Дуплексный способ передачи данных по линии связи

Классификация каналов связи. Симплексный. Полудуплексный. Дуплексный.

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.

Источник

1. Кратко о дуплексной связи

1.1 Двухволоконная связь

Для начала (для качественного понимания происходящего далее) необходимо вспомнить базовые основы оптической связи.

Как известно, современная связь – дуплексная. Такой способ связи предполагает, что передача и приём ведется одновременно каждым участником связи, причем потоки данных на передачу и на приём для каждого конкретного участника обмена данными должны быть физически разделены между собой.

Другими словами, к каждому сетевому устройству должно подходить минимум две независимые линии связи: одна на передачу данных, вторая – на приём.

Рисунок 1 – Принцип действия двухволоконной дуплексной связи.

То есть используются два независимых физических канала (применительно к оптоволоконным линиям связи это — два волокна, по одному из которых сигнал передается «туда», по другому – «обратно»), в каждом из которых световой сигнал передается на одной и той же длине волны (это утверждение верно для классических оптоволоконных линий связи).

Главная особенность двухволоконной связи – это возможность работы с любыми оптическими волноводами, такими как одномодовое волокно (англ. SingleModeFiber или SFM) или многомодовое волокно MMF(англ. Multi Mode Fiber или MMF).

Для двухволоконной связи характерны следующие длины волн:

• 850нм или 1310нм для MMF;
• 1310нм или 1550нм для SMF;

Рабочая длина волны часто зависит от расстояния, на которое требуется передать сигнал. Например, для одномодового волокна на небольшие дистанции обычно используется длина волны 1310нм, а на большие – 1550нм.

Сопоставляя максимальные скорости и дальности, характерные для двухволоконной связи, с типом оптического волокна, можно получить зависимость, не изменяющуюся уже на протяжении десятка лет.

Подводя итоги можно отметить, что двухволоконную связь можно организовать на дальность:

• до 300м при скорости передачи данных 10Гбит/с;
• до 2км при скорости передачи данных 1Гбит/с.

Это верно для многомодовых волноводов, для одномодовых волноводов эта ситуация гораздо лучше:

• до 80км при скорости 10Гбит/с;
• до 150км при скорости 1Гбит/с.

Для экономии волокна при использовании двухволоконных приемопередатчиков ранее использовались (да и сейчас периодически применяются) оптические циркуляторы, основная задача которых — «разворачивать» плоскость поляризации прямого и обратного оптического сигнала на одной и той же длине волны перпендикулярно друг другу. Благодаря таким манипуляциям со световым потоком, становится возможным работать «туда» и «обратно» на одной длине волны в одном и том же оптическом волокне.

Сегодня циркуляторы – это очень дорого и неудобно, а иногда и небезопасно:

• стоимость циркулятора гораздо выше, чем стоимость самого простого мультиплексора (при этом даже самое несложный мультиплексор сможет обеспечить ввод/вывод большего количества дуплексных каналов связи на одно волокно);
• при обрыве оптического волокна приёмопередатчики на двух сторонах линии связи не всегда способны качественно детектировать обрыв: отраженный световой сигнал с торца оборванного волокна (или неподключенного оптического патчкорда) попадает назад в приёмник оптического приёмопередатчика. Последствия такой ситуации могут быть самыми непредсказуемыми.

1.2 WDM

С недавнего времени на смену двухволоконным системам связи пришла относительно молодая технология, которая позволяет передавать один дуплексный канал связи по одному волокну. Имя ей – WDM!

WDM (от англ. Wavelength Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по длине волны) – частный случай частотного мультиплексирования.

В основу принципа действия по-прежнему положено утверждение о том, что прямой и обратный поток для дуплексной связи должны быть разделены физически, но ведь это утверждение (как и любое утверждение вообще) можно трактовать по-разному.

Лучшие умы современности выразили мнение, что физическое разделение двух оптических каналов связи не всегда означает, что оптические сигналы этих каналов должны двигаться в разных волокнах – можно ведь в одном волокне запустить навстречу друг другу два «разноцветных» световых сигнала, которые не будут мешать друг другу!

При этом, физические характеристики встречных световых потоков останутся разными (разная длина волны света), а это значит, что их (световые потоки) можно различать в общем волноводе.

Для полноценной работы такой системы (в народе такая система называется «одноволоконной») приёмопередатчик WDM имеет «на борту» передатчик и приёмник, настроенные на разные длины волн, а также встроенный блок фильтров.

Другими словами, одноволоконное устройство приёма/передачи излучает на одной длине волны, а принимает на другой. А для того, чтобы всё это действо не превратилось «в кашу», в каждом таком приёмопередатчике установлены фильтры.

Приемопередатчики WDM работают «в паре». Каждый приемопередатчик в паре имеет «зеркальные» длины волн приёма и передачи, например:

• один трансивер из пары имеет длины волн передатчика 1310nm и приемника 1550nm;
• второй трансивер из пары имеет всё то же, но зеркально наоборот (передатчик излучает на длине волны 1550nm, а приёмник детектирует сигнал на длине волны 1310nm).

Рисунок 2 – Принцип действия дуплексной WDM связи.

В мировой практике существует всего три основных пары длин волн для гигабитных и сто-мегабитных оптических WDM приёмопередатчиков, а именно:

Для WDM приёмопередатчиков, работающих на скорости 10 гигабит в секунду, стандартная пара длин волн всего одна:

Конечно, никто не отменял «нестандартные» пары длин волн, но производители оборудования стараются не отступать от общемировых стандартов, чтобы не плодить узкоспециализированные и несовместимые со всем остальным оборудованием приёмопередатчики.

Как и в случае с двухволоконными приёмопередатчиками, разные пары длин волн WDM используются на разные дальности – чем «длиннее» волна, тем на большее расстояние есть возможность организовать канал связи.

Максимальная дальность действия WDM трансиверов:

• до 60км при скорости передачи данных 10Гбит/с;
• до 120км при скорости передачи данных 1Гбит/с.

Отдельно следует отметить особенность трансиверов WDM – они работают только в одномодовом волокне (SMF).

1.3 Недостатки «простых» оптических систем связи

У классических двухволоконных систем связи и WDM систем уплотнения есть свои недостатки:

• неэффективное использование волокна (характерно в первую очередь для двухволоконных линий связи) – фактически, для организации одного дуплексного канала связи применяется избыточное количество оптических волокон, что само по себе достаточно дорого и на сегодняшний день вообще лишено смысла;
• ограниченный радиус действия из-за хроматической дисперсии (актуально для 10G) и оптического бюджета/бюджета потерь (актуально как для 1G, так и для 10G). Хроматическая дисперсия пагубно влияет на высокоскоростной 10Гбит/с сигнал, разрушая его, а оптический бюджет трансиверов невозможно увеличить без специального внешнего оборудования;
• невозможно стандартными способами расширить канал связи двухволоконных или WDM систем связи путем добавления новых спектральных каналов, повысив тем самым эффективность использования оптического волокна;

Источник

Дуплексная радиосвязь

Невозможны одновременная передача, приём беспроводной связью единой частоты. Результатом станет ужасная интерференция. Андре Голдсмит «Беспроводные коммуникации»

Дуплексная радиосвязь предусматривает одновременную двустороннюю передачу информации. Исторически первыми концепцию реализовали трансатлантический телеграф (1870-е), телетайпы (1890-е). Идея вызвана необходимостью экономии спектра физического канала. Океанический кабель слишком дорого стоил. Случай телетайпов немного отличен: идея уже была известна, некто придумал способ получения дополнительной прибыли, пользуясь скромными запросами печатающих устройств (ниже голосовой линии).

Примеры симплексных систем

Лучше прочувствовать принцип действия симплексной передачи информации помогут примеры систем однонаправленного потока информации:

1. Вещание.
2. Микрофоны звукозаписи.
3. Наушники.
4. Радионяни.
5. Беспроводная система управления рольставнями.
6. Камеры слежения.

Симплекс характеризуется отсутствием необходимости, возможности двухсторонней передачи информации.

Принцип действия

Дуплексная коммуникационная система обычно соединяет две точки (противопоставляя себя вещанию). Современными компьютерными портами (Ethernet) часто осуществляется аналогичный ход, выделяют отдельную витую пару каналам приёма, передачи. После телеграфа, телетайпа концепция настигла телефонные линии. Общеизвестно: абоненты могут говорить одновременно. Расслышать собеседника – вопрос десятый.

Цифровая техника предоставляет видимость эффекта дуплексной радиосвязи. Передатчик давно сжёг бы приёмник, работай каналы одновременно. Однако временное деление функционирует быстро, пакеты коммутируются столь искусно, что собеседники бессильны заметить «подвох». Дуплекс бывает неполным. Полудуплексный метод применяется рациями. Канал разбивается, благодаря внедрению кодовых вызывных комбинаций слов, произносимых абонентами.

Временное деление каналов

Разделение каналов с выделением временных слотов абонентам демонстрирует весомые преимущества на линиях с несимметричными скоростями (загрузка, выгрузка данных). Типичный пример – интернет. Весомое неравенство каналов входящей, исходящей информации сделало возможным спутниковый доступ (запрос по местной мобильной сети, ответ – из космоса). Примеры:

• Стандарт третьего поколения сотовой связи 3G.
• Беспроводная телефония DECT.
• WiMAX (3G+).
• Некоторые разновидности LTE.

Широкое распространение методики дало внедрение импульсных устройств (середина 60-х годов XX века). Причиной существующего положения эксперты называют появление твердотельной электроники. Ламповые дискретные устройства занимали слишком большое пространство. Приёмопередающее оборудование требовало наличия просторного помещения. Первоначально создали два режима сжатия канала:

1. Синхронная (циклическая) передача подразумевает периодическое подключение к линии абонентов. Последовательность строго оговорена. Разрабатывается структура кадра, внедряются синхронизирующие сигналы. Характер кодирования безразличен.
2. Асинхронная передача практикуется цифровыми системами. Информация посылается заблаговременно сформированными пакетами размером сотни-тысячи бит. Наличие адресов делает возможным асинхронную схему взаимодействия. Сегодня принцип использует даже сотовая связь. Современные протоколы предусматривают пакеты с чётным количеством байтов. Поэтому отсутствие синхронизации чисто формальное.

Пакет дополнен заголовком. Состав информации определён стандартом протокола. Канал загружается периодически, с частотой передачи пакетов. Традиционные советские системы использовали 8 кГц (телефонный сигнал дискретизируется со скоростью 64 кбит/с). Методы модуляции несущей:

• Широтно-импульсная.
• Амплитудно-импульсная.
• Время-импульсная.

Двоичный сигнал кодируют прямоугольными импульсами. Спектр выходит бесконечно широким, реальный сигнал обрезают фильтрами. В результате фронты сглаживаются. Растягивание вызывает межимпульсную интерференцию. Помехи по соседнему каналу вызваны пересечением спектров. Параметры систем временного разделения каналов стандартизированы, иерархия получила название плезиохронной:

1. Первая ступень несёт 32 канала (32 х 64 = 2048 кбит/с). 2 канала отдают служебным сообщениям.
2. Следующие ступени (120, 480, 1920) формируются путём уплотнения 4 цифровых потоков побитным мультиплексированием. Причём некоторые разделы стандарта были сформированы заблаговременно, не найдя немедленной аппаратной реализации.

Оптоволоконной альтернативой приведённому методу называют синхронную цифровую иерархию. Алгоритм нацелен обеспечивать крупные ветви сети, где скорости значительные. Требуется повальная синхронизация узлов. Длительность блока (синхронного транспортного модуля) составляет прежние 125 мс (8 кГц). Цифровая длина – 2340 байт. Заголовку отводится 90. Сформирована 5-ступенчатая иерархия согласно размеру пакетов. Мелкие могут являться составными частями крупных.

Частотное деление

Впервые применил частотное деление войсковой связист Игнатьев Г.Г. (1880). Военный подразумевал повторить опыт трансатлантического кабеля. Хотел расширить рамки проложенного кабеля (поле боя оставляет мало времени сантиментам). Передающая аппаратура формирует набор стандартных аналоговых сигналов (обычно 12) стандартной ширины 300-3500 Гц. Блок включает нужное число генераторов выбранного диапазона связи. Канальный промежуток составляет 900 Гц (ДВ).

Групповой аналоговый сигнал занимает 48 кГц. Сегодня приёмопередающее оборудование задействует одновременно две частоты (минимум). Принцип широко используется любительской радиосвязью. Дальнобойщики хорошо знают каналы бедствия, вызова. Пример универсален, касается двустороннего общения радиолюбителей планеты. Первые аналоговые сети использовали внеполосный цифровой вызов станции – слабый пример дуплекса.

Частотное деление – идеальный вариант организации канала симметричного трафика. Базовые станции перестают слышать друг друга, устраняется интерференция. Примеры:

1. ADSL.
2. CDMA2000.
3. IEEE 802.16 (разновидность WiMAX).

Кодовое деление

Частота выборки телефонного сигнала – 64 кГц, используется фазовая манипуляция:

• 1 – 0 градусов.
• 0 – 180 градусов.

Чтобы закодировать цифровой сигнал, бит дополнительно разбивают. Впервые методика продемонстрирована системой Зелёный шершень времён Второй мировой войны. Наложение псевдошумового сигнала сильно озадачило фашистов. Союзники, разделённые Атлантическим океаном, провели свыше 3000 совместных конференций.

Длину кода называют базой сигнала. Графически нули и единицы наложенной последовательности обозначают +1 и -1, явно отличая от основного информационного сообщения. Наложение расширяет спектр в число раз, равное базе. Искусственное увеличение позволяет избежать интерференции. Особенность прямо касается вышек сотовой связи. Каждый канал получает фиксированную кодирующую последовательность, осуществляя концепцию ортогональности. Число совпадающих битов равно числу не совпадающих.

Приёмник корреляционного типа. Часто заменяют согласованным фильтром. Опорным выступает код канала с фазовой манипуляцией. Пытаясь снизить ширины спектры, применяют специальные коды. Хорошо себя зарекомендовал псевдошумовой сигнал. Межканальные помехи вызваны искажениями группового сигнала:

• Коррективы, вносимые полосами пропускания радиоэлектронных устройств.
• Мультипликативные помехи эфира.
• Недостаточная ортогональность кодов.

Стандарт IS95 стал основой сотовых сетей CDMA, спутниковой связи Globalstar.

Устранение эхо

Двусторонние системы громкой связи создают эффект положительной обратной связи, выражающийся резким свистом. Звук динамика достигает микрофона, усиливается, передаётся оппоненту. Визави повторяет порядок преобразований, возвращая послание. Громкость нарастает.

Стандарты модемов, компьютерных шин предусматривают подавление эха. Лишённая техники блокировки отражённого сигнала система бессильна развить полную скорость. Работа цифровых сетей требует жёсткой синхронизации.

Источник