Physische Kommunikationslinie. Physische Übertragung von Daten über Kommunikationsleitungen. Ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel

2.1. Arten von Kommunikationsleitungen

Eine Kommunikationsleitung besteht im Allgemeinen aus einem physischen Medium, über das elektrische Informationssignale, Datenübertragungsgeräte und Zwischengeräte übertragen werden. Synonym für den Begriff Kommunikationsleitung(Linie) ist der Begriff Kommunikationskanal.

Reis. 1.1. Zusammensetzung der Kommunikationslinie

Physisches Übertragungsmedium

Physikalisches Datenübertragungsmedium (Medium) kann ein Kabel sein, also eine Reihe von Drähten, Isolier- und Schutzhüllen und Verbindungssteckern, aber auch die Erdatmosphäre oder der Weltraum, durch den sich elektromagnetische Wellen ausbreiten.

Abhängig vom Datenübertragungsmedium werden Kommunikationsleitungen wie folgt unterteilt:

· verkabelt (Antenne);

· Kabel (Kupfer und Glasfaser);

Kabelleitungen sind recht komplexe Strukturen. Das Kabel besteht aus Leitern, die von mehreren Isolationsschichten umgeben sind: elektrisch, elektromagnetisch, mechanisch und möglicherweise auch klimatisch. Darüber hinaus kann das Kabel mit Anschlüssen ausgestattet werden, mit denen Sie schnell verschiedene Geräte daran anschließen können. Es gibt drei Haupttypen von Kabeln, die in Computernetzwerken verwendet werden: Twisted-Pair-Kupferkabel, Kupferkoaxialkabel und Glasfaserkabel.

Ein verdrilltes Adernpaar wird genannt verdrilltes Paar. Twisted Pair gibt es in einer geschirmten Ausführung (Shielded Twisted Pair, STP), wenn ein Paar Kupferdrähte mit einer isolierenden Abschirmung umwickelt und ungeschirmt ist (Unshielded Twisted Pair, UTP) wenn die Isolierhülle fehlt. Durch das Verdrillen der Drähte wird der Einfluss externer Störungen auf die über das Kabel übertragenen Nutzsignale verringert. Glasfaser-Kabel besteht aus dünnen (5-60 Mikrometer) Fasern, durch die Lichtsignale übertragen werden. Dies ist der hochwertigste Kabeltyp – er ermöglicht eine Datenübertragung mit sehr hoher Qualität hohe Geschwindigkeit(bis zu 10 Gbit/s und höher) und bietet zudem einen besseren Schutz der Daten vor externen Störungen als andere Übertragungsmedien.

Radiosender terrestrisch und Satellitenkommunikation werden mithilfe eines Senders und Empfängers von Radiowellen gebildet. Es gibt eine große Anzahl verschiedene Arten Funkkanäle, die sich sowohl im verwendeten Frequenzbereich als auch im Kanalbereich unterscheiden. Die Kurz-, Mittel- und Langwellenbänder (KB, MW und LW), aufgrund der Art der verwendeten Signalmodulationsmethode auch Amplitudenmodulationsbänder (AM) genannt, ermöglichen eine Kommunikation über große Entfernungen, jedoch mit einer niedrigen Datenübertragungsrate. Die schnellsten Kanäle sind diejenigen, die im Ultrakurzwellenbereich (UKW), der durch Frequenzmodulation (FM) gekennzeichnet ist, sowie im Ultrahochfrequenzbereich (Mikrowellen) arbeiten.

In Computernetzwerken werden heute fast alle beschriebenen Arten von physischen Datenübertragungsmedien verwendet, am vielversprechendsten sind jedoch Glasfasermedien. Twisted Pair ist ebenfalls ein beliebtes Medium, das sich durch ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis und eine einfache Installation auszeichnet. Satellitenkanäle und Funkkommunikation werden am häufigsten in Fällen verwendet, in denen Kabelkommunikation nicht genutzt werden kann.

2.2. Eigenschaften von Kommunikationsleitungen

Zu den Hauptmerkmalen von Kommunikationsleitungen gehören:

· Amplitudenfrequenzgang;

· Bandbreite;

· Dämpfung;

· Geräuschunempfindlichkeit;

· Übersprechen am nahen Ende der Leitung;

· Durchsatz;

· Zuverlässigkeit der Datenübertragung;

· Kosten pro Einheit.

Ein Computernetzwerkentwickler interessiert sich zunächst für den Durchsatz und die Zuverlässigkeit der Datenübertragung, da diese Eigenschaften einen direkten Einfluss auf die Leistung und Zuverlässigkeit des erstellten Netzwerks haben. Durchsatz und Zuverlässigkeit sind Merkmale sowohl der Kommunikationsleitung als auch der Datenübertragungsmethode. Wenn also das Übertragungsverfahren (Protokoll) bereits definiert ist, sind auch diese Eigenschaften bekannt. Über den Durchsatz einer Kommunikationsleitung kann man jedoch erst sprechen, wenn ein Protokoll der physikalischen Schicht dafür definiert wurde. In solchen Fällen, wenn das am besten geeignete vorhandene Protokoll noch ermittelt werden muss, werden andere Eigenschaften der Leitung, wie Bandbreite, Übersprechen, Störfestigkeit und andere Eigenschaften, wichtig. Um die Eigenschaften einer Kommunikationslinie zu bestimmen, wird häufig eine Analyse ihrer Reaktionen auf bestimmte Referenzeinflüsse verwendet.

Spektralanalyse von Signalen auf Kommunikationsleitungen

Aus der Theorie der harmonischen Analyse ist bekannt, dass jeder periodische Prozess als eine unendliche Anzahl sinusförmiger Komponenten, sogenannte Harmonische, dargestellt werden kann, und die Menge aller Harmonischen wird als spektrale Zerlegung des ursprünglichen Signals bezeichnet. Nichtperiodische Signale können als Integral sinusförmiger Signale mit kontinuierlichem Frequenzspektrum dargestellt werden.

Die Technik zum Ermitteln des Spektrums eines beliebigen Quellsignals ist wohlbekannt. Für einige analytisch gut beschreibbare Signale lässt sich das Spektrum leicht anhand von Fourier-Formeln berechnen. Für in der Praxis vorkommende beliebige Wellenformen kann das Spektrum mit speziellen Instrumenten ermittelt werden – Spektrumanalysatoren, die das Spektrum des realen Signals messen und die Amplituden der harmonischen Komponenten anzeigen. Die Verzerrung einer Sinuskurve beliebiger Frequenz durch einen Sendekanal führt letztendlich zu einer Verzerrung des übertragenen Signals beliebiger Form, insbesondere wenn Sinuskurven unterschiedlicher Frequenz unterschiedlich verzerrt werden. Bei der Übertragung von Impulssignalen charakteristisch für Computernetzwerke, niederfrequente und hochfrequente Harmonische werden verzerrt, wodurch die Impulsfronten ihre rechteckige Form verlieren. Dies kann dazu führen, dass Signale am Empfangsende der Leitung schlecht erkannt werden.

Die Kommunikationsleitung verzerrt die übertragenen Signale, da ihre physikalischen Parameter von den idealen abweichen. Beispielsweise stellen Kupferdrähte immer eine Kombination aus aktivem Widerstand, kapazitiver und induktiver Last dar, die über die Länge verteilt ist. Infolgedessen weist die Leitung bei Sinuskurven unterschiedlicher Frequenz unterschiedliche Impedanzen auf, was bedeutet, dass sie unterschiedlich übertragen werden. Auch Glasfaserkabel weisen Abweichungen auf, die die ideale Lichtverteilung beeinträchtigen. Wenn die Kommunikationsleitung Zwischengeräte enthält, kann dies auch zu zusätzlichen Verzerrungen führen, da es unmöglich ist, Geräte zu erstellen, die das gesamte Spektrum der Sinuskurven von Null bis Unendlich gleichermaßen gut übertragen würden.

Zusätzlich zu den Signalverzerrungen, die durch die internen physikalischen Parameter der Kommunikationsleitung verursacht werden, gibt es auch externes Rauschen, das zur Verzerrung der Signalform am Leitungsausgang beiträgt. Diese Störungen werden durch verschiedene Elektromotoren, elektronische Geräte, atmosphärische Phänomene usw. verursacht. Trotz der von den Entwicklern von Kabeln und Verstärkerschaltgeräten getroffenen Schutzmaßnahmen ist es nicht möglich, den Einfluss externer Störungen vollständig zu kompensieren. Daher haben die Signale am Ausgang einer Kommunikationsleitung normalerweise eine komplexe Form, aus der manchmal schwer zu erkennen ist, welche diskreten Informationen dem Eingang der Leitung zugeführt wurden.

Der Grad der Verzerrung sinusförmiger Signale durch Kommunikationsleitungen wird anhand von Merkmalen wie Amplitudenfrequenzgang, Bandbreite und Dämpfung bei einer bestimmten Frequenz beurteilt.

Amplitudenfrequenzgang

Amplitudenfrequenzgang zeigt, wie die Amplitude einer Sinuskurve am Ausgang einer Kommunikationsleitung im Vergleich zur Amplitude an ihrem Eingang für alle möglichen Frequenzen des übertragenen Signals abschwächt. Anstelle der Amplitude verwendet diese Charakteristik häufig einen Signalparameter wie beispielsweise seine Leistung. Wenn Sie den Amplituden-Frequenzgang einer realen Leitung kennen, können Sie die Form des Ausgangssignals für nahezu jedes Eingangssignal bestimmen. Dazu ist es notwendig, das Spektrum des Eingangssignals zu ermitteln, die Amplitude seiner konstituierenden Harmonischen gemäß der Amplituden-Frequenz-Kennlinie umzuwandeln und dann die Form des Ausgangssignals durch Addition der umgewandelten Harmonischen zu ermitteln.

Trotz der Vollständigkeit der Informationen, die die Amplituden-Frequenz-Kennlinie über die Kommunikationsleitung liefert, wird ihre Verwendung dadurch erschwert, dass sie sehr schwer zu erhalten sind. Daher werden in der Praxis anstelle der Amplituden-Frequenz-Kennlinie andere, vereinfachte Kennlinien verwendet – Bandbreite und Dämpfung.

Bandbreite

Bandbreite ist ein kontinuierlicher Frequenzbereich, bei dem das Verhältnis der Amplitude des Ausgangssignals zum Eingangssignal einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, normalerweise 0,5. Das heißt, die Bandbreite bestimmt den Frequenzbereich eines Sinussignals, bei dem dieses Signal ohne nennenswerte Verzerrung über eine Kommunikationsleitung übertragen wird. Wenn Sie die Bandbreite kennen, können Sie bis zu einem gewissen Grad das gleiche Ergebnis erzielen wie die Kenntnis der Amplituden-Frequenz-Kennlinie. Breite Die Bandbreite hat den größten Einfluss auf die maximal mögliche Geschwindigkeit der Informationsübertragung über eine Kommunikationsleitung.

Dämpfung

Dämpfung definiert als die relative Abnahme der Amplitude oder Leistung eines Signals, wenn ein Signal einer bestimmten Frequenz entlang einer Leitung übertragen wird. Somit stellt die Dämpfung einen Punkt der Amplituden-Frequenz-Charakteristik der Leitung dar. Die Dämpfung A wird normalerweise in Dezibel (dB) gemessen und anhand der folgenden Formel berechnet:

A = 10 log10 Pout /Pin,

wobei Pout die Signalleistung am Leitungsausgang ist,
Рвх – Signalleistung am Leitungseingang.

Da die Ausgangssignalleistung eines Kabels ohne Zwischenverstärker immer geringer ist als die Eingangssignalleistung, ist die Kabeldämpfung immer ein negativer Wert.

Absolut Leistungspegel auch in Dezibel gemessen. In diesem Fall wird der Wert von 1 mW als Basiswert der Signalleistung angenommen, relativ zu dem die aktuelle Leistung gemessen wird. Somit wird der Leistungspegel p nach folgender Formel berechnet:

ð = 10 log10 Р/1mW [dBm],

wobei P die Signalleistung in Milliwatt ist,
dBm (dBm) ist eine Maßeinheit für den Leistungspegel (Dezibel pro 1 mW).

Daher sind Amplitudenfrequenzgang, Bandbreite und Dämpfung universelle Eigenschaften, und ihre Kenntnis ermöglicht es uns, Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie Signale jeglicher Form über eine Kommunikationsleitung übertragen werden.

Die Bandbreite hängt von der Art der Leitung und ihrer Länge ab. In Abb. In Abb. 1.1 zeigt die Bandbreiten von Kommunikationsleitungen verschiedener Art sowie die in der Kommunikationstechnik am häufigsten verwendeten Frequenzbereiche.

Reis. 1.1. Kommunikationsbandbreiten und beliebte Frequenzbereiche

Leitungskapazität

Durchsatz Leitung kennzeichnet die maximal mögliche Datenübertragungsgeschwindigkeit über die Kommunikationsleitung. Die Bandbreite wird in Bits pro Sekunde (bps) sowie in abgeleiteten Einheiten wie Kilobit pro Sekunde (Kbps), Megabit pro Sekunde (Mbps), Gigabit pro Sekunde (Gbps) usw. gemessen.

Der Durchsatz einer Kommunikationsleitung hängt nicht nur von ihren Eigenschaften wie dem Amplituden-Frequenzgang ab, sondern auch vom Spektrum der übertragenen Signale. Wenn erhebliche Harmonische des Signals in den Durchlassbereich der Leitung fallen, wird ein solches Signal von dieser Kommunikationsleitung gut übertragen und der Empfänger kann die vom Sender entlang der Leitung gesendeten Informationen korrekt erkennen (Abb. 1.2a). . Wenn erhebliche Oberwellen die Bandbreite der Kommunikationsleitung überschreiten, wird das Signal erheblich verzerrt, der Empfänger macht Fehler bei der Erkennung von Informationen, was bedeutet, dass Informationen mit der gegebenen Bandbreite nicht übertragen werden können (Abb. 1.2b). .

Reis. 1.2. Zusammenhang zwischen Verbindungsbandbreite und Signalspektrum

Die Wahl der Methode zur Darstellung diskreter Informationen in Form von Signalen, die der Kommunikationsleitung zugeführt werden, wird aufgerufen körperlich oder lineare Kodierung. Das Signalspektrum und damit die Leitungskapazität hängen von der gewählten Kodierungsmethode ab. Somit kann eine Leitung für ein Kodierungsverfahren eine Kapazität haben und für ein anderes eine andere.

Die meisten Codierungsmethoden nutzen eine Änderung einiger Parameter eines periodischen Signals – Frequenz, Amplitude und Phase einer Sinuskurve oder das Vorzeichen des Potentials einer Impulssequenz. Ein periodisches Signal, dessen Parameter sich ändern, wird aufgerufen Trägersignal oder Trägerfrequenz, wenn als solches Signal eine Sinuskurve verwendet wird.

Die Anzahl der Änderungen des Informationsparameters eines periodischen Trägersignals pro Sekunde wird in gemessen Baud. Der Zeitraum zwischen benachbarten Änderungen im Informationssignal wird als Senderbetriebszyklus bezeichnet. Die Leitungskapazität in Bits pro Sekunde ist im Allgemeinen nicht dasselbe wie die Baudrate. Es kann entweder höher oder niedriger als die Baudzahl sein und dieses Verhältnis hängt von der Kodierungsmethode ab.

Wenn ein Signal mehr als zwei unterscheidbare Zustände hat, ist der Durchsatz in Bits pro Sekunde höher als die Baudrate. Wenn es sich bei den Informationsparametern beispielsweise um die Phase und die Amplitude einer Sinuskurve handelt und es vier Phasenzustände von 0,90,180 und 270 Grad sowie zwei Signalamplitudenwerte gibt, kann das Informationssignal acht unterscheidbare Zustände haben. In diesem Fall überträgt ein Modem mit 2400 Baud (bei einer Taktfrequenz von 2400 Hz) Informationen mit einer Geschwindigkeit von 7200 bps, da bei einem Signalwechsel 3 Bit Informationen übertragen werden.

Der Leitungsdurchsatz wird nicht nur durch die physische, sondern auch durch die logische Codierung beeinflusst. Logische Codierung wird vor der physischen Kodierung durchgeführt und beinhaltet das Ersetzen der Bits der ursprünglichen Informationen durch eine neue Bitfolge, die dieselben Informationen enthält, aber über zusätzliche Eigenschaften verfügt, beispielsweise die Fähigkeit der Empfangsseite, Fehler in den empfangenen Daten zu erkennen. Bei der logischen Codierung wird meist die ursprüngliche Bitfolge durch eine längere Folge ersetzt, also die Kanalkapazität im Verhältnis zu nützliche Informationen gleichzeitig nimmt es ab.

Zusammenhang zwischen Leitungskapazität und Bandbreite

Je höher die Frequenz des periodischen Trägersignals, desto mehr Informationen pro Zeiteinheit werden über die Leitung übertragen und desto höher ist die Leitungskapazität bei einem festen physikalischen Kodierungsverfahren. Mit zunehmender Frequenz des periodischen Trägersignals nimmt jedoch auch die Breite des Spektrums dieses Signals zu, was insgesamt die für die physikalische Kodierung ausgewählte Signalfolge ergibt. Die Leitung überträgt dieses Spektrum von Sinuskurven mit den durch ihren Durchlassbereich bestimmten Verzerrungen. Je größer die Diskrepanz zwischen der Leitungsbandbreite und der Breite des Spektrums der übertragenen Informationssignale ist, desto stärker werden die Signale verzerrt und desto wahrscheinlicher sind Fehler bei der Erkennung von Informationen durch die Empfangsseite, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit der Informationsübertragung tatsächlich sinkt fällt niedriger aus, als man erwarten würde.

Die Beziehung zwischen der Bandbreite einer Leitung und ihrer maximal möglicher Durchsatz Unabhängig von der verwendeten Methode der physischen Kodierung stellte Claude Shannon fest:

С = F log2 (1 + Рс/Рш),

wobei C die maximale Leitungskapazität in Bits pro Sekunde ist,
F ist die Leitungsbandbreite in Hertz,
Рс - Signalleistung,
Рш - Rauschleistung.

Der Durchsatz einer Leitung kann erhöht werden, indem die Sendeleistung erhöht oder die Rauschleistung (Interferenz) auf der Kommunikationsleitung verringert wird. Beide Komponenten sind sehr schwer zu ändern. Eine Erhöhung der Sendeleistung führt zu einem erheblichen Anstieg seiner Größe und Kosten. Die Reduzierung des Geräuschpegels erfordert die Verwendung von Spezialkabeln mit guten Schutzschirmen, was sehr teuer ist, sowie die Reduzierung des Rauschens im Sender und in den Zwischengeräten, was nicht einfach zu erreichen ist. Darüber hinaus wird der Einfluss der Nutzsignalleistungen und des Rauschens auf den Durchsatz durch eine logarithmische Abhängigkeit begrenzt, die nicht so schnell wächst wie eine direkt proportionale.

Der Formel von Shannon kommt im Wesentlichen die folgende von Nyquist ermittelte Beziehung nahe, die auch den maximal möglichen Durchsatz einer Kommunikationsleitung bestimmt, jedoch ohne Berücksichtigung des Rauschens auf der Leitung:

C = 2F log2 M,

wobei M die Anzahl der unterscheidbaren Zustände des Informationsparameters ist.

Obwohl die Nyquist-Formel das Vorhandensein von Rauschen nicht explizit berücksichtigt, spiegelt sich dessen Einfluss indirekt in der Wahl der Anzahl der Zustände des Informationssignals wider. Die Anzahl der möglichen Signalzustände wird tatsächlich durch das Verhältnis von Signalleistung zu Rauschen begrenzt, und die Nyquist-Formel bestimmt die maximale Datenübertragungsrate für den Fall, dass die Anzahl der Zustände bereits unter Berücksichtigung der Fähigkeiten einer stabilen Erkennung durch die ausgewählt wurde Empfänger.

Die oben genannten Beziehungen geben den Grenzwert der Leitungskapazität an, und der Grad der Annäherung an diesen Grenzwert hängt von den unten diskutierten spezifischen physikalischen Codierungsmethoden ab.

Immunität gegen Leitungsrauschen

Immunität gegen Leitungsrauschen bestimmt seine Fähigkeit, den Grad der in der Außenumgebung erzeugten Störungen an Innenleitern zu reduzieren. Die Störfestigkeit einer Leitung hängt von der Art des verwendeten physikalischen Mediums sowie von der Abschirmung und Rauschunterdrückung der Leitung selbst ab.

Near-End-Crosstalk – WEITER Bestimmen Sie die Störfestigkeit des Kabels gegenüber internen Störquellen, wenn das elektromagnetische Feld des vom Sender ausgegebenen Signals entlang eines Leiterpaars ein Störsignal auf dem anderen Leiterpaar induziert. Wenn an das zweite Paar ein Empfänger angeschlossen ist, kann es sein, dass dieser das induzierte interne Rauschen mit einem Nutzsignal verwechselt. Der NEXT-Indikator, ausgedrückt in Dezibel, entspricht 10 log Pout/Pnav, wobei Pout die Leistung des Ausgangssignals und Pnav die Leistung des induzierten Signals ist. Je niedriger der NEXT-Wert ist, desto besser ist das Kabel.

Aufgrund der Tatsache, dass einige neue Technologien die Datenübertragung über mehrere gleichzeitig nutzen verdrillte Paare Seit kurzem wird der Indikator verwendet PowerSUM, was eine Modifikation des NEXT-Indikators ist. Dieser Indikator spiegelt die gesamte Übersprechleistung aller Sendepaare im Kabel wider.

Zuverlässigkeit der Datenübertragung

Zuverlässigkeit der Datenübertragung charakterisiert die Wahrscheinlichkeit einer Verzerrung für jedes übertragene Datenbit. Manchmal wird derselbe Indikator aufgerufen Bitfehlerrate (BER). Der BER-Wert für Kommunikationskanäle ohne zusätzlichen Fehlerschutz beträgt in der Regel 1, in Glasfaser-Kommunikationsleitungen - 10-9. Ein Datenübertragungszuverlässigkeitswert von beispielsweise 10-4 gibt an, dass im Durchschnitt von 10.000 Bits der Wert eines Bits verfälscht ist.

Bitverzerrungen treten sowohl aufgrund von Interferenzen auf der Leitung als auch aufgrund einer durch die Bandbreite der Leitung begrenzten Verzerrung der Signalwellenform auf. Um die Zuverlässigkeit der übertragenen Daten zu erhöhen, ist es daher notwendig, den Grad der Störfestigkeit der Leitung zu erhöhen, den Grad des Übersprechens im Kabel zu reduzieren und auch mehr Breitband-Kommunikationsleitungen zu verwenden.

2.3. Standards für die Netzwerkverkabelung

Ein Kabel ist ein ziemlich komplexes Produkt, bestehend aus Leitern, Abschirmschichten und Isolierung. In einigen Fällen enthält das Kabel Anschlüsse, die die Kabel mit dem Gerät verbinden. Um ein schnelles Schalten von Kabeln und Geräten zu gewährleisten, werden außerdem verschiedene elektromechanische Geräte verwendet, die als Querschnitte, Crossboxen oder Schränke bezeichnet werden. Computernetzwerke verwenden Kabel, die bestimmte Standards erfüllen, sodass Sie aus Kabeln und Verbindungsgeräten ein Netzwerkverkabelungssystem aufbauen können verschiedene Hersteller. Bei der Standardisierung von Kabeln wurde ein protokollunabhängiger Ansatz gewählt. Das heißt, die Norm spezifiziert nur die elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften, die ein bestimmter Kabeltyp oder Verbindungsprodukt erfüllen muss.

Kabelnormen schreiben eine ganze Reihe von Eigenschaften vor, von denen die wichtigsten im Folgenden aufgeführt sind.

· Dämpfung. Die Dämpfung wird in Dezibel pro Meter für eine bestimmte Frequenz oder einen bestimmten Frequenzbereich eines Signals gemessen.

· Nahnebensprechen (NEXT). Gemessen in Dezibel für eine bestimmte Signalfrequenz.

· Impedanz (charakteristischer Widerstand)- ist der gesamte (aktive und reaktive) Widerstand in Stromkreis. Die Impedanz wird in Ohm gemessen und ist für Verkabelungssysteme ein relativ konstanter Wert.

· Aktiver Widerstand- Das ist Widerstand Gleichstrom in einem Stromkreis. Im Gegensatz zur Impedanz ist der aktive Widerstand nicht von der Frequenz abhängig und nimmt mit der Kabellänge zu.

· Kapazität- Dies ist die Eigenschaft metallischer Leiter, Energie zu speichern. Zwei durch ein Dielektrikum getrennte elektrische Leiter in einem Kabel bilden einen Kondensator, der Ladung speichern kann. Kapazität ist eine unerwünschte Größe.

· Ausmaß der externen elektromagnetischen Strahlung oder des elektrischen Rauschens. Elektrisches Rauschen ist eine unerwünschte Wechselspannung in einem Leiter. Elektrisches Rauschen gibt es in zwei Arten: Hintergrundrauschen und gepulstes Rauschen. Elektrisches Rauschen wird in Millivolt gemessen.

· Durchmesser oder Querschnittsfläche des Leiters. Bei Kupferleitern ist das amerikanische AWG-System (American Wire Gauge) weit verbreitet, das einige herkömmliche Leitertypen einführt, zum Beispiel 22 AWG, 24 AWG, 26 AWG. Je größer die Nummer des Leitertyps ist, desto kleiner ist sein Durchmesser.

Der Schwerpunkt moderner Standards liegt auf Twisted-Pair-Kabeln und Glasfaserkabeln.

Ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel

Ungeschirmte Kupfer-UTP-Kabel werden je nach elektrischen und mechanischen Eigenschaften in 5 Kategorien unterteilt (Kategorie 1 – Kategorie 5). Nachfolgend sind die am häufigsten verwendeten Kategorien aufgeführt.

Kabel Kategorie 1 Wird dort eingesetzt, wo die Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit minimal sind. Typischerweise handelt es sich dabei um ein Kabel für die digitale und analoge Sprachübertragung sowie die Datenübertragung mit niedriger Geschwindigkeit (bis zu 20 Kbit/s). Bis 1983 war dies der Hauptkabeltyp für die Telefonverkabelung.

Kabel Kategorie 3 wurden 1991 bei der Entwicklung standardisiert Telekofür Gewerbegebäude(EIA-568), das die elektrischen Eigenschaften von Kabeln der Kategorie 3 für Frequenzen bis zu 16 MHz zur Unterstützung von Hochgesdefiniert. Kabel der Kategorie 3 sind sowohl für die Daten- als auch für die Sprachübertragung konzipiert. Die Drahtverdrillungssteigung beträgt etwa 3 Windungen pro 1 Fuß (30,5 cm).

Kabel Kategorie 5 wurden speziell für die Unterstützung von Hochgeschwindigkeitsprotokollen entwickelt. Ihre Eigenschaften werden im Bereich bis 100 MHz bestimmt. Dieses Kabel unterstützt Protokolle mit einer Datenübertragungsrate von 100 Mbit/s – FDDI (mit dem physikalischen Standard TP-PMD), Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN sowie schnellere Protokolle – ATM mit einer Geschwindigkeit von 155 Mbit/s und Gigabit-Ethernet mit einer Geschwindigkeit von 1000 Mbit/s.

Alle UTP-Kabel, unabhängig von ihrer Kategorie, sind in einer 4-paarigen Version erhältlich. Jedes der vier Kabelpaare hat eine bestimmte Farbe und Drehungssteigung. Typischerweise sind zwei Paare für die Datenübertragung und zwei für die Sprachübertragung vorgesehen.

RJ-45-Stecker und -Buchsen, bei denen es sich um 8-polige Anschlüsse handelt, die den normalen RJ-11-Telefonanschlüssen ähneln, werden zum Anschließen von Kabeln an Geräte verwendet.

Geschirmte Twisted-Pair-Kabel

Geschirmtes Twisted-Pair-STP schützt übertragene Signale gut vor externen Störungen und sendet außerdem weniger elektromagnetische Wellen nach außen. Das Vorhandensein einer geerdeten Abschirmung erhöht die Kosten des Kabels und erschwert dessen Installation. Abgeschirmtes Kabel dient ausschließlich der Datenübertragung.

Der Hauptstandard, der die Parameter von geschirmten Twisted-Pair-Kabeln definiert, ist der IBM-eigene Standard. In dieser Norm werden Kabel nicht in Kategorien, sondern in Typen eingeteilt: Typ I, Typ 2,..., Typ 9.

Der Haupttyp abgeschirmter Kabel ist das IBM-Typ-1-Kabel. Es besteht aus 2 verdrillten Adernpaaren, abgeschirmt mit einem leitfähigen Geflecht, das geerdet ist. Elektrische Parameter Kabelart 1 entsprechen in etwa den Parametern eines UTP-Kabels der Kategorie 5. Der Wellenwiderstand eines Kabels vom Typ 1 beträgt jedoch 150 Ohm.

Nicht alle IBM-Kabeltypen sind geschirmte Kabel – einige spezifizieren die Eigenschaften von ungeschirmten Telefonkabeln (Typ 3) und Glasfaserkabeln (Typ 5).

Glasfaserkabel

Glasfaserkabel bestehen aus einem zentralen Lichtleiter (Kern) – einer Glasfaser, umgeben von einer weiteren Glasschicht – einem Mantel, der einen niedrigeren Brechungsindex als der Kern aufweist. Während sie sich durch den Kern ausbreiten, überschreiten die Lichtstrahlen nicht ihre Grenzen und werden von der Deckschicht der Schale reflektiert. Abhängig von der Verteilung des Brechungsindex und der Größe des Kerndurchmessers unterscheidet man:

· Multimodefaser mit schrittweiser Änderung des Brechungsindex (Abb. 1.3a);

Multimode-Faser mit sanfter Wechsel Brechungsindex (Abb. 1.36);

· Singlemode-Faser (Abb. 1.3c).

Der Begriff „Mode“ beschreibt die Art der Ausbreitung von Lichtstrahlen im inneren Kern des Kabels. In einem Singlemode-Kabel (Single Mode Fiber, SMF) Es wird ein Zentralleiter mit sehr kleinem Durchmesser verwendet, der der Wellenlänge des Lichts entspricht – von 5 bis 10 Mikrometer. Dabei breiten sich nahezu alle Lichtstrahlen entlang der optischen Achse des Lichtleiters aus, ohne am Außenleiter reflektiert zu werden. Die Bandbreite eines Singlemode-Kabels ist sehr groß – bis zu Hunderten von Gigahertz pro Kilometer. Die Herstellung dünner, hochwertiger Fasern für Singlemode-Kabel ist schwierig. technologischer Prozess, was Singlemode-Kabel recht teuer macht. Darüber hinaus ist es ziemlich schwierig, einen Lichtstrahl in eine Faser mit so kleinem Durchmesser zu lenken, ohne einen erheblichen Teil seiner Energie zu verlieren.

Reis. 1.3 . Optische Kabeltypen

IN Multimode-Kabel (Multi Mode Fiber, MMF) Es werden breitere Innenkerne verwendet, die technologisch einfacher herzustellen sind. Die Standards definieren die beiden am häufigsten verwendeten Multimode-Kabel: 62,5/125 µm und 50/125 µm, wobei 62,5 µm oder 50 µm der Durchmesser des Mittelleiters und 125 µm der Durchmesser des Außenleiters ist.

Bei Multimode-Kabeln existieren mehrere Lichtstrahlen gleichzeitig im Innenleiter und werden vom Außenleiter in unterschiedlichen Winkeln reflektiert. Der Reflexionswinkel des Strahls wird als Strahlmodus bezeichnet. Bei Multimode-Kabeln mit sanfter Änderung des Brechungsindex ist die Ausbreitungsart jedes Modus komplexer.

Multimode-Kabel haben eine geringere Bandbreite – von 500 bis 800 MHz/km. Die Verengung des Bandes erfolgt aufgrund von Lichtenergieverlusten bei Reflexionen sowie aufgrund der Interferenz von Strahlen unterschiedlicher Moden.

Als Lichtquellen in Glasfaserkabeln werden verwendet:

· LEDs;

· Halbleiterlaser.

Bei Singlemode-Kabeln kommen ausschließlich Halbleiterlaser zum Einsatz, da bei einem so kleinen Durchmesser der Lichtleitfaser der von der LED erzeugte Lichtstrom nicht ohne große Verluste in die Faser geleitet werden kann. Multimode-Kabel verwenden günstigere LED-Strahler.

Zur Informationsübertragung wird Licht mit einer Wellenlänge von 1550 nm (1,55 Mikrometer), 1300 nm (1,3 Mikrometer) und 850 nm (0,85 Mikrometer) verwendet. LEDs können Licht mit Wellenlängen von 850 nm und 1300 nm emittieren. Strahler mit einer Wellenlänge von 850 nm sind deutlich günstiger als Strahler mit einer Wellenlänge von 1300 nm, allerdings ist die Kabelbandbreite für Wellenlängen von 850 nm schmaler, beispielsweise 200 MHz/km statt 500 MHz/km.

Laserstrahler arbeiten bei Wellenlängen von 1300 und 1550 nm. Die Geschwindigkeit moderner Laser ermöglicht die Modulation des Lichtflusses bei Frequenzen von 10 GHz und höher. Laserstrahler erzeugen einen kohärenten Lichtstrom, wodurch die Verluste in optischen Fasern geringer sind als bei Verwendung eines inkohärenten LED-Stroms.

Die Verwendung von nur wenigen Wellenlängen zur Informationsübertragung in optischen Fasern ist auf die Besonderheit ihrer Amplituden-Frequenz-Eigenschaften zurückzuführen. Bei diesen diskreten Wellenlängen sind ausgeprägte Maxima in der Signalleistungsübertragung zu beobachten, bei anderen Wellen ist die Dämpfung in den Fasern deutlich höher.

Glasfaserkabel werden über MIC-, ST- und SC-Stecker an die Geräte angeschlossen.

Glasfaserkabel weisen bei allen Arten hervorragende Eigenschaften auf: elektromagnetisch und mechanisch, aber sie haben einen gravierenden Nachteil: die Schwierigkeit, Fasern an Steckverbinder und untereinander anzuschließen, wenn die Kabellänge erhöht werden muss. Das Anbringen einer optischen Faser an einem Steckverbinder erfordert ein präzises Schneiden der Faser in einer Ebene, die genau senkrecht zur Faserachse verläuft, sowie die Herstellung der Verbindung durch einen komplexen Klebevorgang.

Die Kommunikationsleitung (Abb. 3.7) besteht im Allgemeinen aus einem physikalischen Medium, über das elektrische Informationssignale, Datenübertragungsgeräte und Zwischengeräte übertragen werden. Ein Synonym für den Begriff „Kommunikationslinie“ ist der Begriff „Kommunikationskanal“.

Reis. 3.7. Zusammensetzung der Kommunikationslinie

Das physikalische Medium der Datenübertragung ist ein Kabel, also eine Reihe von Drähten, Isolier- und Schutzhüllen und Verbindungssteckern, sowie die Erdatmosphäre oder der Weltraum, durch den sich elektromagnetische Wellen ausbreiten.

Je nach Datenübertragungsmedium werden Kommunikationsleitungen (Abb. 3.8) unterteilt in:

Kabelgebunden (Antenne);

Kabel (Kupfer und Glasfaser);

Funkkanäle der terrestrischen und Satellitenkommunikation.

Reis. 3.8. Arten von Kommunikationsleitungen

Kabelgebundene (Freileitungs-)Kommunikationsleitungen sind Drähte ohne Isolier- oder Abschirmgeflecht, die zwischen Masten verlegt werden und in der Luft hängen. Über solche Kommunikationsleitungen werden traditionell Telefon- oder Telegrafensignale übertragen, aber mangels anderer Optionen werden diese Leitungen auch zur Übertragung von Computerdaten verwendet. Die Geschwindigkeit und Störfestigkeit dieser Leitungen lassen zu wünschen übrig. Heutzutage werden drahtgebundene Kommunikationsleitungen schnell durch Kabelleitungen ersetzt.

Kabelleitungen sind eine ziemlich komplexe Struktur. Das Kabel besteht aus Leitern, die von mehreren Isolationsschichten umgeben sind: elektrisch, elektromagnetisch, mechanisch und möglicherweise auch klimatisch. Darüber hinaus kann das Kabel mit Anschlüssen ausgestattet werden, mit denen Sie schnell verschiedene Geräte daran anschließen können. Es gibt drei Haupttypen von Kabeln, die in Computernetzwerken verwendet werden: Twisted-Pair-Kupferkabel, Kupferkoaxialkabel und Glasfaserkabel.

Ein verdrilltes Adernpaar wird Twisted Pair genannt. Twisted Pair gibt es als geschirmtes Paar (STP), bei dem das Kupferdrahtpaar mit einer isolierenden Abschirmung umwickelt ist, und als ungeschirmtes Paar (UTP), wenn keine isolierende Ummantelung vorhanden ist. Durch das Verdrillen der Drähte wird der Einfluss externer Störungen auf die über das Kabel übertragenen Nutzsignale verringert. Koaxialkabel sind asymmetrisch aufgebaut und bestehen aus einem inneren Kupferkern und einem Geflecht, die durch eine Isolationsschicht vom Kern getrennt sind. Es gibt verschiedene Arten von Koaxialkabeln, die sich in ihren Eigenschaften und Anwendungen unterscheiden – z lokale Netzwerke, für globale Netzwerke, für Kabelfernsehen. Glasfaserkabel bestehen aus dünnen (5–60 Mikrometer) Fasern, durch die Lichtsignale übertragen werden. Hierbei handelt es sich um einen Kabeltyp höherer Qualität – er ermöglicht eine Datenübertragung mit sehr hohen Geschwindigkeiten (bis zu 10 Gbit/s und mehr) und schützt darüber hinaus Daten besser als andere Übertragungsmedien vor externen Störungen.

Funkkanäle für die terrestrische und Satellitenkommunikation werden mithilfe eines Funkwellensenders und -empfängers gebildet. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Arten von Funkkanälen, die sich sowohl im verwendeten Frequenzbereich als auch im Kanalbereich unterscheiden. Die Kurz-, Mittel- und Langwellenbänder (KB, CB und LW), nach der Art der verwendeten Signalmodulation auch Amplitudenmodulationsbänder (AM) genannt, ermöglichen Kommunikation über große Entfernungen, jedoch mit niedrigen Datenraten. Die schnellsten Kanäle sind diejenigen, die im Ultrakurzwellenbereich (VHF), der durch Frequenzmodulation (FM) gekennzeichnet ist, sowie im Ultrahochfrequenzbereich (Mikrowelle) arbeiten. Im Mikrowellenbereich (über 4 GHz) werden Signale nicht mehr von der Ionosphäre der Erde reflektiert. Für eine stabile Kommunikation ist eine Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger erforderlich. Daher werden solche Frequenzen entweder von Satellitenkanälen oder von Richtfunkkanälen genutzt, sofern diese Bedingung erfüllt ist.

In Computernetzwerken werden heute fast alle beschriebenen Arten von physischen Datenübertragungsmedien verwendet, am vielversprechendsten sind jedoch Glasfasermedien. Heute sind auf ihnen sowohl die Rückgrate großer territorialer Netzwerke als auch Hochgeschwilokaler Netzwerke aufgebaut. Twisted Pair ist ebenfalls ein beliebtes Medium, das sich durch ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis und eine einfache Installation auszeichnet. Mithilfe von Twisted-Pair-Kabeln werden Endbenutzer von Netzwerken normalerweise in Entfernungen von bis zu 100 Metern vom Hub verbunden. Satellitenkanäle und Funkkommunikation werden am häufigsten in Fällen verwendet, in denen Kabelkommunikation nicht genutzt werden kann – zum Beispiel, wenn ein Kanal durch ein dünn besiedeltes Gebiet verläuft oder um mit einem Mobilfunknetzbenutzer zu kommunizieren, etwa einem LKW-Fahrer oder einem Arzt auf der Visite .

Eine Kommunikationsverbindung ist das physische Medium und die Hardwaresammlung, die zur Übertragung von Signalen von einem Sender an einen Empfänger verwendet wird. Bei drahtgebundenen Kommunikationssystemen ist dies zunächst ein Kabel oder Hohlleiter, bei Funkkommunikationssystemen ein Raumbereich, in dem sich elektromagnetische Wellen vom Sender zum Empfänger ausbreiten. Bei der Übertragung über einen Kanal kann das Signal verzerrt sein und durch Interferenzen beeinträchtigt werden. Das Empfangsgerät verarbeitet das empfangene Signal , das die Summe des eingehenden verzerrten Signals und des Rauschens ist, und rekonstruiert daraus eine Nachricht, die mit einigen Fehlern die übertragene Nachricht anzeigt. Mit anderen Worten: Der Empfänger muss anhand der Signalanalyse feststellen, welche der möglichen Nachrichten gesendet wurden. Daher ist das Empfangsgerät eines der kritischsten und komplexesten Elemente des elektrischen Kommunikationssystems.

Unter einem elektrischen Kommunikationssystem versteht man eine Gesamtheit technischer Mittel und Verteilungsmedien. Der Begriff Kommunikationssystem umfasst die Quelle und den Verbraucher von Nachrichten.

Anhand der Art der übermittelten Nachrichten werden folgende elektrische Kommunikationssysteme unterschieden: Sprachübertragungssysteme (Telefonie); Textübertragungssysteme (Telegrafie); Übertragungssysteme Standbilder(Fototelegrafie); Bewegtbildübertragungssysteme (Fernsehen), Telemetrie-, Fernwirk- und Datenübertragungssysteme. Je nach Verwendungszweck werden Telefon- und Fernsehsysteme in Rundfunksysteme, die sich durch ein hohes Maß an künstlerischer Wiedergabe von Nachrichten auszeichnen, und professionelle Systeme mit einer speziellen Anwendung (amtliche Kommunikation, Industriefernsehen usw.) unterteilt. In einem Telemetriesystem physikalische Quantitäten(Temperatur, Druck, Geschwindigkeit usw.) werden mithilfe von Sensoren in ein primäres elektrisches Signal umgewandelt, das an den Sender gesendet wird. Auf der Empfangsseite wird die übertragene physikalische Größe bzw. deren Änderungen vom Signal getrennt und zur Überwachung verwendet. Das Fernwirksystem sendet Befehle, um bestimmte Aktionen automatisch auszuführen. Oftmals werden diese Befehle automatisch auf Basis der vom Telemetriesystem übermittelten Messergebnisse generiert.

Die Einführung hocheffizienter Computer hat zu der Notwendigkeit einer schnellen Entwicklung von Datenübertragungssystemen geführt, die den Informationsaustausch zwischen Computerwerkzeugen und Objekten automatisierter Steuerungssysteme gewährleisten. Diese Art der Telekommunikation zeichnet sich durch hohe Anforderungen an die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Informationsübertragung aus.

Um Nachrichten zwischen vielen geografisch verteilten Benutzern (Abonnenten) auszutauschen, werden Kommunikationsnetze geschaffen, die die Übertragung und Verteilung von Nachrichten an bestimmte Adressen (at angegebene Zeit und mit bewährter Qualität).

Ein Kommunikationsnetzwerk ist eine Ansammlung von Kommunikationsleitungen und Vermittlungsknoten.

Die Klassifizierung von Kanälen und Kommunikationsleitungen erfolgt:

durch die Art der Signale am Ein- und Ausgang (kontinuierlich, diskret, diskret-kontinuierlich);

nach Art der Nachrichten (Telefon, Telegraf, Datenübertragung, Fernsehen, Fax usw.);

nach Art des Ausbreitungsmediums (kabelgebunden, Funk, Glasfaser usw.);

nach dem verwendeten Frequenzbereich (Niederfrequenz (LF), Hochfrequenz (HF), Ultrahochfrequenz (Mikrowelle) usw.);

entsprechend der Struktur der Transceivergeräte (Einkanal, Mehrkanal).

Derzeit mit dem Ziel der meisten volle Eigenschaften Kanäle und Kommunikationsleitungen können andere Klassifizierungskriterien verwendet werden (je nach Art der Funkwellenausbreitung, Art der Kombination und Trennung von Kanälen, Platzierung technischer Mittel, Betriebszweck usw.).

Computernetzwerke nutzen Telefon-, Telegrafen-, Fernseh- und Satellitenkommunikationsnetze. Als Kommunikationsleitungen werden drahtgebundene (Luft-), Kabel-, Funkkanäle der terrestrischen und Satellitenkommunikation verwendet. Der Unterschied zwischen ihnen wird durch das Datenübertragungsmedium bestimmt. Das physikalische Medium der Datenübertragung kann ein Kabel sein, aber auch die Erdatmosphäre oder der Weltraum, durch den sich elektromagnetische Wellen ausbreiten.

Kabelgebundene (Freileitungs-)Kommunikationsleitungen- Dies sind Drähte ohne Isolier- oder Abschirmgeflecht, die zwischen Polen verlegt werden und in der Luft hängen. Traditionell werden sie zur Übertragung von Telefon- und Telegrafensignalen verwendet, mangels anderer Möglichkeiten werden sie jedoch auch zur Übertragung von Computerdaten verwendet. Kabelgebundene Kommunikationsleitungen zeichnen sich durch eine geringe Bandbreite und geringe Störfestigkeit aus und werden daher schnell durch Kabelleitungen ersetzt.

Kabelleitungen umfassen ein Kabel, das aus Leitern mit mehreren Isolationsschichten – elektrisch, elektromagnetisch, mechanisch – und Anschlüssen zum Anschluss verschiedener Geräte daran besteht. In Kabelnetzen werden hauptsächlich drei Arten von Kabeln verwendet: ein Kabel, das auf verdrillten Kupferdrahtpaaren basiert (dies ist ein verdrilltes Paar in einer abgeschirmten Version, wenn ein Paar Kupferdrähte in einen isolierenden Schirm eingewickelt ist, und ungeschirmt, wenn keine Isolierung vorhanden ist). Koaxialkabel (besteht aus einem inneren Kupferkern und einem Geflecht, das durch eine Isolierschicht vom Kern getrennt ist) und Glasfaserkabel (besteht aus dünnen Fasern von 5 bis 60 Mikrometern, durch die sich Lichtsignale ausbreiten).

Unter den Kabelkommunikationsleitungen weisen Lichtleiter die beste Leistung auf. Ihre Hauptvorteile: hoher Durchsatz (bis zu 10 Gbit/s und höher) aufgrund der Nutzung elektromagnetischer Wellen im optischen Bereich; Unempfindlichkeit gegenüber externen elektromagnetischen Feldern und Fehlen eigener elektromagnetischer Strahlung, geringe Arbeitsintensität beim Verlegen eines optischen Kabels; Funken-, Explosions- und Brandschutz; erhöhte Beständigkeit gegenüber aggressiven Umgebungen; niedriges spezifisches Gewicht (Verhältnis von linearer Masse zu Bandbreite); breite Anwendungsbereiche (Schaffung öffentlicher Zufahrtsstraßen, Kommunikationssysteme zwischen Computern und Peripheriegeräten lokaler Netzwerke, in der Mikroprozessortechnik usw.).

Nachteile von Glasfaserleitungen: Der Anschluss zusätzlicher Computer an den Lichtleiter schwächt das Signal erheblich; für Lichtleiter erforderliche Hochgeschwindigkeitsmodems sind immer noch teuer; Lichtleiter, die Computer verbinden, müssen mit Konvertern von elektrischen Signalen in Licht und umgekehrt ausgestattet sein.

Terrestrische und Satellitenradiokanäle werden mithilfe eines Senders und Empfängers von Radiowellen gebildet. Verschiedene Arten von Funkkanälen unterscheiden sich im verwendeten Frequenzbereich und der Reichweite der Informationsübertragung. Funkkanäle im Kurz-, Mittel- und Langwellenbereich (HF, MF, DV) ermöglichen eine Fernkommunikation, jedoch mit einer geringen Datenübertragungsrate. Dabei handelt es sich um Funkkanäle, die die Amplitudenmodulation von Signalen nutzen. Auf Ultrakurzwellen (UKW) betriebene Kanäle sind schneller und zeichnen sich durch Frequenzmodulation der Signale aus. Als Ultrahochgeschwindigkeitskanäle gelten Kanäle, die im Ultrahochfrequenzbereich (Mikrowellenbereich) arbeiten, also über 4 GHz. Im Mikrowellenbereich werden Signale nicht von der Ionosphäre der Erde reflektiert, daher erfordert eine stabile Kommunikation eine direkte Sichtbarkeit zwischen Sender und Empfänger. Aus diesem Grund werden Mikrowellensignale entweder in Satellitenkanälen oder in Richtfunkübertragungen verwendet, wo diese Bedingung erfüllt ist.

Eigenschaften von Kommunikationsleitungen. Zu den Hauptmerkmalen von Kommunikationsleitungen gehören: Amplitudenfrequenzgang, Bandbreite, Dämpfung, Durchsatz, Störfestigkeit, Übersprechen am nahen Ende der Leitung, Zuverlässigkeit der Datenübertragung, Stückkosten.

Die Eigenschaften einer Kommunikationsleitung werden oft durch die Analyse ihrer Reaktionen auf bestimmte Referenzeinflüsse bestimmt, bei denen es sich um Sinusschwingungen verschiedener Frequenzen handelt, da sie in der Technik häufig anzutreffen sind und zur Darstellung beliebiger Zeitfunktionen verwendet werden können. Der Grad der Verzerrung sinusförmiger Signale einer Kommunikationsleitung wird anhand des Amplituden-Frequenzgangs, der Bandbreite und der Dämpfung bei einer bestimmten Frequenz beurteilt.

Amplitudenfrequenzgang(AFrequenzgang) liefert das vollständigste Bild der Kommunikationsleitung; es zeigt, wie die Amplitude der Sinuskurve am Ausgang der Leitung im Vergleich zur Amplitude an ihrem Eingang für alle möglichen Frequenzen des übertragenen Signals abschwächt (anstelle der Amplitude von das Signal, seine Leistung wird oft genutzt). Folglich ermöglicht Ihnen der Frequenzgang, die Form des Ausgangssignals für jedes Eingangssignal zu bestimmen. Es ist jedoch sehr schwierig, den Frequenzgang einer echten Kommunikationsleitung zu erhalten, daher werden in der Praxis stattdessen andere, vereinfachte Eigenschaften verwendet – Bandbreite und Dämpfung.

Kommunikationsbandbreite stellt einen kontinuierlichen Frequenzbereich dar, in dem das Verhältnis der Amplitude des Ausgangssignals zum Eingangssignal einen vorgegebenen Grenzwert (normalerweise 0,5) überschreitet. Daher bestimmt die Bandbreite den Frequenzbereich eines Sinussignals, bei dem dieses Signal ohne nennenswerte Verzerrung über eine Kommunikationsleitung übertragen wird. Die Bandbreite, die die maximal mögliche Geschwindigkeit der Informationsübertragung entlang einer Kommunikationsleitung am meisten beeinflusst, ist die Differenz zwischen der maximalen und minimalen Frequenz des Sinussignals in einer bestimmten Bandbreite. Die Bandbreite hängt von der Art der Leitung und ihrer Länge ab.

Es muss zwischen Bandbreite und unterschieden werden Spektrumbreiteübertragene Informationssignale. Die Breite des Spektrums der übertragenen Signale ist die Differenz zwischen den maximalen und minimalen signifikanten Harmonischen des Signals, d. h. denjenigen Harmonischen, die den Hauptbeitrag zum resultierenden Signal leisten. Wenn erhebliche Signaloberwellen in den Leitungsdurchlassbereich fallen, wird ein solches Signal vom Empfänger ohne Verzerrung gesendet und empfangen. Andernfalls wird das Signal verzerrt, der Empfänger macht Fehler bei der Informationserkennung und die Informationen können daher nicht mit der gegebenen Bandbreite übertragen werden.

Dämpfung ist eine relative Abnahme der Amplitude oder Leistung eines Signals bei der Übertragung eines Signals einer bestimmten Frequenz entlang einer Leitung.

Die Dämpfung A wird in Dezibel (dB, dB) gemessen und nach der Formel berechnet:

Dabei sind Rout und Rin die Signalleistung am Ausgang bzw. Eingang der Leitung.

Um die Verzerrung von entlang einer Leitung übertragenen Signalen abzuschätzen, reicht es aus, die Dämpfung von Signalen der Grundfrequenz zu kennen, d. h. der Frequenz, deren Harmonische die größte Amplitude und Leistung aufweist. Eine genauere Schätzung ist möglich, wenn wir die Dämpfung bei mehreren Frequenzen in der Nähe der Hauptfrequenz kennen.

Kommunikationsfähigkeit ist ihre Eigenschaft, die (wie die Bandbreite) die maximal mögliche Datenübertragungsrate entlang der Leitung bestimmt. Sie wird in Bits pro Sekunde (bps) sowie in abgeleiteten Einheiten (Kbps, Mbps, Gbps) gemessen.

Der Durchsatz einer Kommunikationsleitung hängt von ihren Eigenschaften (Frequenzgang, Bandbreite, Dämpfung) und vom Spektrum der übertragenen Signale ab, das wiederum von der gewählten Methode der physikalischen oder linearen Kodierung (d. h. von der Methode der diskreten Darstellung) abhängt Informationen in Form von Signalen). Bei einer Kodierungsmethode kann eine Leitung eine Kapazität haben, bei einer anderen eine andere.

Bei der Kodierung wird üblicherweise eine Änderung eines Parameters eines periodischen Signals (z. B. Sinusschwingungen) verwendet – die Frequenz, Amplitude und Phase einer Sinuskurve oder das Vorzeichen des Potentials einer Impulsfolge. Ein periodisches Signal, dessen Parameter sich ändern, wird als Trägersignal oder Trägerfrequenz bezeichnet, wenn als solches Signal eine Sinuskurve verwendet wird. Wenn die empfangene Sinuskurve keinen ihrer Parameter (Amplitude, Frequenz oder Phase) ändert, trägt sie keine Informationen.

Die Anzahl der Änderungen des Informationsparameters eines periodischen Trägersignals pro Sekunde (bei einer Sinuskurve ist dies die Anzahl der Änderungen in Amplitude, Frequenz oder Phase) wird in Baud gemessen. Der Betriebszyklus des Senders ist der Zeitraum zwischen benachbarten Änderungen im Informationssignal.

Im Allgemeinen ist die Leitungskapazität in Bits pro Sekunde nicht dasselbe wie die Baudrate. Abhängig von der Kodierungsmethode kann sie höher, gleich oder niedriger als die Baudzahl sein. Wenn zum Beispiel wann diese Methode Bei der Codierung wird ein einzelner Bitwert durch einen Impuls positiver Polarität und ein Nullwert durch einen Impuls negativer Polarität dargestellt. Bei der Übertragung abwechselnd wechselnder Bits (es gibt keine Reihe gleichnamiger Bits) physikalisches Signal Während der Übertragung jedes Bits ändert es seinen Zustand zweimal. Daher ist bei dieser Kodierung die Leitungskapazität halb so groß wie die Anzahl der über die Leitung übertragenen Bauds.

Der Leitungsdurchsatz wird nicht nur durch die physikalische, sondern auch durch die sogenannte beeinflusst logisch Kodierung, die vor der physischen Kodierung durchgeführt wird und darin besteht, die ursprüngliche Folge von Informationsbits durch eine neue Folge von Bits zu ersetzen, die dieselben Informationen enthält, aber über zusätzliche Eigenschaften verfügt (z. B. die Fähigkeit der empfangenden Seite, Fehler in empfangenen Daten zu erkennen). Daten zu übertragen oder die Vertraulichkeit der übermittelten Daten durch Verschlüsselung sicherzustellen). Mit der logischen Codierung geht in der Regel ein Ersatz der ursprünglichen Bitfolge durch eine längere Folge einher, was sich negativ auf die Übertragungszeit nützlicher Informationen auswirkt.

Es gibt ein gewisses Verhältnis zwischen der Kapazität einer Leitung und ihrer Bandbreite. Bei einem festen physikalischen Kodierungsverfahren steigt die Leitungskapazität mit zunehmender Frequenz des periodischen Trägersignals, da mit dieser Erhöhung eine Zunahme der pro Zeiteinheit übertragenen Informationen einhergeht. Mit zunehmender Frequenz dieses Signals nimmt jedoch auch die Breite seines Spektrums zu, das mit durch die Bandbreite der Leitung bedingten Verzerrungen übertragen wird. Je größer die Abweichung zwischen der Leitungsbandbreite und der Spektrumsbreite der übertragenen Informationssignale ist, desto stärker sind die Signale verzerrt und desto wahrscheinlicher sind Fehler bei der Informationserkennung durch den Empfänger. Dadurch fällt die Geschwindigkeit der Informationsübertragung geringer aus als erwartet.

Claude Shannon stellte den Zusammenhang zwischen der Bandbreite einer Leitung und ihrem maximal möglichen Durchsatz fest, unabhängig von der verwendeten physikalischen Kodierungsmethode:

Wo MIT– maximale Leitungskapazität (Bit/s);

F– Leitungsbandbreite (Hz);

– Nutzsignalleistung;

– Rauschleistung (Interferenz).

Wie aus dieser Beziehung hervorgeht, gibt es theoretisch keine Grenze für die Kapazität einer Verbindung mit fester Bandbreite. In der Praxis ist es jedoch recht schwierig und teuer, die Kapazität einer Leitung durch eine deutliche Erhöhung der Sendeleistung oder eine Reduzierung der Rauschleistung auf der Leitung zu erhöhen. Darüber hinaus wird der Einfluss dieser Kapazitäten auf den Durchsatz nicht durch eine direkt proportionale, sondern durch eine logarithmische Abhängigkeit begrenzt.

Mehr praktischer Nutzen erhielt die von Nyquist gefundene Beziehung:

Wo M– die Anzahl der verschiedenen Zustände des Informationsparameters des übertragenen Signals.

Die Nyquist-Beziehung, die auch zur Bestimmung des maximal möglichen Durchsatzes einer Kommunikationsleitung verwendet wird, berücksichtigt nicht explizit das Vorhandensein von Rauschen auf der Leitung. Sein Einfluss spiegelt sich jedoch indirekt in der Wahl der Anzahl der Zustände des Informationssignals wider. Um beispielsweise den Durchsatz einer Leitung zu erhöhen, war es möglich, beim Kodieren von Daten nicht 2 oder 4, sondern 16 Ebenen zu verwenden. Wenn die Rauschamplitude jedoch die Differenz zwischen benachbarten 16 Ebenen überschreitet, ist der Empfänger dazu nicht in der Lage die übertragenen Daten stets erkennen. Daher wird die Anzahl der möglichen Signalzustände effektiv durch das Verhältnis von Signalleistung zu Rauschen begrenzt.

Die Nyquist-Formel bestimmt den Grenzwert der Kanalkapazität für den Fall, dass die Anzahl der Zustände des Informationssignals bereits unter Berücksichtigung der Fähigkeit ihrer stabilen Erkennung durch den Empfänger ausgewählt wurde.

Störfestigkeit der Kommunikationsleitung- Dies ist seine Fähigkeit, den Grad der in der Außenumgebung erzeugten Störungen an Innenleitern zu reduzieren. Dies hängt von der Art des verwendeten physikalischen Mediums sowie von der Leitungsausrüstung ab, die Störungen abschirmt und unterdrückt. Am geräuschbeständigsten, unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen elektromagnetische Strahlung, sind Glasfaserleitungen, am wenigsten störfest sind Funkleitungen, sie nehmen eine Zwischenstellung ein Kabelleitungen. Die Reduzierung von Störungen durch äußere elektromagnetische Strahlung wird durch Abschirmung und Verdrillung der Leiter erreicht.

Ähnliche Ansätze gelten für die Verschlüsselung von Daten und deren Übertragung zwischen zwei Computern über Kommunikationsleitungen. Allerdings unterscheiden sich diese Kommunikationsleitungen in ihren Eigenschaften von den Leitungen im Inneren des Computers. Der Hauptunterschied zwischen externen und internen Kommunikationsleitungen besteht darin, dass sie viel länger sind und außerdem außerhalb des abgeschirmten Gehäuses durch Räume verlaufen, die häufig starken elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind.

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Physische Datenübertragung über Kommunikationsleitungen

Auch wenn man darüber nachdenkt das einfachste Netzwerk Da das Gerät nur aus zwei Maschinen besteht, lassen sich viele Probleme im Zusammenhang mit der physischen Übertragung von Signalen über Kommunikationsleitungen identifizieren.

Codierung

IN Computertechnologie Wird zur Darstellung von Daten verwendet Binärcode. In einem Computer entsprechen die Einsen und Nullen der Daten diskreten elektrischen Signalen.

Die Darstellung von Daten in Form elektrischer oder optischer Signale wird als Kodierung bezeichnet. ... .

Existieren verschiedene Wege Codierung binärer Ziffern, zum Beispiel das Potentialverfahren, bei dem ein Spannungspegel einer Eins und ein anderer Null entspricht, oder das Impulsverfahren, bei dem Impulse unterschiedlicher Polarität zur Darstellung von Ziffern verwendet werden.

Ähnliche Ansätze gelten für die Verschlüsselung von Daten und deren Übertragung zwischen zwei Computern über Kommunikationsleitungen. Allerdings unterscheiden sich diese Kommunikationsleitungen in ihren Eigenschaften von den Leitungen im Inneren des Computers. Der Hauptunterschied zwischen externen und internen Kommunikationsleitungen besteht darin, dass sie viel länger sind und außerdem außerhalb des abgeschirmten Gehäuses durch Räume verlaufen, die häufig starken elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind. All dies führt zu einer deutlich stärkeren Verzerrung von Rechteckimpulsen (z. B. „Überrollen“ der Fronten) als im Computer. Um Impulse am Empfangsende einer Kommunikationsleitung bei der Datenübertragung innerhalb und außerhalb des Computers zuverlässig zu erkennen, ist es daher nicht immer möglich, die gleichen Geschwindigkeiten und Kodierungsmethoden zu verwenden. Beispielsweise erfordert der langsame Anstieg der Impulsflanke aufgrund der hohen kapazitiven Belastung der Leitung, dass die Impulse mit einer geringeren Geschwindigkeit übertragen werden (damit sich die Vorder- und Hinterflanken benachbarter Impulse nicht überlappen und der Impuls Zeit hat, dies zu tun). auf das erforderliche Niveau „wachsen“.

IN Computernetzwerke Sie nutzen sowohl die Potential- als auch die Impulskodierung diskreter Daten sowie eine spezielle Methode zur Darstellung von Daten, die niemals in einem Computer verwendet wird, die Modulation (Abb. 2.6). Bei der Modulation werden diskrete Informationen durch ein Sinussignal mit der Frequenz dargestellt, die von der vorhandenen Kommunikationsleitung gut übertragen werden kann.

Auf Kanälen wird eine Potential- oder Impulscodierung verwendet Gute Qualität, und eine auf Sinussignalen basierende Modulation ist dann vorzuziehen, wenn der Kanal starke Verzerrungen in die übertragenen Signale einführt. Modulation wird beispielsweise in Weitverkehrsnetzen verwendet, um Daten über analoge Telefonverbindungen zu übertragen, die für die Übertragung von Sprache in analoger Form konzipiert sind und daher nicht gut für die direkte Übertragung von Impulsen geeignet sind.

Die Art der Signalübertragung wird auch durch die Anzahl der Drähte in den Kommunikationsleitungen zwischen Computern beeinflusst. Um die Kosten für Kommunikationsleitungen zu senken, streben Netzwerke in der Regel danach, die Anzahl der Leitungen zu reduzieren. Aus diesem Grund verwenden sie nicht die parallele Übertragung aller Bits eines Bytes oder sogar mehrerer Bytes, wie dies in einem Computer der Fall ist, sondern eine sequentielle Bitübertragung Übertragung, die nur ein Kabelpaar erfordert.

Ein weiteres Problem, das bei der Übertragung von Signalen gelöst werden muss, ist das Problem der gegenseitigen Synchronisation des Senders eines Computers mit dem Empfänger eines anderen. Bei der Organisation des Zusammenspiels von Modulen innerhalb eines Computers lässt sich dieses Problem sehr einfach lösen, da in diesem Fall alle Module von einem gemeinsamen Taktgenerator synchronisiert werden. Das Synchronisationsproblem beim Verbinden von Computern kann gelöst werden verschiedene Wege, sowohl durch den Austausch spezieller Taktimpulse über eine separate Leitung als auch durch periodische Synchronisierung mit vorgegebenen Codes oder Impulsen einer charakteristischen Form, die sich von der Form der Datenimpulse unterscheidet.

Trotz der getroffenen Maßnahmen (Auswahl der geeigneten Datenaustauschrate, Kommunikationsleitungen mit bestimmten Eigenschaften, Art der Synchronisierung von Empfänger und Sender) besteht die Möglichkeit einer Verzerrung einiger Bits der übertragenen Daten. Um die Zuverlässigkeit der Datenübertragung zwischen Computern zu erhöhen, wird häufig eine Standardtechnik verwendet: die Berechnung der Prüfsumme und deren Übertragung über Kommunikationsleitungen nach jedem Byte oder nach einem bestimmten Byteblock. Oftmals enthält das Datenaustauschprotokoll als obligatorisches Element einen Signalempfang, der die Richtigkeit des Datenempfangs bestätigt und vom Empfänger an den Absender gesendet wird.

Eigenschaften physikalischer Kanäle

Mit der Übertragung von Datenverkehr über physische Kanäle sind zahlreiche Merkmale verbunden. Wir werden diejenigen davon kennenlernen, die wir in naher Zukunft benötigen werden.