В технических системах часто возникает задача связать две подсистемы или два узла для организации информационного обмена между ними. Полученную коммуникативную связь называют каналом связи .

Каналы связи можно разделить по типу передаваемого сигнала (электрический, оптический, радиосигнал и т.д.), по среде передачи данных (воздух, электрический проводник, оптоволокно и т.д.) и по многим другим характеристикам. В этой статье речь пойдёт о делении каналов связи по режимам и правилам приёма и передачи информации. По указанным признакам каналы связи делят на симплексные, полудуплексные и дуплексные.

Симплексная связь

Симплексный канал связи — это односторонний канал, данные по нему могут передаваться только в одном направлении. Первый узел способен отсылать сообщения, второй может только принимать их, но не может подтвердить получение или ответить. Типичным примером каналов связи этого типа является речевое оповещение в школах, больницах и других учреждениях. Другой пример — радио и телевидение.

При симплексной передаче данных один узел связи имеет передатчик, а другой (другие) приёмник.

Полудуплексная связь

При полудуплексном типе связи оба абонента имеют возможность принимать и передавать сообщения. Каждый узел имеет в своём составе и приёмник, и передатчик, но одновременно они работать не могут. В каждый момент времени канал связи образуют передатчик одного узла и приёмник другого.

Типичным примером полудуплексного канала связи является рация. По рации обычно происходит приблизительно такой диалог:

— Белка, Белка! Я Мадагаскар! Приём!

— Мадагаскар, я Белка. Приём!

Слово «Приём» делегирует право на передачу сообщения. В этот момент узел, который был приёмником, становится передатчиком и наоборот. Конечно, направление обмена данными меняется не само по себе. Для этого на рации предусмотрена специальная кнопка. Человек, начинающий говорить, зажимает эту кнопку, включая свою рацию в режим передачи. После этого он произносит своё сообщение и кодовое слово «Приём», отпускает кнопку и возвращается в режим приёмника. Кодовое слово даёт другому абоненту понять, что сообщение закончено и он может переключиться в режим передачи для ответного сообщения. Слово «Приём» позволяет избежать коллизий, когда оба абонента начнут передавать одновременно и ни одно из сообщений не будет услышано собеседником.

Дуплексная связь

По дуплексному каналу данные могут передаваться в обе стороны одновременно. Каждый из узлов связи имеет приёмник и передатчик. После установления связи передатчик первого абонента соединяется с приёмником второго и наоборот.

Классическим примером дуплексного канала связи является телефонный разговор. Безусловно, одновременно говорить и слушать собеседника тяжело для человека, но такая возможность при телефонном разговоре имеется, и,согласитесь, разговаривать по дуплексному телефону гораздо удобнее, чем по полудуплексной рации. Электронные же устройства, в отличие от человека, без проблем могут одновременно передавать и принимать сообщения, благодаря своему быстродействию и внутренней архитектуре.

Обратная связь

Данный принцип работы, естественно подразумевает только соединение типа точка-точка. Но это скорее большой плюс, чем минус. Дело в том, что в этом случае отпадает необходимость в каком либо ручном тюнинге (согласовании), установке дополнительных резисторов (они уже встроены), а сама линия всегда будет работать в наиболее оптимальном режиме. Все что потребуется это обжать концы кабеля в типовые телефонные коннекторы и воткнуть в соответствующие гнезда, по аналогии с тем как монтируются сети Ethernet. На следующем рисунке представлена схема сети RS-.5.

Рисунок 2

В моей реализации преобразователи RS-.5 не имеют собственного источника питания трансмиттера. Дело в том, что кабель типа витая пара всегда имеет как минимум 2 пары проводов. Поэтому, я задействовал еще одну пару проводов для передачи напряжения питания всех трансмиттеров в линии/сети. Это позволяет избавиться от dc/dc конвертеров (вещь довольно не дешевая). Все приемопередающие части преобразователей можно питать от одного источника питания. Если сеть большая ИП может быть и больше чем один естественно.
На картинке нарисована коробочка с двумя портами и надписью RS-.5 Switch - на самом деле возможность коммутировать данные в сети асинхронной передачи данных определяется используемым протоколом. На практике я такого не встречал ни в одном протоколе, но реализовать нетрудно.

После проработки основных принципов была разработана принципиальная схема UART to RS.5 трансмиттера (Рисунок 3).

Рисунок 3

Хотя там разрабатывать нечего. Оптроны выбрал самые дешевые из не самых медленных - H11L1. Заявленная скорость до 1Мб. На скорости 115200 работает хорошо. Хотя есть неприятный момент: один оптрон работал вплоть до скорости 921 600 бит в секунду, тогда как другой спотыкался уже на 230 400 бит в секунду. При осциллографической диагностике оказалось что все оптроны H11L1 перетягивают задний фронт. В общем это не проблема, можно оптроны подобрать по вкусу.
Так все выглядит в железе (конечно же это тестовые железки):

Рисунок 4

Рисунок 5

Интересная особенность: если с одного конца отсоединить коннектор, то трансмиттер на другом конце будет принимать свое эхо. В дальнейшем хочу попробовать на основе этого эффекта и на таком же модуле сделать измеритель длины кабеля.

В зависимости от направления возможной передачи данных способы передачи

данных по линии связи делятся на следующие типы:

□ симплексный - передача осуществляется по линии связи только в одном на-

правлении;

□ полудуплексный - передача ведется в обоих направлениях, но попеременно

во времени (примером такой передачи служит технология Ethernet);

□ дуплексный - передача ведется одновременно в двух направлениях.

Режим, при котором передача ведётся в обоих направлениях, но с разделением по времени называют полудуплексным. В каждый момент времени передача ведётся только в одном направлении.

Разделение во времени вызвано тем, что передающий узел в конкретный момент времени полностью занимает канал передачи. Явление, когда несколько передающих узлов пытаются в один и тот же момент времени осуществлять передачу, называется коллизией и при методе управления доступом CSMA/CD считается нормальным, хотя и нежелательным явлением.

Этот режим применяется тогда, когда в сети используется коаксиальный кабель или в качестве активного оборудования используются концентраторы.

В зависимости от аппаратного обеспечения одновременный приём/передача в полудуплексном режиме может быть или физически невозможен (например, в связи с использованием одного и того же контура для приёма и передачи в рациях) или приводить к коллизиям.

Режим, при котором, в отличие от полудуплексного, передача данных может производиться одновременно с приёмом данных.

Суммарная скорость обмена информацией в данном режиме может достигать вдвое большего значения. Например, если используется технология Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, то скорость может быть близка к 200 Мбит/с (100 Мбит/с - передача и 100 Мбит/с - приём).

Дуплексная связь обычно осуществляется с использованием двух каналов связи: первый канал - исходящая связь для первого устройства и входящая для второго, второй канал - входящая для первого устройства и исходящая для второго.

В ряде случаев возможна дуплексная связь с использованием одного канала связи. В этом случае устройство при приёме данных вычитает из сигнала свой отправленный сигнал, а получаемая разница является сигналом отправителя (модемная связь по телефонным проводам, GigabitEthernet).

Понятие ИКТ

интегральная технология передачи данных и обработки данных.

#ИКТ, именуемая также ITT, появилась в результате объединения технологий обработки и передачи данных в единое целое. Сегодня развитие и использование ИКТ определяет движение к созданию информационного общества. Так, в декабре 1999 г. Европейская Комиссия объявила о новом проекте, именуемом E-Europa - “Электронная Европа”. Его цель - преобразование европейского индустриального общества в информационное. Этот проект включает:

совершенствование сети Internet, расширение набора ее информационных ресурсов;

использование ресурсов Internet для обучения;

обеспечение быстрого и дешевого доступа к Internet;

развитие платежной системы, в том числе - компьютерных карточек;

вовлечение в электронное сообщество нетрудоспособных граждан;

развитие здравоохранения и обеспечение безопасности транспорта на основе информационно-коммуникационных технологий;

обеспечение прозрачности деятельности правительств путем создания множества сайтов Web.

К информационно-коммуникационным технологиям, в первую очередь, относятся:

доступ и работа в информационных сетях;

цифровое телевидение;

электронная почта и факсимильная связь;

работа с базами данных и хранилищами сообщений.

Симплекс

Симплексный канал является однонаправленным, позволяющим передавать данные " лишь в одном направлении, как показано на рис. 2.10. Традиционное радиовещание является примером симплексной передачи. Радиостанция передает широковещательную программу, но в ответ ничего не получает от вашего радиоприемника.

Рис. 2.10. Симплексная передача

Это ограничивает использование симплексного канала для передачи данных, поскольку для контроля процесса передачи, подтверждения данных и т. д. требуется постоянный поток данных в обоих направлениях.

Полудуплекс

Полудуплексная передача дает возможность предоставить симплексную связь в обои;, направлениях по, единственному каналу, как показано на рис. 2.11. Здесь передатчик кг станции А посылает данные приемнику на станции В. Когда требуется передаче з обратном направлении, имеет место процедура переключения линии. После этогс передатчик станции - В получает возможность связаться с приемником станции А Задержка при переключении линии снижает передаваемыйтю каналу связи объем данных.

Рис. 2.11. Полудуплексная передача

Полный дуплекс

Полнодуплексный канал дает возможность одновременной связи в обоих напоавлениях, как показано на рис. 2.12.

Рис 2.12. Полнодуплексная передача

2.4.2. Синхронизация сигналов цифровых данных

Передача данных зависит от правильного согласования моментов генерации и получения сигналов. Определять, какой элемент данных передается - "1" или "0", приёмник должен в нужные моменты времени. Процесс выбора и поддержания эталонных интервалов времени называется синхронизацией.

Чтобы синхронизировать передачу, передающее и принимающее устройства должны согласовать длину бита (bit time) - длительность используемого элемента кода. Приемнику нужно извлечь переданный синхросигнал, закодированный в полученном потоке данных. Синхронизируя длину бита тактового генератора приемника с длиной бита, закодированной в данных отправителя, приемник может определить нужные моменты времени для демодуляции данных и корректной расшифровки сообщения. Устройства на обоих концах цифрового канала могут синхронизироваться с использованием либо асинхронной, либо синхронной передачи, как описано ниже.

Дуплексный режим - наиболее универсальный и производительный способ ра­боты канала. Самым простым вариантом организации дуплексного режима явля­ется использование двух независимых линий связи (двух пар проводников или двух оптических волокон) в кабеле, каждая из которых работает в симплексном режиме, то есть передает данные в одном направлении. Именно такая идея ле­жит в основе реализации дуплексного режима работы во многих сетевых техно­логиях, например Fast Ethernet или ATM.

Иногда такое простое решение оказывается недоступным или неэффективным, например, когда прокладка второй линии связи ведет к большим затратам. Так, при обмене данными с помощью модемов через телефонную сеть у пользователя имеется только одна линия связи с телефонной станцией - двухпроводная. В та­ких случаях дуплексный режим работы организуется на основе разделения ли­нии связи на два логических канала с помощью техники FDM или TDM.

При использовании техники FDM для организации дуплексного канала диапазон частот делится на две части. Деление может быть симметричным и асимметрич­ным, в последнем случае скорости передачи информации в каждом направлении отличаются (популярный пример такого подхода - технология ADSL, исполь­зуемая для широкополосного доступа в Интернет). В случае когда техника FDM обеспечивает дуплексный режим работы, ее называют дуплексной связью с час­тотным разделением (Frequency Division Duplex, FDD).

При цифровом кодировании дуплексный режим на двухпроводной линии орга­низуется с помощью техники TDM. Часть тайм-слотов используется для переда­чи данных в одном направлении, а часть - в другом. Обычно тайм-слоты проти­воположных направлений чередуются, из-за чего такой способ иногда называют «пинг-понговой» передачей. Дуплексный режим TDM получил название дуп­лексной связи с временным разделением (Time Division Duplex, TDD).

В волоконно-оптических кабелях с одним оптическим волокном для организа­ции дуплексного режима работы может применяться технология DWDM. Пере­дача данных в одном направлении осуществляется с помощью светового пучка одной длины волны, а в обратном - другой длины волны. Собственно, решение частной задачи - создание двух независимых спектральных каналов в одном окне прозрачности оптического волокна - и привело к рождению технологии WDM, которая затем трансформировалась в DWDM.

Появление мощных процессоров DSP (Digital Signal Processor), которые могут выполнять сложные алгоритмы обработки сигналов в реальном времени, сдела­ло возможным еще один вариант дуплексной работы. Два передатчика работают одновременно навстречу друг другу, создавая в канале суммарный аддитивный сигнал. Так как каждый передатчик знает спектр собственного сигнала, то он вы­читает его из суммарного сигнала, получая в результате сигнал, посылаемый другим передатчиком.

Выводы

Для представления дискретной информации применяются сигналы двух типов: прямоуголь­ные импульсы и синусоидальные волны. В первом случае используют термин «кодирование», во втором - «модуляция».

При модуляции дискретной информации единицы и нули кодируются изменением амплитуды, частоты или фазы синусоидального сигнала.

Аналоговая информация может передаваться по линиям связи в цифровой форме. Это повы­шает качество передачи, так как при этом могут применяться эффективные методы обнаруже­ния и исправления ошибок, недоступные для систем аналоговой передачи. Для качественной передачи голоса в цифровой форме используется частота оцифровывания в 8 кГц, когда каж­дое значение амплитуды голоса представляется 8-битным числом. Это определяет скорость голосового канала в 64 Кбит/с.

При выборе способа кодирования нужно одновременно стремиться к достижению нескольких целей: минимизировать возможную ширину спектра результирующего сигнала, обеспечивать синхронизацию между передатчиком и приемником, обеспечивать устойчивость к шумам, об­наруживать и по возможности исправлять битовые ошибки, минимизировать мощность пере­датчика.

Спектр сигнала является одной из наиболее важных характеристик способа кодирования. Бо­лее узкий спектр сигналов позволяет добиваться более высокой скорости передачи данных при фиксированной полосе пропускания среды.

Код должен обладать свойством самосинхронизации, то есть сигналы кода должны содержать признаки, по которым приемник может определить, в какой момент времени нужно осуществ­лять распознавание очередного бита.

При дискретном кодировании двоичная информация представляется различными уровнями постоянного потенциала или полярностью импульса.

Наиболее простым потенциальным кодом является код без возвращения к нулю (NRZ), однако он не является самосинхронизирующимся.

Для улучшения свойств потенциального кода NRZ используются методы, основанные на вве­дении избыточных битов в исходные данные и на скремблировании исходных данных.

Коды Хэмминга и сверточные коды позволяют не только обнаруживать, но и исправлять мно­гократные ошибки. Эти коды являются наиболее часто используемыми средствами прямой коррекции ошибок (FEC).

Для повышения полезной скорости передачи данных в сетях применяется динамическая ком­прессия данных на основе различных алгоритмов. Коэффициент сжатия зависит от типа дан­ных и применяемого алгоритма и может колебаться в пределах от 1:2 до 1:8.

Для образования нескольких каналов в линии связи используются различные методы мультип­лексирования, включая частотное (FDM), временнбе (TDM) и волновое (WDM), а также мно­жественный доступ с кодовым разделением (CDMA). Техника коммутации пакетов сочетается только с методом TDM, а техника коммутации каналов позволяет использовать любой тип мультиплексирования.