Канал связи. 
Технические измерения и приборы

Канал связи — совокупность технических средств и физической среды, предназначенных для передачи информации.

Канал связи является связующим компонентом ИС (см. и. 15.1).

К основным техническим средствам, входящим в состав канала связи, относятся: передатчики, приёмники, усилители сигналов, кодирующие и декодирующие устройства, модуляторы и демодуляторы, коммутаторы, фильтры и др.

Линия связи — совокупность технических средств и физической среды, обеспечивающих распространение сигналов от передатчика к приёмнику.

В зависимости от характера сигналов различают линии электрической (проводной и радиосвязи), звуковой (акустической) и световой, или оптической связи.

Способность канала связи передавать информацию характеризуется рядом параметров, важнейшим из которых является пропускная способность, определяемая максимально возможным количеством информации, передаваемой за единицу времени. Кроме того, канал связи характеризуется амплитудночастотной характеристикой, полосой пропускания, помехоустойчивостью, шумами и г. д.

Качество передачи (ГОСТ Р МЭК 870−1-4−98) — термин, определяющий показатели качества сетей связи, например такие, как частота искажения бита, готовность выделенного канала, вероятность искажения пакетов битов, отношение сигнал/шум, амплитудные и фазовые искажения, нелинейность, помехи внутри канала.

Связь между полосой пропускания линии В (Гц) и её максимально возможной пропускной способностью С (бит/с) определяется одним из основных законов теории информации — теоремой Шеннона-Хартли (С.Е. Shannon — американский математик и инженер, 1916 — 2001, R. Hartley — американский учёный, 1888 — 1970).

где SNP — отношение мощности сигнала и шума.

Без учёта шума максимальная скорость передачи данных определяется законом Найквиста (Н. Nyquist — американский физик, 1889 — 1976).

где М — число различимых состояний информативного параметра сигнала.

По способу представления данных при передаче различают аналоговые и цифровые каналы. Недостатком аналоговых каналов является трудность обеспечения высокой точности передаваемых данных, поэтому цифровые каналы находят всё большее применение по следующим причинам:

• — возможность цифровой передачи любых известных электронных сигналов;
• — возможность контроля качества приёма цифровых сигналов по единому показателю — характеристике цифровых ошибок, что позволяет выявить сигналы пониженного качества, требующие повторной передачи (для сигналов, допускающих псрезапрос), и сигналы, требующие исправления без перезапроса (для сигналов в реальном масштабе времени);
• — существенное упрощение эксплуатации цифровых средств и повышенные показатели надёжности каналов и трактов, что обусловлено как упрощением диагностики неисправностей, так и возможностью восстановления каналов и трактов;
• — существенное упрощение цифровой аппаратуры передачи данных по сравнению с аналоговой, поскольку цифровые сигналы можно более эффективно и гибко обрабатывать и передавать;
• — обеспечение конфиденциальности (от лат. confidentia — доверие) информационного обмена;
• — переход ведомственных сетей и сетей общего пользования на цифровые средства передачи и коммутации с ориентацией в дальнейшем на цифровые сети интегрального обслуживания и, как результат, прекращение производства аналоговых средств связи.

По методу передачи кодовых слов цифровые каналы делят на параллельные, последовательные и последовательнопараллельные.

При передаче аналоговых сигналов для повышения помехозащищённости применяют различные виды модуляции. Модуляция (от лат. modulatio — верность, размеренность) — процесс перехода от кодовых символов к элементам сигнала. В аналоговых каналах связи с несущей частотой (радиоканал) применяют амплитудную (AM), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) модуляцию. В цифровых каналах связи последовательного типа используют различные виды время-импульсной модуляции; амплитудно-импульсную (АИМ), широтно-импульсную (ШИМ), фазоимпульсную (ФИМ), импульсно-кодовую (ИКМ), а также импульсно-счётную (ИСМ), дельта-модуляцию (г5-М), дифференциальную импульсно-кодовую (ДИКМ) и другие. Как указывалось выше, в последнее время всё чаще данные, изначально имеющие аналоговую форму (речь, музыка, телевизионное изображение и т. п.), передают по каналам связи в дискретном (цифровом) виде. Такой процесс преобразования аналогового сигнала в дискретный называется дискретной модуляцией.

По степени защищённости канал может быть незащищённый, защищённый от помех, защищённый от помех передаваемого кода и защищённый от несанкционированного доступа.

По направлению передачи канал может быть симплексный, дуплексный и полудуплексный.

Симплексная (от лат. simplex — простой) связь обеспечивает передачу данных только в одном направлении, например, от датчика ИС — в компьютер.

Дуплексный (от лат. dublex — двойной) канал связи обеспечивает одновременную передачу данных как в прямом, так и в обратном направлении.

Полудуплексная связь обеспечивает передачу данных как в прямом, гак и в обратном направлении, однако в каждый данный момент времени передача возможна только в одном направлении. При такой связи каждый объект имеет возможность переключаться из состояния передачи в состояние приёма и обратно.

По методу работы каналы делят на селекторные и мультиплексорные.

Селекторный (от лаг. selector — сортировщик) канал связи предназначен для подключения только одного устройства.

Мультиплексорный канал связи одновременного обслуживает нескольких параллельно работающих устройств.

По структуре связей каналы бывают односвязные, соединяющие между собой два устройства, разветвлённые, в которых одно устройство может быть связано с каждым из нескольких пунктов, и сетевые, обеспечивающие единую связь между любыми двумя устройствами системы.

По виду используемой среды канал связи может быть проводным, кабельным, волноводным, радиоканалом, инфракрасным, мобильным и волоконно-оптическим.

Проводные линии связи представляют собой провода без каких-либо оплёток, висящие в воздухе. Они передают телефонные и телеграфные сигналы, их видно из любого окна, но в последнее время их активно вытесняют кабельные (от гол. kabel — канат, трос).

Кабельные линии состоят из проводников, заключённых между несколькими слоями изоляции: электрической, электромагнитной, механической. Коаксиальный кабель состоит из медного провода (жилы), окружённого слоем изоляции и оплёткой, которая играет роль земли и экранирует жилу от внешних помех.

Его применяют для создания локальных и глобальных сетей, кабельного телевидения и пр. Тонкий кабель (диаметр около 5 мм) передаёт сигнал без значительных потерь на расстояние около 200 м, а толстый (диаметр около 10 мм) — до 500 м.

Широко используется кабель «витая пара», который представляет собой пару медных скрученных проводов в изоляции (рис. 15.5). Скручивание проводов существенно снижает влияние помех на полезный сигнал, в том числе наводимых соседним проводом. Длина линии связи неэкранированной витой пары составляет 100 м. Кабель, состоящий из четырех витых пар, способен передавать данные со скоростью 100 Мбит/с.

а б.

Рис. 15.5. Кабель «витая пара» (а) и разъём к ней (б)

Волноводный канал представляет собой волновод, т. е. полую или частично заполненную диэлектриком металлическую трубу или стержень из диэлектрика, по которому распространяются электромагнитные колебания с длиной волны 0,2 — 30 см.

Радиоканал организуют с использованием передатчика и приёмника радиоволн. В диапазонах ДВ, СВ и КВ с AM обеспечивается дальняя радиосвязь при невысокой скорости передачи данных. В диапазонах УКВ и СВЧ (более 4 ГГц) с ЧМ передача является более скоростной, но только в пределах прямой видимости, поэтому её применяют для спутниковой и релейной радиосвязи.

Инфракрасные беспроводные сети используют для передачи данных ИК лучи. Правда, длина передачи невелика — до 30 м, зато скорость передачи данных может составлять 100 Мбит/с. Существует четыре типа инфракрасных сетей: сети прямой видимости, на отражённом и рассеянном излучении, а также модулированные оптические сети. ИК сети, к сожалению, подвержены помехам со стороны сильных источников света. В качестве примера ИК сетей можно привести всем знакомые пульты управления телевизоров, кондиционеров и т. п.

Волоконный световод представляет собой гибкую нить (волокно) с сердцевиной из высокопрозрачного диэлектрика, окружённого оболочкой с показателем преломления меньшим, чем у сердцевины. Направленная передача световой энергии в нём происходит вследствие явления полного внутреннего отражения света на границе раздела между сердцевиной и оболочкой.

Волоконные световоды — наиболее качественный тип кабеля:

• — благодаря малым потерям и широкополосности обеспечивается возможность высококачественной передачи данных на большие расстояния;
• — световоды отличает высокая стойкость к воздействию окружающей среды — огню, влаге, химическим веществам и т. п.;
• — они не проводят электрический ток и по этой причине не обладают свойством индукции, нс подвержены действию электромагнитных помех;
• — благодаря высоким изоляционным свойствам на них не влияет разность потенциалов, они не искрят и взрывобезопасны;
• — очень тонки, легки и гибки;
• — долговечны;
• — имеют неограниченные природные ресурсы для их производства.

Сжатие или компрессия (от лат. compressio — сжатие) данных.

— это сокращение объёма данных, передаваемых по каналу связи или вводимых в память. Основой сжатия данных является лаконичное представление информации. Спектральный состав поступающей информации обычно неизвестен. Поэтому её передача осуществляется так, чтобы обеспечить количество данных, необходимое для воспроизведения более широкой полосы частот, чем полоса частот реального сигнала. Например, если наивысшая частота, содержащаяся в передаваемом сигнале, равна (о_тах, то частоту квантования а>_к по времени принимают в соответствии с теоремой Котельникова (В.А. Котельников — советский радиотехник, 1908 — 2005) равной со_к = со,/, где со,/," со_тах. В результате возникает статистическая избыточность данных.

Статистическое сжатие данных состоит в уменьшении статистической избыточности. Существует также семантическая (от 1реч. G€|iavnyoCT — обозначающий) избыточность, зависящая от получателя данных.

Статическая компрессия обеспечивает предварительное сжатие данных, например, с помощью архиваторов WinRAR, WinZip, 7-Zip, PowerArchiver, WinAce, IZArc, PeaZip.

Существующие алгоритмы сжатия информации можно разделить на две большие группы:

• — алгоритмы сжатия без потерь: алгоритм Лемпеля-Зива (Lempel-Ziv, LZ), RLE (Run Length Encoding), кодирование Хаффмана (Huffman) и др.;
• — алгоритмы сжатия с потерями: JPEG (Joint Photographic Expert Group), M-JPEG, MPEG (Motion Picture Expert Group и др.).

Для передачи данных по каналу связи используют модем (МОдулятор-ДЕМодулятор) — устройство преобразования последовательных цифровых сигналов в аналоговые и наоборот.

Модем имеет два интерфейса: с аналоговой линией и с оконечным устройством.

Простейшей сетью с использованием модемов является двухточечный телефонный канал, в котором два модема соединены («точка-точка») линией связи. Существует два типа телефонных линий, по которым можно осуществлять модемную связь:

• — каналы общедоступной коммутируемой телефонной связи (коммутируемые линии);
• — арендуемые (выделенные) линии.

По режиму работы различают модемы:

• — асинхронные, которые работают в режиме асинхронной стопстартной позначной передачи. Такие модемы являются низкоскоростными;
• — синхронные (от грсч. oi|/vxr|povoa — одновременный), когда модем генерирует сигналы синхронизации и данные передаются блоками;
• — асинхронно-синхронные, которые могут осуществлять асинхронную и синхронную передачу данных.

Асинхронно-синхронные и синхронные модемы работают только с фиксированными скоростями передачи.

Асинхронно-синхронные модемы работают на двухпроводных линиях (либо выделенных, либо коммутируемых), и вес они могут работать в дуплексном режиме.

Модемы имеют два стандартных физических интерфейса:

• — последовательный интерфейс передачи данных RS-232;
• — интерфейс с телефонной линией RJ-11.

Дальнейшее совершенствование СИ и ИС связано с реализацией беспроводной связи. Отказ от кабельных соединений предоставляет устройствам свободу и мобильность, упрощается взаимодействие и обмен информацией между ними. Техническая перспективность использования беспроводной связи для широкого круга промышленных объектов бесспорна, особенно в тех областях промышленности, где требуется сбор и обработка большого количества одновременно измеряемых параметров (космонавтика, химическая, нефтяная и металлургическая промышленность, жилищно-коммунальное хозяйство и др.).

В настоящее время находят применение следующие беспроводные технологии.

GSM/GPRS/EDGE (Global System for Mobile communications — глобальная система мобильной связи, General Packet Radio Service — услуга пакетной передачи данных по радиоканалу, Enhanced Data for Global Evolution — усовершенствованная передача данных для глобального развития) использует сотовые сети стандарта GSM 900/1800 МГц и получила широкое распространение с начала 90-х годов прошлого века. Применение GSM/GPRS/EDGE модемов позволяет существенно снизить первоначальные затраты там, где нет проводной связи, а также обеспечить связь с различного рода подвижными объектами.

Один из самых распространённых способов передачи информации в сетях GSM — использование службы коротких, до 160 символов, сообщений SMS. Значительно реже используется передача в модемном режиме, скорость при этом ограничена 14,4 кбит/с. Необходимость установления соединения, а главное, время, затрачиваемое на такое соединение, обусловливают определенные ограничения на развитие систем телеметрии на этой базе. Оба варианта предполагают периодический дозвон до коммутатора сотового оператора, поскольку иметь постоянное соединение при повременной оплате трафика неоправданно дорого. Таким образом, для работы в реальном масштабе времени и для передачи больших массивов информации использование SMS и модемного режима нецелесообразно.

Появление технологии передачи данных с коммутацией пакетов GPRS, а также покрытие этими сетями больших территорий, существенно расширяет сферу применения GSM модемов. Основными преимуществами новых технологий являются постоянное соединение с сетью и, как следствие, возможность передачи данных в реальном времени, зависимость оплаты от объёма передаваемых данных, а не от времени соединения, большая скорость передачи данных (зависит от класса устройства, и для EDGE может достигать 473 кбит/с, а для GPRS — 171 кбит/с).

К основным достоинствам технологии GSM/GPRS/EDGE относят неограниченный радиус действия, безопасность передачи информации, высокий уровень стандартизации, а к недостаткам — возможность работы только в зонах покрытия сетей GSM, оплата графика, большое энергопотребление в активном режиме.

ГЛОНАСС — глобальная навигационная спутниковая система, российский аналог GPS. В конце 2007 года запущена в эксплуатацию (12 спутников) с зоной покрытия территории РФ 94%, с 2011 года начала работать в полном объёме (24 спутника, вращающихся на орбите высотой 19.100 км в трёх орбитальных плоскостях, разнесённых друг относительно друга на 120 °). Спутники ГЛОНАСС непрерывно излучают навигационные сигналы двух типов: стандартной точности в диапазоне 1,2 ГГц и высокой точности в диапазонах 1,2 и 1,6 ГГц. Погрешность определения координат составляет 1 м.

NAVSTAR GPS (Global Positioning System — глобальная система позиционирования) предназначена для высокоточного определения на земной поверхности трёх координат места и скорости различных подвижных объектов, а также точного времени любыми абонентами, имеющими GPS приёмники. Система разработана по заказу и контролируется Министерством обороны США, она предоставляется для гражданского, коммерческого и научного использования на свободной (бесплатной) основе. Функционирование системы обеспечивают 24 спутника, равномерно распределённые на 6 круговых орбитах, и наземный сегмент управления.

Для вычисления координат и измерения точного времени GPS приёмник должен получать сигналы как минимум от четырёх спутников. Максимальная точность определения по горизонтали (при отключённом режиме селективной избирательности, принудительно ухудшающей точность определения — до 100 м), которую можно достигнуть с помощью GPS приёмников общего назначения, составляет 10 — 12 м. Точность определения времени с использованием синхроимпульсов, генерируемых GPS приёмниками, достигает 50 — 100 нс, что даёт возможность использовать их в качестве эталонов времени.

Основные области применения GPS — морская и автомобильная навигация, туризм, охранно-поисковые системы и системы безопасности, системы слежения за транспортом и перевозками 1рузов, а также системы синхронизации времени энергетических систем и компьютерных сетей и т. п.

Основные достоинства технологии GPS: глобальное покрытие, дающее возможность использовать систему в любой точке земной поверхности, возможность пользования системой бесплатно; наличие стандартных протоколов представления навигационной информации даёт возможность использовать существующее специализированное программное обеспечение с GPS приёмниками разных производителей.

К недостаткам технологии относят невозможность навигации в зонах сильного ослабления радиосигналов со спутников, потенциальную возможность ухудшения точности определения или полного отключения свободного доступа к сервису владельцем системы — Правительством США.

Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity — беспроводная точность), или RadioEthemet IEEE 802.11 — эго первый промышленный стандарт для организации беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Networks — WLAN) на ограниченной территории, т. е. когда несколько абонентов имеют равноправный доступ к общему каналу передачи данных.

Основные достоинства технологии Wi-Fi: простота использования готовых модулей; легкость интеграции с существующими проводными сетями; высокая скорость передачи информации; безопасность передачи информации (64/128-битное шифрование).

Основные недостатки: более высокая (по сравнению с другими беспроводными сетями) цена на оборудование; большее (по сравнению с другими беспроводными сетями) энергопотребление; ограниченный радиус действия.

Нелицензируемый диапазон частот 434/868 МГц. Для беспроводного управления и передачи данных в режиме свободного использования во всем мире предоставляются так называемые нелицензируемые (ISM — Industrial, Scientific, Medical) диапазоны. В настоящее время в РФ по решению ГКРЧ для этих целей выделены частоты 433,075 — 433,750 и 868,7 — 869,2 МГц. Их можно использовать без оформления соответствующего разрешения при условии соблюдения требований по ширине полосы, излучаемой мощности (до 10 мВт) и назначению готового изделия.

Приёмники и передатчики для частот 434 МГц и 868 МГц используют амплитудную и частотную модуляцию. Наиболее распространённый диапазон скоростей передачи информации 1 — 10 кбит/с, у некоторых типов приёмопередатчиков он достигает 150 кбит/с. Для кодирования информации, как правило, используют манчестерский или би-фазный коды. Излучаемая мощность и чувствительность могут задаваться программно или аппаратно. Для снижения энергопотребления предусмотрены специальные режимы работы.

Современные однокристальные приёмопередатчики для частот 434 МГц и 868 МГц являются высокоинтегрированными микросхемами и требуют для подключения минимальное количество недорогих внешних элементов, что существенно снижает стоимость готового изделия. Поэтому использование этих радиочастот для организации простых соединений типа «точкаточка» или «звезда» с небольшими скоростями обмена может быть хорошей альтернативой беспроводным технологиям диапазона 2,4 ГГц.

Основные достоинства технологии 434/868 МГц: увеличенный по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц радиус действия (около 1.000 м) благодаря меньшему поглощению средой и дифракционному рассеянию; пониженные требования к точности выполнения согласования с антенной и изготовления самой антенны; низкая цена.

Недостатки технологии: меньшая по сравнению с диапазоном 2,4 ГГц скорость передачи информации; отсутствие разработанных стандартных протоколов связи и средств защиты передаваемой информации; в городских условиях — высокая загруженность диапазонов.

Низкочастотные ISM диапазоны используют в системах автоматизации и дистанционного управления для дома и офиса, для контроля параметров удалённых объектов, управления производственными процессами, в системах коммерческого учёта, в беспроводных датчиках систем охраны и безопасности и т. п.

Сети ZigBee являются самообразующимися и самовосстанавливающимися сетями, так как ZigBee-устройства при включении питания благодаря встроенному программному обеспечению умеют сами находить друг друга и формировать сеть, а в случае выхода из строя какого-либо из узлов устанавливают новые маршруты для передачи сообщений. Таким образом, технология ZigBee может быть использована как для реализации простых соединений «точка-точка» и «звезда», так и для образования сложных сетей с топологиями «дерево» и «ячеистая сеть». Скорость передачи данных небольшая, она вместе со служебной информацией в сетях Zigbee составляет 250 кбит/с.

Технология ZigBee имеет частотные каналы в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в диапазоне 2,4 ГГц, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц. Радиус охвата устройств ZigBee зависит от многих параметров, но в первую очередь — от чувствительности приемника и мощности передатчика. На открытом пространстве расстояние между узлами в сети ZigBee измеряется несколькими сотнями метров, а в помещении — несколькими десятками метров. При этом следует помнить, что зона покрытия ZigBee значительно шире, чем расстояние между узлами, гак как за счёт ретрансляции сообщений осуществляется наращивание сети.

Основная идея технологии Bluetooth (Голубой зуб, названа в честь датского короля X века Гарольда, имевшего прозвище Голубой зуб) — предоставление возможности лёгкого и удобного беспроводного соединения между собой различных устройств персональной офисной и бытовой техники на малых расстояниях. Протокол Bluetooth поддерживает как соединения типа «точка-точка», так и «точка-многоточка». Два или более использующих один и тот же канал устройства образуют пикосеть (piconet), при этом одно из устройств работает как основное, а остальные — как подчинённые. В одной пикосети может быть до семи активных подчинённых устройств, при этом остальные подчинённые устройства находятся в режиме ожидания, оставаясь синхронизированными с основным устройством.

Технология использует небольшие приёмопередатчики малого радиуса действия, работающие на нелицензируемой в большинстве стран частоте 2,45 ГГц и использующие метод расширением спектра FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum — скачкообразная перестройка частоты, 1.600 скачков/с, пакетная передача с временным мультиплексированием, 79 рабочих каналов). Радиоканал обеспечивает скорость передачи данных 721 кбит/с.

В зависимости от мощности передатчика, устройства Bluetooth делят на три класса:

• — класс 1 — до 100 мВт (максимальная дальность до 100 м);
• — класс 2 — до 2,5 мВт (максимальная дальность до 15 м);
• — класс 3 — до 1 мВт (максимальная дальность на до 5 м).

Готовые модули и устройства Bluetooth, в зависимости от назначения, могут поддерживать все или только часть стандартных профилей.

Основные достоинства технологии Bluetooth: простота использования готовых модулей; малые размеры; безопасность передачи информации; высокий уровень стандартизации.

Основные недостатки технологии: невозможность построения сетей сложной топологии; большее по сравнению с сетями ZigBee энергопотребление.

NanoNet базируется на использовании линейно-частотной модуляции, которая представляет собой один из методов расширения спектра и позволяет повысить помехоустойчивость за счёт того, что мощность сигнала «размывается» по спектру, и при воздействии помех фиксированной частоты теряется только часть передаваемого сигнала, так что двоичная информация может быть затем восстановлена в приёмнике. NanoNet применяют там, где производительности ZigBee и Bluetooth становится не достаточно, а устройства Wi-Fi затруднительно использовать изза высокого энергопотребления.

Основными особенностями приёмопредатчиков являются возможность передавать данные на достаточно высоких скоростях (до 2 Мбит/с) с радиусом действия до 900 м и более высокая помехоустойчивость по сравнению с другими технологиями диапазона 2,4 ГГц.