Почему аналоговая технология все еще жива в цифровом мире? Аналоговый и цифровой сигнал. Типы сигналов и как это действует

Лекция 4. Методы сетевой коммуникации.

Методы сетевой коммуникации

Сигналы

Как упоминалось раньше, существует много способов физического создания и пе­редачи сигнала электрические импульсы могут проходить по медному проводу, им­пульсы света - по стеклянному или пластмассовому волокну, радиосигналы переда­ются по воздуху, так же передаются и лазерные импульсы в инфракрасном, или ви­димом диапазоне Преобразование единиц и нулей, представляющих данные в компьютере, в импульсы энергии называется кодированием (модуляцией).

Подобно классификации компьютерных сетей, сигналы можно классифицировать на основе их различных характеристик. Сигналы бывают следующие:

аналоговые и цифровые,

смодулированные и модулированные,

синхронные и асинхронные,

симплексные, полудуплексные, дуплексные и мультиплексные

Аналоговые и цифровые сигналы

В зависимости от формы электрического напряжения (которую можно увидеть на экране осциллографа), сигналы делятся на аналоговые и цифровые Скорее всего, вы Уже знакомы с этими терминами, так как они довольно часто встречаются в докумен­тации различного электронного оборудования, например магнитофонов, телевизоров, телефонов и т.д.

В некотором смысле аналоговое оборудование представляет уходящую эпоху элек­тронной техники, а цифровое - новейшую, приходящую ей на смену. Однако следует помнить, что один тип сигналов не может быть лучше другого. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, а также свои области применения. Хотя цифровые сигналы используются все более широко, они никогда не вытеснят аналоговых.

Параметры аналоговых сигналов

Аналоговые сигналы плавно и непрерывно изменяются во времени, поэтому их можно графически представить в виде плавной кривой (рис. 4.1).

В природе подавляющее большинство процессов принципиально аналоговые. На­пример, звук - это изменение давления воздуха, которое с помощью микрофона можно преобразовать в электрическое напряжение. Подавая это напряжение на вход осциллографа, можно увидеть график, аналогичный приведенному на рис. 4.1, т.е. можно проследить, как изменяется давление воздуха во времени.

Чтобы нагляднее представить себе аналоговую информацию, вспомните традиционный спидометр в автомобиле. Когда скорость автомобиля увеличивается, стрелка плавно прохо­дит по шкале от одного числа к другому. Еще один пример - настройка на станцию в ра­диоприемнике: при повороте ручки принимаемая частота плавно изменяется.

Большинство аналоговых сигналов имеют циклический, или периодический харак­тер, например радиоволны, представляющие собой колебания электромагнитного по­ля с высокой частотой. Такие циклические аналоговые сигналы принято характеризо­вать тремя параметрами.

Амплитуда. Максимальное или минимальное значение сигнала, т.е. высота волны.

Частота. Количество циклических изменений сигнала в секунду. Частота изме­ряется в герцах (Гц); 1 Гц - это один цикл в секунду.

Фаза. Положение волны относительно другой волны или относительно некото­рого момента времени, служащего началом отсчета. Фазу принято измерять в градусах, причем считается, что полный цикл равен 360 градусам.

Параметры цифровых сигналов

Другое название цифровых сигналов - дискретные Довольно часто встречается термин дискретные состояния Цифровые сигналы изменяются от одного дискретного состояния к другому почти мгновенно, не останавливаясь в промежуточных состояниях (рис. 4.2).

Примером цифрового сигнала могут служить показания новейшего цифрового спидометра в автомобиле (сравните с примером аналогового спидометра в предыду­щем разделе). Когда скорость автомобиля увеличивается, цифры, показывающие зна­чение скорости в километрах в час, переключаются скачками, причем величина сиг­нала принципиально дискретна: например, между дискретными состояниями "125 км/ч" и "126 км/ч" нет промежуточных значений. Другой пример цифровой ин­формации - новейший радиоприемник, в котором для настройки на определенную станцию пользователь вводит точное число, равное частоте радиостанции.

Сравнение аналоговых и цифровых сигналов

Компьютеры являются цифровыми машинами. Обрабатываемая ими информация представлена нулями и единицами. Двоичная цифра равна или 0, или 1, причем меж­ду ними или за их пределами нет ничего. Благодаря такой четкой определенности цифровые сигналы очень удобны для представления и передачи компьютерных дан­ных, поэтому они используются в подавляющем большинстве сетей.

Благодаря простоте технологии цифровые сигналы имеют ряд преимуществ:

Цифровое оборудование в общем случае дешевле аналогового.

Цифровые сигналы менее чувствительны к помехам.

Тем не менее и аналоговые сигналы имеют некоторые преимущества:

Их легко мультиплексировать, т.е. передавать большое количество сигналов по одному каналу.

Они меньше подвержены затуханию (ослаблению сигнала с увеличением рас­стояния), поэтому при той же мощности передающего устройства их можно пе­редавать на большее расстояние.

В общем случае полезными являются как аналоговые, так и цифровые сигналы. Однако в компьютерных сетях цифровые сигналы позволяют достичь большего уровня безопасности, пропускной способности и надежности. Кроме того, цифровые линии значительно меньше подвержены ошибкам, чем аналоговые.

Локальные сети практически всегда основаны на передаче цифровых сигналов по кабелю. Аналоговые сигналы используются в некоторых глобальных сетях.

Модулированные и немодулированные сигналы

Важной характеристикой метода передачи является пропускная способность кана­ла, непосредственно связанная с модулированием сигнала. Цифровой сигнал называ­ется немодулированнымесли переходы из одного дискретного состояния в другое представляют собой скачки напряжения в кабеле или другом носителе. В то же время в модулированном сигнале переход между дискретными состояниями - это изменение амплитуды так называемого несущего сигнала, представляющего собой высокочастот­ные колебания напряжения.

Немодулированный сигнал занимает весь канал связи. Кроме него, по каналу свя­зи нельзя передать больше ничего. Примером немодулированных сигналов являются сигналы в кабеле Ethernet.

Если используется модулирование, то по одному каналу можно передать несколько цифровых сигналов на разных несущих частотах. Кроме того, на разных несущих час­тотах можно передавать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Примером может служить система кабельного телевидения, в которой один кабель обслуживает десятки телевизионных каналов, по каждому из которых идут разные передачи.

Немодулированные сигналы

Немодулированные сигналы довольно просты: по кабелю в один момент времени передается только один сигнал. Немодулированным чаще всего является цифровой сигнал, хотя может быть и аналоговый.

В компьютерной и коммуникационной технике применяются главным образом немодулированные цифровые сигналы. Например, компьютер обменивается смоду­лированными цифровыми сигналами с мониторами, принтерами, клавиатурой и т.д. Примером применения модулированных цифровых сигналов является система ISDN (Integrated Services Digital Network), в которой многие сигналы передаются на разде­ленных каналах по одному кабелю. Немодулированные сигналы могут передаваться в двух направлениях, т.е. на каждом конце кабеля можно установить как передатчик, так и приемник, работающие одновременно.

Модулированные сигналы

С помощью модулированных сигналов можно организовать несколько каналов связи по одному кабелю, при этом каждый канал связи может работать на своей не­сущей частоте, не мешая другим каналам.

Модулированные сигналы являются однонаправленными. Это значит, что сигнал передается только в одном направлении: на одном конце кабеля установлен передатчик, а на другом - приемник. Однако на одном кабеле могут одновременно работать несколько каналов в разных направлениях.

Кроме кабельного телевидения, модулированные сигналы используются в системе DSL (Digital Subscriber Line), в которой данные и голос передаются одновременно по одной и той же линии, возможно через спутник или посредством радиоволн.

Для размещения на одной линии нескольких каналов связи используются методы мультиплексирования.

Мультиплексирование

Мультиплексированием называется одновременная передача многих сигналов по одной линии. На принимающей стороне мультиплексированные сигналы вос­станавливаются, т.е. отделяются друг от друга. Вернемся к примеру с кабельным телевидением. В телевизор встроено устройство декодирования сигналов, которое выделяет один канал и отбрасывает остальные. Благодаря этому зритель может выбрать желаемую программу.

Во многих литературных источниках о методах мультиплексирования говорит­ся только применительно к аналоговым сигналам, однако мультиплексировать можно и цифровые сигналы. Применяются следующие основные методы мульти­плексирования:

частотное разделение каналов (Frequency Division Method - FDM);

временное разделение каналов (Time Division Method - TDM);

по длине волны высокой плотности (Dense Wavelength Division Multiplexing - DWDM).

Частотное разделение каналов

При частотном разделении каналов, занимающих одну и ту же линию, каждый ка­нал работает на своей частоте (рис. 4.3). Обычно этим методом мультиплексируются аналоговые сигналы. Чтобы при частотном разделении каналов была возможна дву­сторонняя коммуникация, необходимо установить на каждой стороне как мультиплексор, так и демультиплексор.

Временное разделение каналов

Обычно этот метод используется для мультиплексирования цифровых сигна­лов. При временном разделении каждому каналу выделяются свои промежутки времени. На принимающем конце сигналы разных каналов отделяются демульти- плексором (рис. 4.4).

Мультиплексирование по длине волны высокой плотности

Этот метод мультиплексирования используется при передаче сигналов по волокон­но-оптическим кабелям. Сигналы каждого канала передаются световым лучом со сво­ей длиной волны. Физически этот метод совпадает с частотным разделением каналов, так как длина волны светового луча однозначно связана с его частотой. Однако отли­чия аппаратных реализаций этих методов настолько велики, что они все же рассмат­риваются как отдельные методы Как показано на рис. 4.5, по одному оптическому волокну могут одновременно передаваться различные данные, причем разными мето­дами (например, SONET и ATM).

Асинхронная и синхронная передача

Данные, заложенные в цифровом сигнале, фактически представлены изменениями дискретных состояний сигнала. Можно восстановить наши исходные нули и едини­цы, измеряя напряжение вольтметром в определенные моменты времени. Однако нужно точно знать, в какие именно моменты времени следует выполнять измерения. Синхронизация, т.е. согласование по времени, в коммуникационных технологиях не менее важна, чем во всех других областях нашей жизни.

В сетевых технологиях такое согласование по времени называется битовой синхро­низацией. Электронные устройства синхронизируют отдельные биты с помощью асин­хронного или синхронного методов.

Асинхронная передача

В этом методе для синхронизации используется стартовый бит, расположенный в начале каждого сообщения. Когда стартовый бит попадает в принимающее устройство, оно в этот момент синхронизирует свои внутренние часы с часами передающего устройства.

Синхронная передача

При синхронной передаче внутренние часы передающего и принимающего уст­ройств координируются встроенными механизмами. Например, информация о време­ни может быть встроена в сигналы данных. Такой метод называется синхронизацией с гарантированным изменением состояний. Среди синхронных методов это наиболее рас­пространенный.

Другой синхронный метод - синхронизация с помощью отдельного временного сигнала, в котором информация о времени передается между передатчиком и прием­ником по отдельному каналу. Еще один синхронный метод - стробирование. В этом случае синхронизация выполняется с помощью специальных строб-импульсов.

Симплексный, полудуплексный и дуплексный методы передачи

Каналы, по которым передаются сигналы данных, могут работать в одном из трех режимов: симплексном, полудуплексном и дуплексном. Отличаются эти методы направ­лениями, в которых передаются сигналы

Симплексная передача

Как видно из названия, это самый простой метод передачи. Иногда его называют однонаправленным, потому что сигналы проходят только в одном направлении, как ав­томобили по улице с односторонним движением (рис. 4.6).

Примером симплексной коммуникации может служить телевидение. Данные (телевизионные программы) передаются на телевизор. От телевизора обратно в сту­дию или в кабельную компанию никакие сигналы не передаются. Поэтому в состав телевизора входит только приемник сигналов, но не передатчик.

В настоящее время все большее распространение получают системы интерактив­ного телевидения, позволяющие передавать сигналы не только из студии к телевизо­ру, но и в обратном направлении. Однако кабельное оборудование большинства ком­паний по-прежнему поддерживает только симплексную передачу. Это создало серьез­ную проблему при появлении сети Internet. Существующая кабельная система оказалась способной передавать данные только в одном направлении, к пользователю.

Этот недостаток делает невозможным, например, доступ пользователя к Web-страницам, потому что броузер пользователя должен передать на Web-узел свой за­прос. Кабельные компании предлагают два способа решения этой проблемы:

передавать запросы пользователей (которые всегда намного короче, чем Web- страницы) по телефонным линиям, а Web-страницы - по телевизионным кабелям;

установить новое кабельное оборудование с двусторонней передачей.

Большинство компаний использовали первый способ как временную альтернативу второго, более совершенного. Если оставить кабельную систему передачи симплекс­ной, то пользователю придется нести расходы только на покупку кабельного и теле­фонного модемов (с пропускной способностью последнего не более 56 Кбит/с.) При этом ресурсы высокоскоростного кабельного канала будут использоваться полностью.

Многие кабельные компании сразу модернизируют свое оборудование для под­держки двусторонней коммуникации, в то время как другие все еще предоставляют только одностороннюю передачу данных Internet по телевизионному кабелю. В этих районах клиенты вынуждены использовать как кабельные, так и аналоговые модемы, подключенные к телефонной линии.

Полудуплексная передача

По сравнению с симплексной преимущества полудуплексной передачи очевидны: сигналы могут передаваться в обоих направлениях. Однако, к сожалению, эта дорога недостаточно широка, чтобы сигналы проходили в обоих направлениях одновременно. В полудуплексном методе в каждый момент времени сигналы передаются только в одном направлении (рис. 4.7).

Полудуплексный метод используется во многих системах радиосвязи, например, в уст­ройствах связи в полицейских автомобилях. В этих системах при нажатой кнопке микро­фона можно говорить, но услышать что-либо нельзя. Если пользователи нажмут кнопки микрофонов в обоих концах одновременно, то ни один из них ничего не услышит.

Дуплексная передача

Работа дуплексной системы коммуникации похожа на улицу с двусторонним дви­жением: автомобили могут двигаться в обоих направлениях одновременно (рис. 4.8).

Примером дуплексной коммуникации является обычный телефонный разговор. Оба абонента могут говорить одновременно, при этом каждый из них слышит, что го­ворит другой на другом конце линии (правда, при этом не всегда можно разобрать, что было сказано).

Проблемы, возникающие при передаче сигналов

Сигналы, с помощью которых сообщаются компьютеры, подвержены различным помехам и ограничениям. Разные типы кабелей и методы передачи обладают разной чувствительностью к помехам.

Электромагнитные помехи

Электромагнитные помехи представляют собой вторжение постороннего электро­магнитного сигнала, нарушающего форму полезного сигнала. Когда в полезный сиг­нал добавляются внешние помехи, принимающий компьютер не может правильно интерпретировать сигнал.

Представьте себе, что вы проезжаете в автомобиле рядом с мощной промышлен­ной установкой и слушаете в это время радио. Чистый и разборчивый сигнал вдруг покрывается шумом и треском. Это происходит потому, что к сигналу радиостанции Добавляются сильные сигналы, создаваемые установкой, которая расположена ближе, чем радиостанция. Поэтому электромагнитные помехи иногда называют шумами

Довольно часто помехи поступают из неизвестного источника. Существует множество Устройств, в которых электрические сигналы не выполняют информационные функции, а являются побочным продуктом различных производственных процессов. Создаваемые ими помехи могут распространяться на расстояние вплоть до нескольких километров.

Электромагнитные помехи порождают проблемы не только в компьютерных коммуни­кационных технологиях. В городах есть много устройств, передающих и принимающих электромагнитные сигналы: мобильные телефоны, средства радиосвязи, телевизионные передатчики и приемники. Электромагнитные помехи могут стать причиной многих не­приятностей, таких как плохое телевизионное изображение, крушение самолета вследствие нарушения связи с диспетчером, смерть пациента из-за нарушения работы медицинского оборудования и т.д. Существуют также долговременные побочные эффекты электромаг­нитного излучения, например рак или лейкемия могут быть вызваны длительным пребы­ванием человека рядом с мощным источником электромагнитных полей.

В коммуникационных технологиях особенно чувствительны к электромагнитным помехам неэкранированные медные провода. Металлическая внешняя оболочка коак­сиальных кабелей в значительной степени защищает их от помех. Эту же функцию выполняет металлическая оболочка экранированной витой пары. Неэкранированная витая пара довольно сильно подвержена помехам. Совершенно нечувствительны к электромагнитным помехам волоконно-оптические кабели, потому что в них сигна­лами служат не электрические импульсы, а луч света. Поэтому в условиях сильных электромагнитных помех лучше всего работают волоконно-оптические каналы связи.

Радиочастотные помехи

Радиочастотные помехи представляют собой сигналы радиопередатчиков и других устройств, генерирующих сигналы на радиочастотах. К ним относятся также процес­соры и дисплеи компьютеров. Радиочастотным считается электромагнитное излучение на частотах от 10 КГц до 100 ГГц. Излучение на частотах от 2 до 10 ГГц называется также микроволновым.

Влияние радиочастотных помех устраняется с помощью помехозащитных фильт­ров, применяемых в различных типах сетей.

Перекрестные помехи

К этому типу помех относятся сигналы проводов, расположенных на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга. Протекающий по проводу электрический ток создает электромагнитное поле, которое генерирует сигналы в другом проводе, распо­ложенном рядом. Довольно часто, разговаривая по телефону, можно услышать при­глушенные разговоры других людей. Причиной этого являются перекрестные помехи.

Перекрестные помехи значительно уменьшаются, если скрутить два провода, как это сделано в витой паре. Чем больше витков приходится на единицу длины, тем меньше влияние помех. Применение волоконно-оптического кабеля полностью уст­раняет эту проблему. Внутри одной оболочки можно расположить сколько угодно оп­тических волокон, и они не будут мешать друг другу, потому что сигналами в них служат не электрические импульсы, а световые лучи.

Затухание сигналов

Проходя по кабелю, электрические сигналы становятся все слабее. Чем больше расстояние до источника, тем слабее сигнал. Это нетрудно представить себе, вообра­зив, будто вы пытаетесь что-то сказать человеку, находящемуся на некотором рас­стоянии от вас. Если до него 5 метров, то он услышит ваш голос (сигнал) четко и громко, однако если до него 50 метров, то он с трудом поймет, о чем вы ему кричите. Такое ослабление сигнала с расстоянием называется затуханием сигнала

Затухание является причиной того, что в спецификациях различных сетевых архи­тектур указывается ограничение на длину кабеля. Если это ограничение соблюдается, то эффект затухания не повлияет на нормальную работу канала связи.

При увеличении частоты затухание увеличивается, потому что, чем выше частота сигнала, тем интенсивнее рассеивание его электромагнитной энергии в окружающее пространство. При увеличении частоты сам провод превращается из носителя сигнала в антенну, рассеивающую его энергию в пространство.

Сигналы в волоконно-оптическом кабеле тоже подвержены затуханию. Две глав­ные причины - поглощение светового луча примесями в стекле и рассеивание луча вследствие небольших изменений оптической плотности стекла, образовавшихся при его производстве. Однако волоконно-оптические кабели могут передавать сигнал на значительно большее расстояние, чем медные кабели, причем без уменьшения его мощности до недопустимого уровня.

Пропускная способность

Пропускная способность канала коммуникации обычно измеряется в мегабитах в секунду (Мбит/с). На пропускную способность влияет тир сигнала, тип среды и рас­стояние, на которое передается сигнал.

Понятия высокой и низкой пропускной способности весьма относительны. Например, пропускная способность Ethernet lOBaseT, равная 10 Мбит/с, кажется очень высокой по сравнению с пропускной способностью телефонного модема (50 Кбит/с), в то же время она кажется удручающе низкой по сравнению Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) или с высокоско­ростными соединениями глобальных сетей, такими как SONET и ATM.

Важным критерием при выборе типа кабеля и архитектуры сети является требую­щаяся (как сейчас, так и в будущем) пропускная способность.

Планирование роста сети

На этапе планирования сети необходимо помнить, что пропускная способность - это такой ресурс, которого всегда оказывается недостаточно. Покупка оборудования с бо­лее высокой пропускной способностью, чем необходимо сейчас, является хорошим вложением капитала: дополнительные затраты обязательно окупятся.

Компьютерные и коммуникационные технологии развиваются быстрыми темпами. В 1980-х годах типичные каналы глобальных сетей имели пропускную способность 10 Кбит/с, а локальных - 2,5 Мбит/с. Тогда никто даже не предполагал, что когда- нибудь понадобится передавать что-нибудь со скоростью, большей 100 Мбит/с Ведь еще не существовали такие технологии, как видеоконференции, передача голоса, или передача больших файлов, которые сейчас широко распространены

Проложить кабель с увеличенной пропускной способностью значительно легче и дешевле, чем потом заменять кабель новым Допустим, вы устанавливаете сеть 10BaseT, для кото- Рои достаточно кабеля категории 3 с пропускной способностью 10 Мбит/с. Купив кабель ка­тегории 3, а не категории 5, вы сэкономите несколько долларов. Однако через несколько лет, когда понадобится модернизировать сеть до 100 Мбит/с (а это случится почти навер­няка), вам придется заменять все кабели. Это обойдется значительно дороже, чем если бы вы сразу купили и установили кабель категории 5.

Методы доступа к сети

Существует несколько раз­личных методов доступа, соответствующих разным архитектурам и топологиям сети. Наибольшее распространение получили следующие методы:

передача маркера (эстафетный доступ);

приоритеты запросов.

Метод CSMA/CD

В настоящее время самый распространенный метод управления доступом в ло­кальную сеть - это CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем носителя и обнаружением конфликтов). Распространенность метода CSMA/CD в значительной степени обусловлена тем, что он используется в наиболее распростра­ненной в настоящее время архитектуре Ethernet.

Это весьма быстродействующий и эффективный метод предоставления доступа к кабелю Ethernet. Чтобы понять, как он работает, рассмотрим отдельно фрагмен­ты его названия.

Контроль носителя. Когда компьютер собирается передать данные в сеть мето­дом CSMA/CD, он должен сначала проверить, передает ли в это время по это­му же кабелю свои данные другой компьютер. Другими словами, проверить со­стояние носителя: занят ли он передачей других данных.

Множественный доступ. Это означает, что несколько компьютеров могут начать передачу данных в сеть одновременно.

Обнаружение конфликтов. Это главная задача метода CSMA/CD. Когда компью­тер готов передавать, он проверяет состояние носителя. Если кабель занят, компьютер не посылает сигналы. Если же компьютер не слышит в кабеле чу­жих сигналов, он начинает передавать. Однако может случиться, что кабель прослушивают два компьютера и, не обнаружив сигналов, начинают передавать оба одновременно. Такое явление называется конфликтом сигналов.

Когда в сетевом кабеле сигналы конфликтуют, пакеты данных разрушаются. Однако еше не все потеряно. В методе CSMA/CD компьютеры ждут на протяжении случайного п- риода временш посылают эти же сигналы повторно. Почему промежуток времени должен быть случайным? Если оба компьютера будут ждать некоторое фиксированное количество миллисекунд, то их времена ожидания могут совпасть и все повторится сначала. Компью­тер, который первым повторяет передачу пакета (у которого случайный период времени оказался меньшим), как бы "выигрывает" доступ к сети в рулетку.

Вероятность конфликтов невелика, так как они происходят, только если совпадают на­чала пакетов, т.е. весьма короткие отрезки времени. Поскольку сигналы передаются с вы­сокой скоростью (в Ethernet - 10 или 100 Мбит/с), производительность остается высокой.

Реализация метода CSMA/CD определяется спецификациями IEEE 802.3.

Метод CSMA/CA

Название метода расшифровывается как Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (множественный доступ с контролем носителя и предотвращением конфликтов).

CSMA/CA - более "недоверчивый" метод. Если компьютер не находит в кабе­ле других сигналов, он не делает вывод, что путь свободен и можно отправлять свои дра­гоценные данные. Вместо этого компьютер сначала посылает сигнал запроса на переда­чу - RTS (Request to Send). Этим он объявляет другим компьютерам, что намерен начать передачу данных. Если другой компьютер сделает то же самое в тот же момент времени, то произойдет конфликт сигналов, а не пакетов данных. Таким образом, пакеты данных никогда не смогут конфликтовать. Это называется предотвращением конфликтов.

На первый взгляд, метод с предотвращением конфликтов значительно совершеннее, чем с обнаружением. Однако его производительность ниже из-за того, что дополнительно к данным приходится посылать сигналы KTS, подавляющее большинство которых не нужны. Фактически количество поступающих на кабель сигналов почти удваивается.

Метод CSMA/CA используется в сетях AppleTalk.

Передача маркера

Существует ли метод доступа, работающий вообще без конфликтов сигналов? Та­кой метод существует: это метод с передачей маркера.

Метод с передачей маркера неконкурентный В нем два компьютера не могут начать пе­редавать сигнал одновременно. Работа метода похожа на семинар, участник которого не может начать говорить, пока ему не предоставлено слово. Аналогично этому, компьютер в сети с передачей маркера не передает сигнал, пока маркер не перейдет к нему.

Мы живём в эпоху бурной эволюции аналоговых технологий в цифровые. Тем не менее, многие устройства по-прежнему остаются аналоговыми, не спеша переходить на новую ступень развития техники. Более того, бытовые приборы нередко совмещают в себе обе технологии. Попытаемся разобраться, какова разница между аналоговым и цифровым, в чём их преимущества и недостатки.

Естественно, разговор пойдёт с точки зрения обычного пользователя, без заумных терминов и с уклоном на практическое применение в повседневной жизни.

Суть аналоговых технологий

В двадцатом веке, ближе к его середине, появились аналоговые компьютеры - вычислительные устройства. Всяческая информация в них выражалась и обрабатывалась в виде разницы в напряжении сигнала. Причём, даже при обработке числовых данных и совершении подсчётов.

На выходе могли быть графики, различные синусоиды, управляющие сигналы для механизмов и прочие полезности для производственного процесса. Предположим, везде расставили датчики. Изменилось где-то напряжение - и аналоговый компьютер тут же отреагировал, включил что надо (или выключил).

Суть аналоговой технологии в том, что информация не трансформируется в цифровую. Электрический импульс остаётся самим собой, со всеми своими параметрами, даже если чем-то измеряется и что-то означает. Кроме того, сигналы могут варьироваться как угодно, в зависимости от особенностей устройств.

Суть цифровых технологий

Первый прототип цифровой передачи данных - азбука Морзе. Буквы кодируются комбинациями коротких сигналов («точек»), длинных («тире») и разделяющих пауз (тишины) между ними. Неважно, каков уровень сигнала, каково его напряжение и частота, ведь есть только три компонента, передающие информацию.

Теперь представьте себе, что количество компонентов сокращено до двух: «сигнал и тишина». Наличие сигнала - единица, отсутствие - ноль. Параметры тоже не имеют значения.

Так вот, нули и единицы - это биты. Их последовательности объединяются в группы по восемь штук - байты. Ну и, конечно, килобайты, мегабайты, гигабайты.

Работа аналогового устройства

Возьмём, к примеру, звук. Сигнал с микрофона записывается на магнитную ленту в исходном виде. То есть, со всеми частотами, поступающими по проводу. Затем магнитофон (старинный аппарат для воспроизведения звука) считывает записанное с ленты, усиливает и отправляет в динамики, откуда мы всё слышим.

Или же звук транслируется в эфир. Антенна ловит радиоволну и преобразовывает её в такие же электрические сигналы, которые поступали на микрофон. Ну и мембраны динамиков работают точно так же, как в магнитофоне: колеблются под воздействием тока, передающего звуковые частоты.

Другой способ аналоговой записи - виниловые пластинки, большие такие диски, обычно чёрные. На них вырезаются тонкие дорожки, а считывающая игла потом колеблется именно с такими частотами, которые были у исходного звука. Колебания преобразуются в электрические, усиливаются и отправляются, как нетрудно догадаться, на динамики.

То есть, сигнал остаётся таким, как был изначально, не кодируется в цифровой вид. К нему добавляются помехи , шипение усилителей, он искажается некачественной магнитной лентой и аппаратурой. Лента постепенно размагничивается (особенно если эксплуатируется часто), а пластинка - изнашивается (ведь по ней ездит игла).

Работа цифрового устройства

Микрофон подключается к преобразователю, который все звуковые частоты кодирует в форму нулей и единиц. Кроме того, эти нули и единицы идут не сплошным потоком, а дискретно, порциями. Например, 44 тысячи раз в секунду (с частотой 44 килогерца), как на музыкальном компакт-диске.

Кроме того, чем больше нулей и единиц (килобит) используется для одной секунды, тем выше качество звука (тем полнее, адекватнее его описание в цифровой форме).

Оцифрованный звук копируется на CD, транслируется в сети интернет-радиостанциями , распространяется в виде файлов . В общем, тем или иным образом поступает в устройство, способное его воспроизвести.

При воспроизведении нет ни шума магнитной плёнки, ни треска от царапин на виниловой пластинке, потому что обрабатываются только последовательности нулей и единиц.

Однако для того, чтобы из динамиков что-либо зазвучало, на них необходимо подать аналоговый сигнал. То есть, звук, описанный не нулями и единицами, а частотами электрических колебаний.

Предыдущие публикации:

Сигналами называют информационные коды, которые применяются людьми для того, чтобы передавать сообщения в информационной системе. Сигнал может подаваться, но его получение не обязательно. Тогда как сообщением можно считать только такой сигнал (или совокупность сигналов), который был принят и декодирован получателем (аналоговый и цифровой сигнал).

Одними из первых методов передачи информации без участия людей или других живых существ были сигнальные костры. При возникновении опасности последовательно разводились костры от одного поста к другому. Далее мы будем рассматривать способ передачи информации при помощи электромагнитных сигналов и подробно остановимся на рассмотрении темы аналоговый и цифровой сигнал .

Любой сигнал может быть представлен в виде функции, которая описывает изменения его характеристик. Такое представление удобно для изучения устройств и систем радиотехники. Помимо сигнала в радиотехнике есть еще шум, который является его альтернативой. Шум не несет полезной информации и искажает сигнал, взаимодействуя с ним.

Само понятие дает возможность отвлечься от конкретных физических величин при рассмотрении явлений, связанных с кодированием и декодированием информации. Математическая модель сигнала в исследованиях позволяет опираться на параметры функции времени.

Типы сигналов

Сигналы по физической среде носителя информации делятся на электрические, оптические, акустические и электромагнитные.

По методу задания сигнал может быть регулярным и нерегулярным. Регулярный сигнал представляется детерминированной функцией времени. Нерегулярный сигнал в радиотехнике представлен хаотической функцией времени и анализируется вероятностным подходом.

Сигналы в зависимости от функции, которая описывает их параметры могут быть аналоговыми и дискретными. Дискретный сигнал, который был подвергнут квантованию называется цифровым сигналом.

Обработка сигнала

Аналоговый и цифровой сигнал обрабатывается и направлен на то, чтобы передать и получить информацию, закодированную в сигнале. После извлечения информации ее можно применять в разных целях. В частных случаях информация подвергается форматированию.

Аналоговые сигналы подвергаются усилению, фильтрации, модуляции и демодуляции. Цифровые же помимо этого еще могут подвергаться сжатию, обнаружению и др.

Аналоговый сигнал

Наши органы чувств воспринимают всю поступающую в них информацию в аналоговом виде. К примеру, если мы видим проезжающий мимо автомобиль, мы видим его движение непрерывно. Если бы наш мозг мог получать информацию о его положении раз в 10 секунд, люди бы постоянно попадали под колеса. Но мы можем оценивать расстояние куда быстрее и это расстояние в каждый момент времени четко определено.

Абсолютно то же самое происходит и с другой информацией, мы можем оценивать громкость в любой момент, чувствовать какое давление наши пальцы оказывают на предметы и т.п. Иными словами, практически вся информация, которая может возникать в природе имеет аналоговый вид. Передавать подобную информацию проще всего аналоговыми сигналами, которые являются непрерывными и определены в любой момент времени.

Чтобы понять, как выглядит аналоговый электрический сигнал, можно представить себе график, на котором будет отображена амплитуда по вертикальной оси и время по горизонтальной оси. Если мы, к примеру, замеряем изменение температуры, то на графике появится непрерывная линия, отображающая ее значение в каждый момент времени. Чтобы передать такой сигнал с помощью электрического тока, нам надо сопоставить значение температуры со значением напряжения. Так, например, 35.342 градуса по Цельсию могут быть закодированы как напряжение 3.5342 В.

Аналоговые сигналы раньше использовались во всех видах связи. Чтобы избежать помех такой сигнал нужно усиливать. Чем выше уровень шума, то есть помех, тем сильнее надо усиливать сигнал, чтобы его можно было принять без искажения. Такой метод обработки сигнала затрачивает много энергии на выделение тепла. При этом усиленный сигнал может сам стать причиной помех для других каналов связи.

Сейчас аналоговые сигналы еще применяются в телевидении и радио, для преобразования входного сигнала в микрофонах. Но, в целом, этот тип сигнала повсеместно вытеснен или вытесняется цифровыми сигналами.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал представлен последовательностью цифровых значений. Чаще всего сейчас применяются двоичные цифровые сигналы, так как они используются в двоичной электронике и легче кодируются.

В отличие от предыдущего типа сигнала цифровой сигнал имеет два значения «1» и «0». Если мы вспомним наш пример с измерением температуры, то тут сигнал будет сформирован иначе. Если напряжение, которое подается аналоговым сигналом соответствует значению измеряемой температуры, то в цифровом сигнале для каждого значения температуры будет подаваться определенное количество импульсов напряжения. Сам импульс напряжения тут будет равен «1», а отсутствие напряжения – «0». Приемная аппаратура будет декодировать импульсы и восстановит исходные данные.

Представив, как будет выглядеть цифровой сигнал на графике, мы увидим, что переход от нулевого значения к максимальному производится резко. Именно эта особенность позволяет принимающей аппаратуре более четко «видеть» сигнал. Если возникают какие-либо помехи, приемнику проще декодировать сигнал, нежели чем при аналоговой передаче.

Однако цифровой сигнал с очень большим уровнем шума восстановить невозможно, тогда как из аналогового типа при большом искажении еще есть возможность «выудить» информацию. Это связано с эффектом обрыва. Суть эффекта в том, что цифровые сигналы могут передаваться на определенные расстояния, а затем просто обрываются. Этот эффект возникает повсеместно и решается простой регенерацией сигнала. Там, где сигнал обрывается, нужно вставить повторитель или уменьшить длину линии связи. Повторитель не усиливает сигнал, а распознает его изначальный вид и выдает его точную копию и может использоваться сколь угодно в цепи. Такие способы повторения сигнала активно применяются в сетевых технологиях.

Помимо всего прочего аналоговый и цифровой сигнал различается и возможность кодирования и шифрования информации. Это является одной из причин перехода мобильной связи на «цифру».

Аналоговый и цифровой сигнал и цифро-аналоговое преобразования

Следует еще немного рассказать о том, как аналоговая информация передается по цифровым каналам связи. Вновь прибегнем к примерам. Как уже говорилось звук – это аналоговый сигнал.

Что происходит в мобильных телефонах, которые передают информацию по цифровым каналам

Звук, попадая в микрофон подвергается аналого-цифровому преобразованию (АЦП). Этот процесс состоит из 3 ступеней. Берутся отдельные значения сигнала через одинаковые отрезки времени, этот процесс называется дискретизация. По теореме Котельникова о пропускной способности каналов, частота взятия этих значений должна быть вдвое выше, чем самая высокая частота сигнала. То есть, если в нашем канале стоит ограничение на частоту в 4 кГц, то частота дискретизации будет составлять 8 кГц. Далее все выбранные значения сигнала округляются или, иначе говоря, квантуются. Чем больше уровней при этом будет создано, тем выше будет точность восстановленного сигнала на приемнике. Затем все значения преобразуются в двоичный код, который передается на базовую станцию и затем доходит до другого абонента, являющегося приемником. В телефоне приемника происходит процедура цифро-аналогового преобразования (ЦАП). Это обратная процедура, цель которой на выходе получить сигнал как можно более идентичный исходному. Далее уже аналоговый сигнал выходит в виде звука из динамика телефона.

Аналоговым называется сигнал, изменяющийся непрерывно. Самым распространенным является изменение во времени. На уровне макромира все сигналы об окружающем мире имеет аналоговый характер и именно в аналоговой форме они фиксируются соответствующими датчиками и преобразуются в сигналы другой природы, чаще всего в электрические. (Правда, из школьного курса известно, что в атомах все переходы происходят скачком, квантовано, но отдельные атомы к нашему рассмотрению не относятся).

В компьютере мы имеем дело с двоичным цифровым сигналом, который принимает только два дискретных значения, одному значению приписывается 0, а другому 1 .

В процессоре и оперативной памяти это соответствует наличию или отсутствию электрического заряда в элементарной ячейке памяти (или, что то же самое, наличию или отсутствию напряжения). Кстати, в компьютерах сигналу, где есть напряжение, приписывается значение 0, а отсутствие напряжение – это сигнал 1. Хотя на первый взгляд логичнее было бы наоборот.

На жестком диске 0 отвечает намагниченность участка диска в одну сторону, а 1 – в противоположную. На компакт дисках двоичный код вводится штамповкой углублений в пластмассе, а на записывающих дисках CD-R и CD-RW двоичный код образуется за счет потемнения информационного слоя под лучом лазера. А самая первая запись двоичного кода осуществлялась пробиванием отверстий в картоне. Есть отверстие – это 0 гладкая бумага – это 1.

То есть неважно, каким образом создается двоичный сигнал, лишь бы получилось два хорошо отличающихся друг от друга уровня.

Двоичный цифровой сигнал в природе не встречается, он создается человеком. Человеку удобно работать с информацией, записанной в цифровой форме. Можно сказать, что мы присутствуем при создании человечеством своей собственной цифровой Вселенной. Человеческое общество создало множество дискретных вещей. Например, текст – он состоит из отдельных дискретных букв, и никакой непрерывности здесь нет. Для текста и других дискретных материалов, созданных человеком, цифровые компьютерные технологии лучше подходят, чем аналоговые.

Если сравнить цифровую и аналоговую электронику, то цифровые устройства обработки видео и звука – это всегда аппаратура более высокого класса, чем аналоговые устройства. Цифровая техника становится все более качественной и престижной.

По сравнению с аналоговым, цифровой сигнал имеет два плюса и один минус. Рассмотрим их по порядку.

1. С помощью аналогового сигнала в принципе нельзя передать информацию без искажений, цифровой сигнал позволяет передать информацию полностью без искажений.

Почему так происходит? В ходе передачи в линии связи всегда возникают какие-то помехи, искажающие передаваемый сигнал (пунктирные линии на рисунке). Не возникает помех только в идеальном случае, который, как всякий идеал, недостижим. А приемник не может восстановить исходный сигнал, поскольку информацией об исходном сигнале владеет только передатчик.

Совершенно другая ситуация наблюдается с цифровым сигналом. Здесь тоже при передаче возникают помехи – куда же от них денешься (пунктирные линии на рисунке). Но на приеме стоит задача распознать каждый сигнал как 0 или 1 – середины нет. И если все 0 и 1 распознаны правильно, то это значит, что информация передана без искажений.

Помехи могут возникать не только при передаче информации на большие расстояния. Внутри какого-нибудь устройства (телевизор, компьютер и пр.) тоже могут возникать сильные наводки и помехи.

Из сказанного следует два важных вывода.

а) Цифровая техника работает более надежно.

б) Ипульсный (цифровой) способ передачи информации позволяет создать неограниченное число абсолютно идентичных копий.

В аналоговом сигнале каждая стадия копирования будет сопровождаться появлением помех, с ростом стадий последовательного копирования качество сигнала становится все хуже, в конце концов информация совсем перестает читаться.

В цифровом сигнале помехи можно устранить, поскольку известно, что надо устранять – все, что отличается от 0 и 1. И с каждой последующей копии можно делать новую копию, точно так же, как и с оригинала. Правда это достоинство имеет неприятные последствия, поскольку создает почву для пиратства и несанкционированного использования чужой интеллектуальной собственности.

Цифровая электроника в настоящее время все более и более вы-тесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, произво-дящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заяв-ляют о полном переходе на цифровую технологию.

Успехи в технологии производства электронных микросхем обеспечили бурное развитие цифровой техники и устройств. Использование цифровых методов обработки и передачи сигналов позволяет существенно повысить качество линий связи. Цифровые методы обработки и коммутации сигналов в телефонии позволяют в несколько раз сократить массогабаритные характеристики устройств коммутации, повысить надежность связи, ввести дополнительные функциональные возможности.

Появление быстродействующих микропроцессоров, микросхем оперативной памяти больших объемов, малогабаритных устройств хранения информации на жестких носителях больших объемов позволило создать достаточно недорогие универсальные персональные электронные вычислительные машины (компьютеры), нашедшие очень широкое применение в быту и производстве.

Цифровая техника незаменима в системах телесигнализации и телеуправления, применяемых в автоматизированных производствах, управлении удаленными объектами, например, космическими кораблями, газоперекачивающими станциями и т. п. Цифровая техника также заняла прочное место в электро-радиоизмерительных системах. Современные устройства регистрации и воспроизведения сигналов также немыслимы без применения цифровых устройств. Цифровые устройства широко используются для управления в бытовых приборах.

Очень вероятно, что в будущем цифровые устройства займут доминирующее положение на рынке электроники.

Для начала дадим несколько базовых определений .

Сигнал — это любая физическая величина (например, тем-пература, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т. д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению во времени сигнал может нести в себе какую-то ин-формацию.

Электрический сигнал — это электрическая величина (на-пример, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со време-нем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя в последнее время все больше используются световые сигналы, которые представляют собой изменяющуюся во времени интенсивность света.

Аналоговый сигнал — это сигнал, который может прини-мать любые значения в определенных пределах (например, на-пряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до деся-ти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сиг-налами, называются аналоговыми устройствами.

Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только два значения (иногда — три значения). Причем разреше-ны некоторые отклонения от этих значений (рис. 1.1). Напри-мер, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называ-ются цифровыми устройствами.

В природе практически все сигналы аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в некоторых пределах. Именно поэто-му первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, выполняли над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические вели-чины. Например, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха, в более громкий звук.

Рис. 1.1. Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа).

Все операции, производимые электронными устройства-ми над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

Обработка (или преобразование);

Передача;

Хранение.

Во всех этих случаях полезные сигналы искажаются пара-зитными сигналами — шумами, помехами, наводками. Кроме того, при обработке сигналов (например, при усилении, фильт-рации) еще искажается и их форма из-за несовершенст-ва, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослаб-ляются.

Рис. 1.2. Искажение шумами и наводками аналогового сигнала (слева) и циф-рового сигнала (справа).

В случае аналоговых сигналов все это существенно ухуд-шает полезный сигнал, так как все его значения разрешены (рис. 1.2). Поэтому каждое преобразование, каждое промежу-точное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухуд-шает аналоговый сигнал, иногда вплоть до его полного унич-тожения. Надо еще учесть, что все шумы, помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, поэтому точноописать поведение любых аналоговых устройств абсолютно не-возможно. К тому же со временем параметры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому харак-теристики этих устройств не остаются постоянными.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие все-го два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений (рис. 1.2). Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более дли-тельное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и пред-сказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифро-вые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие циф-ровой электроники.

Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней циф-ровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой — в дискретном времени (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому мак-симально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых устройств. Ана-логовые устройства могут работать с более быстро меняющи-мися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть сде-лана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым устройством.

Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый передает информацию еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема по-лезной информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифро-вых сигналов (обычно от 4 до 16).

К тому же, как уже отмечалось, в природе все сигналы ана-логовые, то есть для преобразования их в цифровые сигналы и для обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преоб-разователей). Так что ничто не дается даром, и плата за пре-имущества цифровых устройств может порой оказаться непри-емлемо большой.