, начинают передавать оба одновременно. Такое явление называется конфликтом сигналов.

Когда в сетевом кабеле сигналы конфликтуют, пакеты данных разрушаются. Однако еше не все потеряно. В методе CSMA/CD компьютеры ждут на протяжении случайного п- риода временш посылают эти же сигналы повторно. Почему промежуток времени должен быть случайным? Если оба компьютера будут ждать некоторое фиксированное количество миллисекунд, то их времена ожидания могут совпасть и все повторится сначала. Компью­тер, который первым повторяет передачу пакета (у которого случайный период времени оказался меньшим), как бы "выигрывает" доступ к сети в рулетку.

Вероятность конфликтов невелика, так как они происходят, только если совпадают на­чала пакетов, т.е. весьма короткие отрезки времени. Поскольку сигналы передаются с вы­сокой скоростью (в Ethernet - 10 или 100 Мбит/с), производительность остается высокой.

Реализация метода CSMA/CD определяется спецификациями IEEE 802.3.

Метод CSMA/CA

Название метода расшифровывается как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (множественный доступ с контролем носителя и предотвращением конфликтов).

CSMA/CA - более "недоверчивый" метод. Если компьютер не находит в кабе­ле других сигналов, он не делает вывод, что путь свободен и можно отправлять свои дра­гоценные данные. Вместо этого компьютер сначала посылает сигнал запроса на переда­чу - RTS (Request to Send). Этим он объявляет другим компьютерам, что намерен начать передачу данных. Если другой компьютер сделает то же самое в тот же момент времени, то произойдет конфликт сигналов, а не пакетов данных. Таким образом, пакеты данных никогда не смогут конфликтовать. Это называется предотвращением конфликтов.

На первый взгляд, метод с предотвращением конфликтов значительно совершеннее, чем с обнаружением. Однако его производительность ниже из-за того, что дополнительно к данным приходится посылать сигналы KTS, подавляющее большинство которых не нужны. Фактически количество поступающих на кабель сигналов почти удваивается.

Метод CSMA/CA используется в сетях AppleTalk.

Передача маркера

Существует ли метод доступа, работающий вообще без конфликтов сигналов? Та­кой метод существует: это метод с передачей маркера.

Метод с передачей маркера неконкурентный В нем два компьютера не могут начать пе­редавать сигнал одновременно. Работа метода похожа на семинар, участник которого не может начать говорить, пока ему не предоставлено слово. Аналогично этому, компьютер в сети с передачей маркера не передает сигнал, пока маркер не перейдет к нему.