Передача данных и виды связи
Передача данных играет очень большую роль в электронике.
В прошлых статьях по цифровой электронике я рассказывал о цифровых сигналах. Чем же так хороши эти цифровые сигналы? Как это бы странно не звучало, но цифровые сигналы по своей природе являются аналоговыми, так как передаются путем изменения значения напряжения или тока, но передают сигналы с ранее оговоренными уровнями. По своей сути, они являются дискретными сигналами. А что означает слово «дискретный»? Дискретный — это значит состоящий из отдельных частей, раздельный, прерывистый. Цифровые сигналы относятся как раз к дискретным сигналам, так как имеют только ДВА СОСТОЯНИЯ: «активно» и «не активно» — «есть напряжение/ток» и «нет напряжения/тока».
Главный плюс цифровых сигналов в том, что их проще передавать и обрабатывать. Для передачи чаще всего используют напряжение. Поэтому, принято два состояния: напряжение близко к нулю (менее 10% от значения напряжения) и напряжение близко к напряжению питания (более 65% от значения). Например, при напряжении питания схемы 5 Вольт мы получаем сигнал с напряжением 0,5 Вольт — «ноль», если же 4,1 Вольта — «единица».
Последовательный метод передачи информации
Есть просто два провода, источник электрического сигнала и приемник электрического сигнала, которые цепляются к этим проводам.
Это ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ.
Как мы уже сказали, по этим двум проводам мы можем передавать только два сигнала: «есть напряжение/ток» и «нет напряжения/тока». Какие способы передачи информации мы можем реализовать?
Самый простой способ — сигнал есть (лампочка горит) — это ЕДИНИЧКА, сигнала нет (лампочка не горит) — это НОЛЬ
Если пораскинуть мозгами, можно придумать еще несколько различных комбинаций. Например, широкий импульс принять за единичку, а узкий — за ноль:
Или даже вообще взять за единичку и ноль фронт и срез импульса. Внизу рисунок, если подзабыли, что такое фронт и срез импульса.
А вот и практическая реализация:
Да можно хоть сколько придумать различных комбинаций, если «получатель» и «отправитель» согласуют прием и передачу. Здесь я привел просто самые популярные способы передачи цифрового сигнала. То есть все эти способы и есть ПРОТОКОЛЫ. И их, как я уже сказал, можно напридумывать очень много.
Скорость обмена данными
Представьте себе картину… Студенты, идет лекция… Преподаватель диктует лекцию, а студенты ее записывают
Но если преподаватель очень быстро диктует лекцию и в придачу эта лекция по физике или матанализу, то в результате получаем:
Почему же так произошло?
С точки зрения цифровой передачи данных, можно сказать, что скорость обмена данными между «Отправителем» и «Получателем» разная. Поэтому, может быть реальна ситуация, когда «Получатель» (студент) не в состоянии принять данные от «Отправителя» (преподавателя) из-за несоответствия скорости передачи данных: скорость передачи может быть выше или ниже той, на которую настроен приемник (студент).
Данная проблема в разных стандартах последовательной передачи данных решается по-разному:
- предварительная договоренность о скорости передачи данных (договориться с преподавателем, чтобы диктовал лекцию медленнее или чуть быстрее);
- перед передачей информации «Отправитель» передает некую служебную информацию, используя которую «Получатель» подстраивается под «Отправителя» ( Преподаватель: «Кто не запишет эту лекцию полностью, тот не получит зачет»)
Чаще всего, используется первый способ: в устройствах связи заранее устанавливается необходимая скорость обмена данными. Для этого используется тактовый генератор, который вырабатывает импульсы для синхронизации всех узлов устройства, а также для синхронизации процесса связи между устройствами.
Управление потоком
Также возможна ситуация, когда «Получатель»(студент) не готов принимать передаваемые «Отправителем»(преподавателем) данные по какой-либо причине: занятость, неисправность и др.
Решается эта проблема различными методами:
1) На уровне протоколов. Например, в протоколе обмена оговорено: после передачи «Отправителем» служебного сигнала «начало передачи данных» в течение определенного времени «Получатель» обязан подтвердить принятие этого сигнала путем передачи специального служебного сигнала «готовность к приему».
Данный способ называют «программным управлением потоком» — «Soft»
2) На физическом уровне — используются дополнительные каналы связи, по которым «Отправитель» ДО передачи информации запрашивает у «Получателя» о его готовности к приему). Такой способ называют «аппаратным управлением потоком» — «Hard»;
Оба метода очень распространены. Иногда они используются одновременно: и на физическом уровне, и на уровне протокола обмена.
При передаче информации важно засинхронизировать работу передатчика и приемника. Способ установки режима связи между устройствами называют «синхронизацией». Только в этом случае «Получатель» может правильно (достоверно) принять переданное «Отправителем» сообщение.
Режимы связи
Симплексная связь
В этом случае Получатель может только принимать сигналы от отправителя и никак не может на него повлиять. Это в основном телевидение или радио. Мы можем их только или смотреть или слушать.
Полудуплексная связь
В этом режиме и отправитель и получатель могут передавать друг другу сигналы поочередно, если канал свободен. Отличный пример полудуплексной связи — это рации. Если оба абонента будут трещать каждый в свою рацию одновременно, то никто никого не услышит.
— Первый, первый. Я второй. Как слышно?
— Слышу вас нормально, отбой!
Сигнал может посылать только отправитель, в этом случае получатель его принимает. Либо сигнал может отправлять получатель, а в этом случае отправитель его получает. То есть и отправитель и получатель имеют равные права на доступ к каналу (линии связи). Если они сразу оба будут передавать сигнал в линию, то, как я уже сказал, ничего из этого не получится.
Дуплексная связь
В этом режиме и прием и передача сигнала могут вестись сразу в двух направлениях одновременно. Яркий тому пример — разговор по мобильному или домашнему телефону, или разговор в Skype.
Источник
Глава 1. Системы связи и способы передачи сообщений
1.1. Сообщение и сигнал
Понятия «информация» и «сообщение» употребляют довольно часто. Эти близкие по смыслу понятия сложны, и дать их точное определение через более простые нелегко. В общем случае под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах. Для передачи или хранения информации используют различные знаки (символы), позволяющие выразить (представить) ее в некоторой форме. Этими знаками могут быть слова и фразы в человеческой речи, жесты и рисунки, формы колебаний, математические знаки и т. п. Совокупность знаков, содержащих ту или иную информацию, называют сообщением. Так, при телеграфной передаче сообщением является текст телеграммы, представляющий собой последовательность отдельных знаков — букв и цифр. При разговоре по телефону сообщением является непрерывное изменение во времени звукового давления, отображающее не только содержание, но и интонацию, тембр, ритм и иные свойства речи. При передаче движущихся изображений в телевизионных системах сообщение представляет собой изменение во времени яркости элементов изображения.
Передача сообщении (а следовательно, и информации) на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя (бумаги, магнитной ленты и т. п.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн, тока и т. п.). Физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение, называется сигналом.
В качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. В современных системах управления и связи чаще всего используют электрические сигналы. Физической величиной, определяющей такой сигнал, является ток или напряжение! Сигналы формируются путем изменения тех или иных параметров физического носителя по закону передаваемых сообщений. Этот процесс (изменения параметров носителя) принято называть модуляцией.
Сообщения могут быть функциями времени, например речь — при передаче телефонных разговоров, температура или давление воздуха при передаче телеметрических данных, спектакль при передаче по телевидению и т. п. В других случаях сообщение не является функцией времени (например, текст телеграммы, неподвижное изображение и т. д.).
Сигнал является функцией времени, даже если сообщение таковым не является. Если сигнал представляет собой функцию u(t), принимающую только определенные дискретные значения un (например, 1 и 0), то его называют дискретным, или, точнее, дискретным по состояниям. Точно так же и сообщение, принимающее только некоторые определенные значения, называют дискретным. Если же сигнал (или сообщение) может принимать любые значения в некотором интервале, то он называется непрерывным по состояниям, или аналоговым.
В некоторых случаях сообщение или сигнал задают не на всей оси времени, а в определенные моменты tn. Такие сообщения (сигналы) называют дискретными по времени в отличие от непрерывных по времени, заданных на всей оси t. Например, речь является сообщением непрерывным как по состояниям, так и по времени, а датчик температуры, выдающий ее значения через каждые 5 мин, служит источником сообщений, непрерывных по состояниям, но дискретных по времени. На рис. 1.1, наглядно проиллюстрированы дискретные и непрерывные сигналы.
Не следует думать, что дискретные сообщения обязательно преобразуются в дискретные сигналы, а непрерывные сообщения — в непрерывные сигналы. В ряде случаев непрерывные сигналы используют для передачи дискретных сообщений, а дискретные сигналы-для передачи непрерывных сообщений.
Сообщение с помощью датчиков обычно преобразуется в электрическую величину b(t) -первичный сигнал. При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передаче изображения — телевизионная камера. В большинстве случаев первичный сигнал является низкочастотным колебанием, которое отображает передаваемое сообщение.
Рис. 1.1. Основные виды сигналов: а — непрерывный по состояниям и по времени; б -дискретный по состояниям, непрерывный по времени; в — непрерывный по состояниям, дискретный по времени; г — дискретный по состояниям и по времени
В некоторых случаях первичный сигнал, непосредственно передают по линии. Так поступают, например, при обычной городской телефонной связи. Для передачи на большие расстояния (по кабелю или радио) первичный сигнал преобразуют в высокочастотный сигнал.
Если бы передаваемое сообщение было детерминированным, т. е. заранее известным с полной достоверностью, то передача его не имела бы смысла. Такое детерминированное сообщение не содержит информации. Поэтому сообщения следует рассматривать как случайные события (или случайные величины, случайные функции). Другими словами, должно существовать некоторое множество вариантов сообщения (например, множество различных результатов хоккейного матча), из которых реализуется с определенной вероятностью одно. Поэтому и сигнал является случайной функцией. Детерминированный сигнал не может быть переносчиком информации. Его можно использовать лишь для испытаний системы связи или отдельных ее элементов.
Случайный характер сообщений, сигналов, а также помех обусловил важнейшее значение теории вероятности в построении теории связи. Как будет показано в последующих главах, вероятностные свойства сигналов и сообщений, а также среды, в которой передается сигнал, позволяют определить количество передаваемой информации и ее потери.
Описанием конкретного сигнала может быть некоторая функция времени u(t). Определив так или иначе эту функцию, определяем и сигнал. Однако такое полное описание сигнала не всегда требуется. Для решения ряда вопросов достаточно более общего описания в виде нескольких параметров, характеризующих основные свойства сигнала, подобно тому, как это делается в системах транспортирования. Указывая габаритные размеры и массу, характеризуем основные свойства предмета с точки зрения условий его перевозки; другие свойства (например, цвет) с этой точки зрения являются несущественными.
Сигнал также является объектом транспортировки, а техника связи, по существу, техникой транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи. Поэтому целесообразно определить параметры сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала Тс, его динамический диапазон Dc и ширина спектра Fc.
Всякий сигнал, рассматриваемый как временной процесс, имеет начало и конец. Поэтому длительность сигнала Тс является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого сигнал существует.
Динамический диапазон — это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он выражается обычно в децибелах. Динамический диапазон речи Диктора, например, равен 25 . 30 дБ, небольшого вокального ансамбля 45. 65 дБ, симфонического оркестра 70 . 95 дБ. Во избежание перегрузок канала в радиовещании динамический диапазон часто сокращают до 35 . 45 дБ.
И, наконец, ширина спектра сигнала Fс. Этот параметр дает представление о скорости изменения сигнала внутри интервала его существования. Спектр сигнала, в принципе, может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра сигнала.
В технике связи спектр сигнала часто сознательно сокращают. Это обусловлено тем, что аппаратура и линия связи имеют ограниченную полосу пропускаемых частот. Сокращение спектра осуществляется исходя из допустимых искажений сигнала. Например, при телефонной связи требуется, чтобы речь была разборчива и чтобы корреспонденты могли узнать друг друга по голосу. Для выполнения этих условий достаточно передать речевой сигнал в полосе от 300 до 3400 Гц. Передача более широкого спектра речи в этом случае нецелесообразна, так как ведет к техническим усложнениям и увеличению затрат. Аналогично необходимая ширина спектра телевизионного сигнала определяется требуемой четкостью изображения. При стандарте в 625 строк, который принят в Советском Союзе, верхняя частота сигнала достигает 6 МГц. Спектр сигнала изображения много шире спектра сигнала звукового сопровождения. Это существенно усложняет построение систем телевизионного вещания по сравнению с системами звукового вещания. Ширина спектра телеграфного сигнала зависит от скорости передачи и обычно принимается равной Fc≈1,5v, где v — скорость телеграфирования в бодах, т. е. число символов, передаваемых в секунду. Так, при телетайпной передаче v = 50 Бод и Fc≈75 Гц.
Спектр модулированного сигнала обычно шире спектра передаваемого сообщения (первичного сигнала) и зависит от вида модуляции. Можно ввести более общую и наглядную характеристику — объем сигнала:
Объем сигнала Vc дает общее представление о возможностях данного множества сигналов как переносчиков сообщений. Чем больше объем сигнала, тем больше информации можно «вложить» в этот объем и тем труднее передать такой сигнал по каналу связи. Информационный смысл объема сигнала рассмотрен в гл. 4.
Источник
