нию ко второму, а двоичная "I" имеет обратную полярность по отношению к "О". Дифференциальный порог для приемников установлен на уровне 0.2 В при стимом диапазоне входных напряжений от -7 до +12 В по отношению к "эщ приемника. В этой конфигурации ни один из проводов не находится под потенц„. лом "земли". Перекоммутация контактов генератора или приемника эквивалентн. инверсии значений бит.

Входной импеданс приемника и выходной импеданс передатчика в пассивном со-стоянии измеряется в единицах нагрузки, которые точно определены в стандарте Передатчик должен обеспечивать питание до 32 единиц нагрузки и двух оконечных резисторов при полной эквивалентной нагрузке линии 54 Ом. Передатчик также должен выдерживать мощность, выделяемую при активном состоянии двух утя большего числа передатчиков, часть из которых работает в режиме источника, а часть - в режиме потребления питания.

9.3.8. Оптическая передача данных

Передача сигналов световыми импульсами по оптоволоконному кабелю получила широкое распространение в различных системах связи и измерений. Оптическая среда имеет ряд преимуществ перед электрической, но у нее есть свои проблемы. Интерфейсные устройства для оптического кабеля сложнее и, следовательно, дороже, чем устройства для электрического кабеля. Однако в целом преимущества настолько существенны, что для многих приложений оптическая передача может рассматриваться как наиболее выгодный способ.

Оптоволоконная система есть не просто другой тип среды передачи, а является полной системой связи, состоящей из собственно оптоволоконного кабеля, генератора сигналов, приемника, оборудования для обработки сигналов на обоих концах кабеля и вспомогательных элементов (рис. 9.10). Различные технические решения для кабе.тя. генератора и приемника позволяют получать системы с разными характеристиками-Ширина полосы пропускания канала и допустимая длина линии определяются затуха нием и спектральной дисперсией оптоволоконного кабеля, выходной мощностью ге ратора и чувствительностью светового датчика на приемном конце. Оптический бель описывается параметром, характеризующим ширину полосы пропускав соответствующее ей максимальное расстояние, которые обратно пропорцион друг другу. Этот параметр измеряется в МГц - км и определяет предел Р.ся ности кабеля. Для любого оптического канала чем больше длина, тем уже ,зг-

полоса пропускания. Поскольку оптоволоконные каналы не зависят о "еоТ" нитных возмущений, шум практически не оказывает никакого влияния (вь ношение 5/7V), и полосу пропускания можно использовать в полном объем •

ввод данных

вывод данных

передатчик

П

оптоволоконный кабель

свето- или фотодиод

лазерный диод

Рис. 9.10. Принцип работы оптоволоконной системы связи

приемник

Q.j.j.i,[4ecKHe проводники представляют из себя очень тонкие (диаметром в доли ,,(етра) и легкие волокна, изготовленные из прозрачного вещества - кварца, яавленого кремния (стекла) или пластмассы. Волокно состоит из сердцевины (core) "pyjHoro слоя, называемого оболочкой (cladding), и защищено пластмассовым эк-ном (sheath). Показатель преломления сердцевины выше, чем показатель прелом-ения наружного слоя, поэтому световые лучи отражаются от оболочки и распространяются по волокну.

Существует три основных вида оптических волокон, различающихся по размеру, щпу материала и показателю преломления сердцевины и оболочки. Простейший тип оптического волокна, назьшаемый многомодовым со скачком показателя преломления (step index multimode), имеет резкую границу между сердцевиной и оболочкой. Это волокно изготавливается из дешевых пластических материалов и имеет большое затухание (порядка 2.5 дБ/км) и высокую спектральную дисперсию. Этот последний фактор важен в связи с тем, что свет источника состоит из волн различной длины, которые распространяются по волокну с разной скоростью. В результате передаваемый импульс ослабляется по мере распространения по волокну и "размывается". Поэтому такой кабель нельзя использовать для передачи сигналов на большие расстояния. Однако низкая стоимость делает его идеальными для применения в локальных сетях. Соотношение полоса пропускания-длина составляет менее 35 МГц-км.

У многомодового волокна с плавным изменением показателя преломления (graded index multimode) граница между сердцевиной и оболочкой размыта для того, чтобы обеспечить различные значения показателя преломления в сердцевине. Такая конструкция снижает влияние спектральной дисперсии и поэтому более эффективна ия передачи на большие расстояния. Типичное значение коэффициента затухания при длине волны 1300 им равно 0.8 дБ/км. Соотношение полоса пропускания - дли-»асоставляет менее 500 МГц-км.

Одномодовое волокно со скачком показателя преломления (step index single llJ имеет очень тонкую сердцевину (диаметром -10 микрон), а характерис-показателя преломления допускают распространение только одной длины вол-тотьГ"" ™ называют одномодовым. Для достижения высокой оптической чис-*»Э(Ьа° волокно изготавливается из кварца. Это обеспечивает низкий „Ффициент затухания - 0.4 дБ/км при длине волны 1300 им и 0.25 дБ/км при отак" " """ широкую полосу пропускания - порядка 10 ГГц-км. Очевидно,

ое оптическое волокно дороже, чем остальные. "Ульс!""" пР<5образующим цифровые электрические сигналы в световые

й ДИо "г """ системе связи является либо светоизлучающий, либо лазер-""Ходну;°"злучающий диод (light-emitting diode - LED) имеет ограниченную "бит/с Д° "Вт; максимальная скорость передачи равна примерно

Ую м дорогие лазерные диоды (laser diode) имеют в 100 раз большую вы-"РДачи" светодиоды, - до 10 мВт - и могут обеспечивать скорость " йажн Гбит/с. Светоизлучающие и лазерные диоды различаются еще од-

Рные твом. Светодиоды генерируют свет в более широкой полосе, чем ""Ыми ~ примерно 30-80 им против 5 им. Поэтому свет, излучаемый ла-

"Том*"" значительно меньше подвержен влиянию спектральной дисперсии

При лазерные диоды используются при передаче на большие расстояния Ч/ оптической системы связи представляет собой фотодиод или фото-ОР, преобразующий световые импульсы в электрические сигналы. Если не-

обходимо обеспечить высокую чувствительность, используются лавинные фотод ды (photoavalanche diode).

Для практического применения были установлены три рабочих диапазона опт волоконной связи при длине волны 850-900, 1300 и 1550 им исходя из сочетани, -нескольких физических факторов, связанных с распространением света и констру, цией оптоэлектронных устройств. Длина волны 1300 им оптимальна с точки зрени, минимизации спектральной дисперсии, а при длине волны 1550 им минимальны оп-тические потери.

Баланс мощности оптоволоконной системы связи можно определить, рассматривая каскад из генератора, оптической линии и приемника. Полное затухание в линии -определяется произведением ее длины на коэффициент затухания. Дополнительно необходимо учесть спектральную дисперсию, которая особенно важна для длинных линий. К затуханию линии добавляется примерно по 1 дБ на каждую точку сварки или соединения. Необходимо предусмотреть также будущие ремонтные работы и еще добавить 3 дБ в качестве запаса прочности. Датчик приемника должен иметь чувствительность, по крайней мере равную мощности передатчика минус полное затухание в линии.

Пример 9.5

Баланс мощности оптоволоконной системы связи

Оптическая линия должна иметь длину 50 км. В качестве среды передачи выбрано многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления и затуханием 0.8 дБ/км при длине волны 1300 им. Полное затухание на всей длине равно 40 дБ. К этому следует добавить 3 дБ на возможные в будущем ремонты и соединения и еще 3 дБ в качестве запаса прочности. Таким образом, полное затухание линии составляет -46 дБ. Для достижения большей полосы пропускания в качестве передатчика выбран лазерный диод, работающий при длине волны 1300 им; его оптическая мощность -4 дБм (т. е. мВт, отнесенные к децибелам). Чувствительность приемника должна быть по меньшей мере -50 дБм (сумма -4 дБм и -46 дБ). В качестве приемника можно использовать GaAs фотодиод с порогом чувствительности -52 дБм. Соотношение полоса про-пускания-длина показывает, что можно обеспечить ширину полосы до Ю М Запас в 2 дБ означает, что если бы линия была хотя бы на 2.5 км длиннее, пр шлось бы использовать другие элементы, чтобы соблюсти баланс мошнос В действительности, при расстояниях более 40 км используется одномод волокно со скачком показателя преломления. ----

Оптическая передача имеет целый ряд преимуществ перед электрическоип р, той паре или коаксиальному кабелю. Основные достоинства и недостатки э соба передачи перечислены ниже.

Достоинства оптической передачи. ers

. Оптическая передача имеет очень большую пропускную способность, о может обеспечить скорость передачи данных более 100 Мбит/с.

пример вблизи электродвигателей или частотных преобразователей, а также в по-лсароопасной среде (вблизи горючих жидкостей и газов).

. Оптические волокна имеют меньшее затухание сигнала на единицу длины, чем электрические провода - при передаче на большие расстояния оптические повторители устанавливают в нескольких десятках километров друг от друга, а усилители для обычного электрического кабеля должны размещаться через каждые 5-10 км.

. Благодаря своему небольшому размеру оптическое волокно очень легкое - один километр оптического волокна без внешней защитной оболочки весит 50 г, витой пары - 10 кг и коаксиального кабеля - 200 кг.

Недостатки оптической передачи.

. Работа по соединению (сварке) нескольких волокон трудоемка и может выполняться только обученным персоналом с помощью специального оборудования, а поврежденный электрический кабель может быстро исправить даже неспециалист. Каждое соединение и сварка оптических волокон обычно добавляют около 1 дБ затухания.

• Оптические линии поддерживают только соединения точка-точка - реализовать конфигурации, в которых один оптический передатчик работает с несколькими приемниками параллельно, очень трудно.

Таким образом, оптические линии связи эффективны при передаче больших объемов данных на значительные (более 1 км) расстояния. В промышленных условиях основное преимущество оптической передачи сигналов - не большая пропускная способность, а помехоустойчивость. Многомодовые волокна со скачком показателя преломления применяются в локальных вычислительных сетях в качестве основной магистрали {backbone) благодаря своей высокой пропускной способности.

93.9. Радиопередача данных

Еще одним физическим носителем для передачи данных являются радиоволны. Передача данных с помощью радиоаппаратуры является реальной альтернативой в тех случа-, когда нельзя установить проводное соединение, например, при связи с подвижными ром ™" случае, когда такое соединение оказывается слишком дорогим. Приме-Дать" служить линии электропередачи или трубопроводы, где необходимо наблю--Иния удаленным на десятки и сотни километров. Если трубопровод или

вязи"" проходит по малонаселенному району, где нет инфраструктуры

. coop ипередача данных по радио может оказаться лучшим решением, сновной вопрос при организации радиопередачи данных: использовать одну

ензи1о°"° радиочастот (для этого чаще всего надо получить ли-

пеим., "Соответствующего государственного органа) или воспользоваться услугами

иализированной компании. "3304?° -У"* передатчик и приемник работают на одной частоте, обычно в диа-зре высоких (30-300 МГц) и сверхвысоких (300 МГц - 3 ГГц) частот. С точ-

"ьзо"" процесса передачи данных передатчик и приемник представляют собой стьп""" интерфейс в форме стандартного коммуникационного порта. Ско-Полг Р*" данных зависит от полосы пропускания, которую можно обеспечить на зуемой радиочастоте. Если доступна только одна частота, для двухсторонней

г . „,pvH0O "ЗИно < г ------------ - - -„.. i.i а, дт дву XL 1 иронией

• Оптическая передача не зависит от магнитных или электрических помел „,1 необходимо использовать полудуплексный режим; для полного дуплексного ре-

.ивает полную изоляцию; это свойство полезно в промышленных услов

стран,

жима требуются две частоты (раздел 9.4.2). В развитых и густонаселенных диодиапазоны заполнены и добиться выделения двух частот сложно.

Некоторые компании, обеспечивающие мобильную телефонную связь пп ляют услуги по передаче данных. Обычно в этом случае передача данных осущ° ется цифровыми пакетами и координируется с остальной нагрузкой сети Обме

ах п..

ными управляется центральной ЭВМ, связанной с главной антенной "j!" несколько пользователей могут совместно использовать ресурсы системыв множественного доступа с разделением времени (раздел 9.4.2). И в этом случае п вательский интерфейс представляет собой стандартный коммуникационный по

В отличие от выделенных частот цифровая пакетная радиосвязь наиболее вь на в городских населенных районах, поскольку в них подобные услуги обычно предо ставляются различными операторами по конкурирующим ценам. Цифровая пакет ная радиосвязь представляет собой разумное рещение для сбора данных в сетях энергоснабжения (электрических и газовых) при отсутствии доступных каналов или для связи между подвижными объектами в зоне действия системы.

9.4. Коммуникационные протоколы 9.4.1. Протоколы канального уровня

Создание работоспособного физического тракта передачи - это первый шаг в построении надежной коммуникационной системы. Второй шаг - гарантировать доставку данных без искажений. Помимо этого при подключении более чем одного передатчика к одному и тому же физическому тракту должен быть упорядочен их доступ к общему каналу. Все эти задачи рассматриваются на канальном уровне модели ВОС.

Физический уровень не обеспечивает защиту данных от помех и восстановление поврежденных данных. Контроль правильности полученных данных осуществляется на уровнях выше физического и, в первую очередь, на канальном. Для этого применяются специальные протоколы и дополнительная информация в пакетах данных.

Существует несколько канальных протоколов, основанных на общих принципах. В этом разделе подробно рассмотрен протокол HDLC (High-Level Data Link Control-высокоуровневое управление каналом передачи данных), поскольку он утверЖД" стандартом ISO и представляет собой основу для других протоколов, используемых в промышленных приложениях.

Из-за того что полоса пропускания конечна, каналы связи следует рассматрйват как ограниченный ресурс, который должен использоваться максимально эффект" но. Если в некоторый момент времени доступ к каналу требуется сразу несколь устройствам, то возникает задача арбитража, как и при доступе к системной (оо шине или к ресурсам ЦП. Во всех случаях применяются похожие принципы.

Канальный уровень обычно делится на два подуровня: MAC (Media Access Con управление доступом к среде) и LLC (Logical Link Control - управление логическим ном данных). Подуровень MAC отвечает за организацию доступа нескольких "Ру чиков к одному ф изическому тракту передачи. Подуровень LLC обеспечивает У" jjy. и поддержку соединения для передачи кадров данных от одного устройства к Р.ру Протоколы подуровня MAC определяются типом применяемого интерфейсного о дования для доступа к среде передачи. В разделе 9.5 эти протоколы рассматривают менительно к локальным вычислительным сетям (ЛВС).

Виртуальные каналы и мультиплексирование

а 4.2-

,более простым способом разделения физического канала между несколькими ус-

ми является мультиплексирование (рис. 9. И ). Мультиплексирование прозрач-"" устройств, которые ничего не знают о деталях работы канала. Каждое устройство виртуальный канал - часть ресурса исходного физического канала.

пользователь.

пользователь 2

общий физический канал

пользователь п

пользователь 1

пользователь 2

пользователь п

Рис. 9.11. Принцип мультиплексирования

Мультиплексирование осуществляется разделением ресурсов канала во времени нлн по частоте. При временном мультиплексировании (Гготе Division Multiplexing - TDM) каждое устройство имеет доступ к каналу только в закрепленные за ним временные интервалы - слоты (рис. 9.12, а). При частотном мультиплексировании (frequency Division Multiplexing - EDM) полоса пропускания канала делится на диапазоны частот, каждый из которых закрепляется за одним виртуальным каналом (рис. 9.12, б). При EDM осуществляется модуляция несущей частоты, которая находится в середине выделенного диапазона. TDM и EDM взаимодополняют друг друга - при использовании TDM доступна вся ширина канала, но только некоторое время, а при EDM устройству постоянно доступна часть полной полосы пропускания.

неограничено

время

частотный диапазон пользователя 1

частотный диапазон пользователя 2

неограничено

частотный диапазон пользователя 3

частотный диапазон пользователя 4

время

Чс. 9.12. Разделение физического канала, а - временное мультиплексирование; ~ частотное мультиплексирование