Введение в новейшие телекоммуникационные технологии

Человечество постоянно стремилось расширить возможности своих органов чувств (каналов коммуникаций с окружающей средой). Так были созданы подзорная труба и микроскоп, термометр и газоанализаторы, высокочувствительные микрофоны и радиолокаторы, а также многое другое. Подзорная труба может рассматриваться как аналоговое однонаправленное телекоммуникационное устройство.

Рассмотрим, какие искусственные каналы коммуникаций создал сам человек за последние тысячелетия своего существования. Представьте себе следующую сцену, возможно имевшую место много столетий тому назад.

На горизонте поднялось легкое облачко, которое начало расти и шириться. Постепенно становилось ясно, что это облако пыли, поднятое множеством лошадиных копыт. На вершине холма дозорные настороженно следили за приближением этого отряда, и когда увидели, что это большой отряд противника, старший дал команду разжигать сигнальный костер. Из небольшого очага, где огонь поддерживался круглые сутки, специальным захватом была извлечена пылающая головня и помещена в основание большого сигнального костра. Сначала огонь разгорался медленно, но уже через несколько минут столб дыма и огонь поднялись на многие метры. Тогда его заметил другой сигнальный отряд, размещенный в нескольких верстах от первого, и там тоже зажгли сигнальный костер.

Такая техника позволяла передать 1 бит информации (логический нуль или логическая единица) на расстояние до 100 км менее чем за один час (время сильно варьировалось в зависимости от рельефа местности и погоды). Скорость такого метода передачи данных в дневное время можно было удвоить, используя черный или белый дым. Костры часто размещались на специально построенных вышках для увеличения расстояния между ними. Естественно, этот метод был ненадежен - проливной дождь или вьюга могли помешать разжечь костер, да и видимость при этом могла оказаться весьма ограниченной.

Альтернативный метод посылки депеши с всадником позволял передать несравненно больший объем информации, но со скоростью, меньшей почти на порядок, - ведь прямых дорог тогда не было, да и водные преграды или горы могли существенно замедлить движение. В море сходный метод, с использованием сигнального масляного фонаря, давал возможность передавать короткие сообщения в пределах прямой видимости для координации действий кораблей.

Но даже такой технологии хватало для длительного существования гигантских государственных образований (от империи Александра Македонского до Римской империи). Именно со скоростью лошади либо деревянного гребного или парусного бескилевого судна передавались сообщения с периферии в центр, а оттуда в обратном направлении посылались руководящие инструкции или решения. Задержка достигала многих месяцев. Удивительно, но этого было вполне достаточно для стабильного существования государства. Вероятно, чиновники были вынуждены обдуманно принимать решения, так как быстро исправить ошибку было нельзя. Решение проблемы здесь лежит в предоставлении определенной самостоятельности властям провинции (приближение центра принятия решения к объекту управления). Еще одним средством решения проблемы большой задержки в цепи принятия решения (RTT, в сетевой терминологии) является выработка набора унифицированных правил реагирования на стандартные ситуации (в случае сетей такие правила называются протоколами). Даже применение самых мощных информационных и телекоммуникационных технологий не позволит эффективно управлять из Москвы автомобилем во Владивостоке.

Когда императоры Римской империи попытались в долговременном плане построить жесткую вертикаль власти, империя распалась сначала на две части, а позднее на большое число независимых государств.

Техника телекоммуникаций с временем RTT (Round Trip Time), равным 2-6 месяцам, просуществовала без существенных изменений более 1500 лет.

Только в XIX веке стали появляться железные дороги, пароходы и, что особенно важно, электрический телеграф и телефон. Связь с применением азбуки Морзе в 1840-х годах позволяла передать до 10 бит/с информации на расстояние десятки и сотни километров. Азбука Морзе, пожалуй, была первым широко распространенным телекоммуникационным кодом (см. таблицу 1.1). Коды здесь представляют собой последовательности точек и тире. Отличие точки от тире определяется длительностью сигнала (точке соответствует более короткий сигнал). Возможны варианты, когда точке и тире соответствуют импульсы тока или напряжения разной полярности. Такая схема исключает зависимость идентификации символа от длительности импульса. Максимальная скорость передачи классического телеграфа может составлять 950-1100 слов в час. В 1884 году начала функционировать телеграфная линия Вашингтон–Балтимор. Для линий связи в ту пору использовалась стальная проволока диаметром ~5 мм. В качестве источников электроэнергии применялись батареи с напряжением 40-120 В. Импульсы тока имели амплитуду 10-25 мА. Сама система являлась электромеханической и предполагала использование контактного ключа (вспомните шпионские фильмы периода Второй мировой войны). Позднее ключ был заменен клавиатурой. Нажатие на определенную клавишу вызывало формирование последовательности сигналов, соответствующей определенной букве, что позволяло в несколько раз ускорить процедуру передачи. Такое устройство, получившее название телетайп, было предложено Кляйшмидтом и Моркрамом в 1915 году в США. На первых порах использовались электромеханические приемные устройства, которые печатали точки и тире, что было крайне неудобно. Позднее стали применяться устройства, которые могли дешифровать коды Морзе (или Бодо) и печатать на ленте буквы. Люди старшего поколения, возможно, еще помнят бланки телеграмм, на которые были наклеены куски ленты с текстом, полученные от таких устройств.

Телекоммуникационный канал содержал два провода (см. рис 1.1), по одному ток течет в одном направлении, по второму - в обратном. Понятно, что железо в качестве проводника не идеально (удельное сопротивление 8,8x10^-6 Ом*см, да и склонность к ржавчине чего стоит), зато дешево. Лучше была бы медь или алюминий (1,56x10^-6 и 2,45x10^-6 Ом*см соответственно). Еще лучше серебро - 1,51x10^-6 Ом x см. Золото по своим электрическим свойствам занимает положение между медью и алюминием. Полагаю, не нужно пояснять, почему каналы коммуникаций никогда не делали из серебра и тем более из золота (и с медью мороки не оберешься…). Омическое сопротивление является причиной ослабления сигнала, что ограничивает предельное расстояние передачи по проводной линии. Поэтому приходится на определенных расстояниях ставить станции ретрансляции.

Рассматривая таблицу кодов Морзе, следует обратить внимание на то, что наиболее часто используемые буквы имеют более короткие коды (это прежде всего е, т, а, и, н и м). Это очень важный принцип, позволяющий увеличить среднюю скорость передачи данных. Он применяется достаточно широко - можно, например, вспомнить принцип распределения символов на клавиатуре ЭВМ, в центре размещаются наиболее часто используемые буквы. Посмотрите на клавиатуру вашей ЭВМ, в центре и ближе к клавише пробела размещаются именно указанные выше буквы. Используется эта техника и при архивировании данных (алгоритм Хафмана). Кроме того, весьма важными являются паузы между буквами. Если пауза окажется малой, то трудно будет отличить НН от Ц, АА от Я и т.д.

Позднее было создано много других типов кодов (например, код Бодо для буквопечатающих аппаратов, ASCII или КОИ8) - в них, как правило, каждому символу или сигналу соответствует 5-8 бит. Сигналами отмечается, например, начало/конец передачи или исправление ошибки. Характерной особенностью ранних систем было отсутствие кодов для строчных букв. В мире много национальных алфавитов. Многие из них содержат специфические символы - достаточно вспомнить символьный набор китайского языка (в детстве меня занимал вопрос: как устроена китайская пишущая машинка?). Чтобы решить проблемы кодирования национальных алфавитов, был придуман юникод, где каждому символу ставится в соответствие два октета (байта). Это позволяет расширить многообразие символов с 256 до 65536.

Аналогичные принципы лежат в основе морских флажковых семафоров, где каждой букве соответствует определенное положение рук сигнальщика. Здесь можно также вспомнить французский семафор, изобретенный в 1830 году. Но это, так же как и сигнальные костры, можно считать первыми приложениями, использующими передачу данных по оптическим каналам связи.

Коды Морзе применялись вплоть до второй половины XX века. Их привлекательность была связана с ограниченностью требуемой полосы пропускания канала, а также с тем фактом, что для передачи были пригодны старые, довольно низкокачественные каналы.

Введя модуляцию на частоте 1500 Гц (1936 г.), удалось получить до 24 телексных каналов по одному телефонному каналу с полосой 4 КГц (50 бод). Позднее телексная сеть обрела самостоятельность и была окончательно вытеснена современными средствами связи лишь в конце XX века.

К 1950 годам большинство стран использовало три типа общедоступных сетей:

Рассмотрим причины того, что проводные системы связи, оставшиеся в наследство от телеграфа, малопригодны для современных систем телекоммуникаций. Двухпроводные структуры, применявшиеся там, как правило, навешивались на телеграфные столбы или укладывались в виде кабелей в подземные каналы. Среднегеометрическое расстояние между проводами не было постоянным, более того, оно могло изменяться со временем, например, под действием ветра. Это приводило к тому, что волновые свойства такой структуры варьировались, и это с неизбежностью становилось причиной искажений формы сигнала для длинных участков канала. Такие искажения ограничивали предельно возможную скорость передачи и длину канала без промежуточных ретрансляторов.

На первый взгляд прогресс в области электроники может снять проблему ослабления сигнала из-за омического сопротивления проводов и исключить необходимость использования амплитуд сигналов порядка 40-100 В. Казалось бы, ставя промежуточные усилители, можно поддерживать амплитуду полезного сигнала в заданных пределах. Идеальным примером такого решения могут служить трансокеанские телефонные кабели.

Беда в том, что ослабление сигнала из-за резистивных потерь не сопровождается ослаблением шума в канале. Усилители же увеличивают уровень шума пропорционально своему коэффициенту передачи. По этой причине рано или поздно средние значения амплитуд сигнала и шума могут сравняться.

Конечно, по пути транспортировки данных и на принимающей стороне предпринимаются усилия по фильтрации шума. Так как тепловые шумы достаточно высокочастотны, в случае телеграфии или телефонии можно существенно улучшить отношение сигнал/ шум простым подавлением высокочастотной составляющей сигнала.

Передача данных по протяженным каналам через пустынные области, например, по дну океана, как было отмечено выше, требует наличия усилителей, а усилители нуждаются в питании. Обычно питание передается по тому же кабелю, и здесь также вмешиваются омические потери.

Известно, что в оптоволокне сигнал подвергается меньшему погонному ослаблению, чем в медном проводе. Было бы замечательно, если бы был найден способ, передачи энергии для оптоэлектрических усилителей по оптическому волокну.

1.2. Введение в новейшие технологии

Зависимость пропускной способности канала, обладающего определенной полосой пропускания, от отношения сигнала к шуму исследовал американский инженер и математик Клод Шеннон (1916 г.р.).

Теорема Шеннона (1948-1949) ограничивает предельную пропускную способность канала $$I$$ с заданной полосой пропускания $$F$$ и отношением "сигнал/ шум " в канале $$S/N$$ (формула получена в предположении белого гауссова шума):

Для стандартного телефонного канала $$F = 3 КГц, S/N = 30 дБ$$, следовательно, теоретический предел для публичной коммутируемой телефонной сети равен примерно 30 Кбит/с. Ослабление для телефонных скрученных пар составляет около 15 дБ/км, дополнительные ограничения возникают из-за перекрестных наводок в многожильном кабеле. Стандартные проводные линии связи имеют ослабление 6 дБ/км на частоте 800 Гц, или 10 дБ/км на частоте 1600 Гц. С самого начала развития телефонии проводная система и оборудование проектировалось исходя из возможностей человеческого уха и голосового аппарата. По этой причине все традиционные системы телефонии имели полосу пропускания 3-3,5 КГц.

Из теоремы Шеннона следует, что при нулевом уровне шума можно получить сколь угодно высокую скорость передачи при сколь угодно низкой полосе пропускания канала!

Шеннон, по существу, развил идеи Найквиста. Если используется двоичное представление сигнала, то согласно теореме Найквиста [1924] максимальная скорость передачи данных $$I$$ по каналу без шума составит

где $$F$$ - полоса пропускания канала в Гц, а $$V$$ - число дискретных уровней сигнала на выходе цифрового преобразователя. Суть теоремы Найквиста-Котельникова заключается в том, что при полосе сигнала $$F$$ частота стробирования должна быть больше $$2F$$, чтобы принимающая сторона могла корректно восстановить форму исходного сигнала. По этой причине для стандартного телефонного канала с полосой $$F = 3 КГц$$, при отсутствии шумов и при $$V = 2$$ нельзя получить скорость передачи более 6 Кбит/с. Здесь нет противоречия с теоремой Шеннона. Ведь в отсутствие шумов значение $$V$$ не будет иметь ограничения сверху! Здесь не имеется в виду, что максимальная амплитуда сигнала может достигнуть напряжения в несколько киловольт. Согласитесь, телефонных абонентов такая перспектива вряд ли бы порадовала. Но в отсутствии шумов можно и в пределах одного вольта представить себе любое число уровней сигнала. Фактически теорема Шеннона проясняет то, как уровень шумов ограничивает предельное значение $$V$$ при заданной максимальной амплитуде сигнала.

По этой причине висящие еще кое-где телеграфные провода обречены. Надо заметить, что и медные телефонные провода, закопанные в землю, ждет та же участь. Предстоит выкопать миллионы тонн медных кабелей (похоже, российские бомжи уже начали эту работу). Медные провода будут заменены оптоволоконными волноводами.

Следует иметь в виду, что реальная пропускная способность для конкретного пользователя определяется не только полосой пропускания канала, но и его загруженностью трафиком других клиентов. Ведь и пропускная способность автомобильной магистрали зависит не только от числа полос, но и от загруженности автомобилями.

В 1876 году Э. Грей и А.Г. Белл одновременно сделали заявку на изобретение телефонного аппарата. Белл откупил у Грея права на это изобретение, усовершенствовал предложенное решение и совместно с Блейком и Эдисоном организовал первые телефонные сети. Вначале телефонная связь использовала электромеханические схемы преобразования и передачи голоса. Трансатлантический телефонный кабель был проложен в 1956 году. Современная телефония базируется на сотнях, а возможно, и тысячах изобретений. Системы коммутации телефонных каналов прошли путь от ручного переключения через этап электромеханических шаговых искателей к аналого-цифровым коммутаторам. Первый автоматический коммутатор был разработан Штроугером еще в XIX веке. К этому его подтолкнула осведомленность конкурентов о его делах, и он счел, что любопытные операторы ручной телефонной станции ему ни к чему.

Телефония стимулировала многие области электроники. Вскоре после Второй мировой войны стала широко внедряться импульсно-кодовая модуляция, пакетная схема передачи данных, а позднее и цифровая телефония (ISDN).

В 1902 году Артур Корн (Германия) запатентовал систему фотоэлектрического сканирования изображения, а в 1910 году заработала первая международная факсимильная связь Берлин-Париж-Лондон. До 60-х годов прошлого века рынок факсимильной аппаратуры был ограничен.

В 1968 году международная комиссия CCITT разработала рекомендации по факсимильному оборудованию, которое было способно передавать страницу за 6 минут при разрешении 3,85 линий на мм. Позднее, в 1976 году аналоговая факсимильная техника была улучшена. Это позволило сократить время передачи страницы до 3 минут. В 1980 году был разработан стандарт для цифровых факс-машин (группа 3), в которых уже предусматривалось сжатие информации, что позволяло сократить время передачи стандартной страницы до 1 мин при скорости передачи 4800 бит/с. Следует иметь в виду, что сжатие информации в сочетании с ошибками пересылки может приводить к неузнаваемости изображения - локальной или полной. По этой причине число линий сканирования, которые используются при обработке изображения с целью сжатия, может варьироваться (1-4) и определяется в результате диалога между отправителем и получателем, а передача каждой скан-линии завершается довольно длинным кодом, предназначенным для надежного распознавания завершения строки сканирования, а также для коррекции ошибок. Факсимильное оборудование группы 3 может и не обеспечивать сжатия передаваемых (принимаемых) данных. В 1984 году разработаны требования к факс-аппаратам группы 4. Система базируется на двухмерной системе кодирования изображения (MMR - Modified Modified Reed).

Следует учитывать, что зона сканирования факс-машины больше размера изображения и всегда имеются пустые строки и поля, что предоставляет дополнительные возможности для сжатия передаваемой информации.

В последнее время появились факс-аппараты, которые печатают изображение на обычной бумаге с разрешением 300-400 точек на дюйм. Такая схема удобна, но имеет некоторые недостатки. Эти аппараты дороги; печать может начаться не ранее, чем будет передана вся страница; передающий аппарат может иметь более низкое разрешение; нужно уметь адаптироваться к любому разрешению, а значит, скорость печати изображения при низком разрешении остается столь же низкой, как и при высокой.

Широкое внедрение электронной почты, похоже, окончательно приговорило факс-технологию.

В 1864 году Дж. Максвелл теоретически доказал, что вокруг проводника с переменным током должно возникать переменное электромагнитное поле, распространяющееся со скоростью света. В 1886-1889 годах Г. Герц экспериментально показал существование электромагнитных волн. А.С. Попов развил идеи Герца и в 1895 году продемонстрировал свой грозоотметчик. Первые радиопередатчики были построены и запатентованы Маркони и Слаби. Так появилась радиосвязь. В начале для радиосвязи использовались схемы на основе азбуки Морзе. Позднее по мере совершенствования техники и улучшения избирательной способности приемников появилась возможность голосовой связи. Это изобретение стало основой радиолокации, мобильной связи, телевидения, радиорелейных и спутниковых (первый геостационарный коммуникационный спутник заработал в 1965 году) коммуникаций. Впечатляющие успехи здесь достигнуты в связи с применением цифровых методов, например, методики мультиплексирования CDMA (math Division Multiple Access). В перспективе только радио (из числа современных технологий) может обеспечить межпланетные связи. Лазерные методы пригодны пока для ограниченных расстояний, максимум до Луны.

Телевидение. Первые попытки передачи и воспроизведения изображения с помощью диска Нипкова (Германия) относятся к 1884 году. В 1907 году Б.Г. Розингом было предложено использовать для приема изображения электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), прототип видиконов и ортиконов. Устройство отображения на принимающей стороне также предполагало применение ЭЛТ. Электронное телевидение возникло в 30-х годах прошлого века (усилиями В.К. Зворыкина и Ф. Франсуорта). Число элементов N в одном кадре, на которое разлагается изображение в действующем в РФ стандарте (625 строк и 25 кадр./с), определяется по формуле

$$N = 4/3 S^2$$

где $$S$$ - число строк, а $$4/3$$ - отношение ширины кадра к его высоте (для широкоформатного варианта отношение будет иным). Отсюда следует, что верхняя частота видеосигнала

где $$K$$ - число кадров в секунду. Здесь следует немного добавить полосы для звукового сопровождения, передачи цвета и различных служебных целей, например, для синхронизации передатчика и приемника. Именно это определяет необходимую полосу для каждого из телевизионных каналов, число которых может достигать уже сегодня 20-60, что требует полосу при традиционной схеме более 130-390 МГц.

Частота строчной развертки при этом составляет $$625 x 25 = 15.625 КГц$$. Несущая частота должна быть в раз 8-10 больше 6,5 МГц, то есть превышать 48 МГц. Реально большинство каналов работают на частотах от 100 до 900 МГц. Радиоволны в этом диапазоне неспособны огибать препятствия и по этой причине гарантируют надежный прием лишь при непосредственной видимости между антеннами передатчика и приемника. Кривизна земли является естественным ограничителем максимального радиуса надежного приема телевизионного сигнала. Телевидение высокого разрешения, идущее на смену традиционному, требует еще большей полосы и частот. На подходе также и стереотелевидение. Телевидение стало основой и видеотелефонии. В городах телевизионный сигнал чаще передается по оптоволоконным кабелям.

Уже более десятилетия существует система стереотелевидения с проецированием изображения непосредственно на глазное дно человека. Эта система используется в шлемах устройств виртуальной реальности.

В последние годы в качестве приемного устройства ортиконы, суперортиконы и кремниконы вытесняются приборами с зарядовой связью (ПЗС), которые не требуют высоковольтных источников питания, во много раз более компактны и существенно дешевле. В последнее время традиционные ЭЛТ заменяются жидкокристаллическими устройствами отображения, плазменными панелями и различными системами проекционного телевидения.

В 50-х годах прошлого века начался быстрый прогресс в области вычислительной техники и микроэлектроники, качественно изменивших все направления развития телекоммуникаций. Чтобы увеличить пропускную способность канала связи, можно расширять его полосу или улучшать отношение сигнала к шуму (см. выше теорему Шеннона). Первое, что приходит в голову, это увеличение амплитуды сигнала (вспомните 40-120-вольтные сигналы в первых телеграфах). Пока в электронике царили вакуумные лампы, такие и даже большие амплитуды были с технической точки зрения вполне возможны, хотя вряд ли рациональны. Но после внедрения полупроводниковых приборов эти уровни сигналов стали совершенно недопустимы. Это можно понять из вольтамперной характеристики такого прибора (см. рис 1.2).

Большие амплитуды нежелательны, из-за пробивного напряжения (Vпр) при обратном смещении перехода. Можно, конечно, увеличить толщину перехода или сделать переход многослойным, но это ухудшит быстродействие прибора. Уровни сигнала выбраны по этой причине равными ~ $$\pm$$ 2,5 В.

Сфера телекоммуникаций всегда сильно зависела от уровня развития технологий. Начиналось все с электромеханических устройств, но современное цифровое телевидение и Интернет немыслимы без использования новейших достижений микроэлектроники.

В 1970 году в British Telecom были разработаны основные принципы еще одного вида передачи графической информации - телетекста. Первые опыты по его внедрению относятся к 1979 году. Стандарт на мозаичное представление символов был принят CEPT в 1983 году. Каждому символу ставится в соответствие код длиной в 7-8 бит. На экране такой символ отображается с помощью специального знакового генератора, использующего таблицу.

Полному экрану видеотекста, содержащему 24 строки по 40 символов, соответствует 960 байт, для передачи которых по коммутируемой телефонной сети требуется 6,4 секунды. D-канал ISDN может пропустить эту информацию за 1 секунду, а B-канал быстрее - за 0,1 с. Телетекст позволяет более эффективно использовать каналы связи и не налагает чрезмерных требований на устройства отображения.

Многие современные проблемы телекоммуникаций, например, безопасность каналов связи, проявили себя с самого начала. Достаточно вспомнить, как граф Монте-Кристо разорил банкира барона Данглара, послав с испано-французской границы фальсифицированное телеграфное сообщение. Так что сетевые атаки типа "man-in-the-middle" имеют почти двухвековую историю. Я уже не говорю об изощренных методах подслушивания телефонных переговоров. Развитие электронной почты сделало осуществимой мечту всех руководителей черных кабинетов (термин, используемый для структур, которые занимаются нелегальным вскрытием и прочтением чужих писем): доставку им писем самим отправителем. Достаточно вспомнить российскую систему СОРМ. Моральная сторона этого дела никогда и никого не останавливала - государственные структуры во все времена были аморальны.

Следует заметить, что впечатляющий прогресс в области телекоммуникаций на протяжении XX века мало что поменял в сфере удаленного управления. Может показаться, что возможность передавать сигнал в любую точку земного шара за доли секунды позволяют решить любую проблему удаленного управления. Это совсем не так. Любой сложный объект выдает достаточно большой объем данных, а если добавить сюда информацию об окружающей среде, то объем данных, подлежащих обработке, становится весьма велик. В прессе вы, вероятно, читали сообщения о том, что водитель авто не справился с управлением (при этом совсем не обязательно, чтобы он был нетрезв). Обычно это означает, что он отвлекся, объем воспринимаемой и перерабатываемой информации сократился, и с результатом разбираются в лучшем случае гаишники…

Теперь рассмотрим случай удаленного объекта. Человек, как уже отмечалось, может переработать ограниченный объем данных в единицу времени. Для решения этой проблемы человечество успешно научилось использовать компьютеры. Но и возможности ЭВМ не беспредельны. Обычно при управлении удаленным объектом часть решений все равно надо принимать локально. Если перепоручать это удаленному центру, рано или поздно одно из сообщений будет искажено или утрачено при передаче. Повторная пересылка данных приведет к большой задержке в принятии решения и катастрофа может стать неизбежной. Несмотря на сенсационный успех посадки беспилотного космического корабля "Буран", мне представляется невероятным, чтобы пассажирские самолеты стали летать без пилотов. А ведь на "Буране" большая часть решений принималась локально, а не в центральном пункте управления.

Как сложными объектами, так и сетями ЭВМ крайне неэффективно управлять удаленно, - здесь, как и в человеческом обществе, следует совмещать удаленное управление с локальным. Общность проблем заключается в единстве принципов сбора, транспортировки и обработки информации. Интернет с самого начала не имел единого центра управления - именно этим объясняется его высокая живучесть.

Человечество во все времена использовало не слишком надежную технику, не очень высококачественные средства телекоммуникаций и достаточно несовершенные процедуры. В настоящее время вычислительные машины во много раз надежнее, чем 40 лет назад, каналы связи заметно сократили частоту ошибок при передаче, однако удельное число ошибок на одну программу, похоже, осталось неизменным.

Но никогда жизнь человека не зависела так сильно от не слишком надежной техники и программ, как сегодня. Все, начиная с мобильного телефона, систем жизнеобеспечения в больнице, платежных средств, управления транспортными потоками и кончая Интернетом, использует изощренные вычислительные средства и программы, связанные друг с другом посредством каналов связи конечной надежности.

Сейчас как никогда нужно научиться, работая с ненадежной техникой, с программами, содержащими ошибки, и с каналами, которые регулярно допускают сбои, добиваться достаточно надежного и достоверного результата, чтобы выжить.

Люди накопили большой опыт в этой области. Если вы что-то не расслышали из-за шума, вы просите повторить сказанное (современные телекоммуникационные средства используют аналогичный алгоритм). Для повышения надежности в каналах используется контроль по четности и избыточные коды для коррекции ошибок. Там, где нужна повышенная надежность вычислений, применяются два вычислителя. Результат воспринимается лишь при идентичных результатах расчета. Но это не поможет, если на обоих вычислителях используются программы, содержащие идентичные ошибки. Можно, конечно, поручить написание программ двум разным фирмам, но это слишком дорого и не всегда возможно.

Таким образом, грядущему поколению людей нужно найти подходы к проблеме, как при ненадежных компонентах создать надежную ЭВМ и как, получив от программистов программу, имеющую десятки ошибок, тем не менее всегда иметь корректный результат.

Это связано не с тем, что компоненты станут менее надежны, совсем наоборот - их надежность заметно возрастет. Но число используемых составляющих еще больше увеличится.

А вот в области повышения корректности программного обеспечения, в том числе того, которое встроено в оборудование (маршрутизаторы, коммутаторы, мобильные телефоны, кабельные модемы, системы цифрового ТВ и т.д.), прогресс не очевиден. Достаточно вспомнить историю эволюции ОС Windows. Здесь следует ради справедливости учесть, что сложность системного программного обеспечения растет лавинообразно. Создается оно большими коллективами людей, часть из которых даже незнакома друг с другом. Например, исходный код ядра системы LINUX содержит сейчас существенно более миллиона строк программы. Требовать, чтобы все эти строки были безукоризненны и взаимосогласованны, можно, но добиться этого практически нереально.

Нужно искать и разрабатывать новые принципы для создания сложного программного обеспечения, которые бы гарантировали более высокий стандарт качества.

Сейчас человечество находится в фазе начала формирования информационного общества. При этом развиваются противоречивые процессы. С одной стороны, создается великое множество оборудования и программ с одной и той же функциональностью. Это хорошо, так как за счет конкуренции стимулируется прогресс и снижаются цены. Но с другой стороны, это многообразие вынуждает создавать великое множество средств взаимосогласования (интерфейсов), как аппаратных, так и программных.

В такой ситуации время от времени возникает мысль выработать единый стандарт, которому бы следовали все разработки (оборудования и программ), чтобы они могли работать друг с другом. При этом может приводиться пример сети Интернет. Именно благодаря стандартизации протоколов эта сеть стала всемирной.

На этом пути нас поджидает опасная ловушка. Тотальная унификация (так же как и тотальная централизация) сделает систему уязвимой для сбоев или целенаправленных атак.

Унификация (ОС, приложений и пр.) особенно опасна, так как унифицированная система может быть разрушена одним "червем" или вирусом за считанные минуты. Создатель был достаточно мудр, чтобы не сделать людей клонами, и снабдил их разными наборами генов.

1.3. Модуляция и кодирование при передаче данных

Передача данных уже на самых ранних этапах использовала цифровые подходы (например, коды Бодо). Понятно, что когда информация предназначена непосредственно для человека, она должна быть соответствующим образом преобразована. Это прежде всего относится к передаче голоса. По каналам связи передаются, как правило, модулированные сигналы. Несущая частота передачи, (например, при трансляции по радиоканалу) на порядок превосходит частоты голосового сигнала. Модуляция позволяет решить проблему согласования частот. Но следует иметь в виду, что модуляция используется не только в радиоканалах. Современные цифровые методы передачи также немыслимы без применения модуляции.

Человек - аналоговое устройство с точки зрения средств коммуникаций, которыми он располагает. Элементы цифровой техники можно обнаружить лишь на глазном дне.

Существует множество различных видов модуляции. Исторически первыми появились аналоговые способы модуляции: амплитудная, частотная, фазовая и различные их комбинации. Это было связано с технологической простотой их реализации. Цифровые методы стали использоваться лишь около 50 лет назад.

Для преобразования частот используется перемножение сигналов. Пусть мы имеем два синусоидальных сигнала: $$A1*\sin(\omega_{1}t)$$ и $$A2*\sin(\omega_{2}t)$$. Из тригонометрии известно, что

Это означает, что в результате перемножения вместо двух частот $$f_1=\frac{\omega_1}{2\pi}$$ и $$f_2=\frac{\omega_2}{2\pi}$$ мы имеем две новые частоты $$\frac{\omega_1 + \omega_2}{2\pi}$$ и $$\frac{\omega_1 - \omega_2}{2\pi}$$ с амплитудой $$A_1 \times A_2$$. Если входной сигнал имеет полосу $$0 - f_м$$, то после перемножения с сигналом, имеющим частоту $$f_н$$ (несущая частота), получим сигнал с полосой в интервале от $$(f_н - f_м)$$ до $$(f_н + f_м)$$. Это преобразование проиллюстрировано на рис 1.3 (по вертикальной оси отложена спектральная плотность сигнала $$F(j.E)$$). На практике это преобразование выполняется с помощью смесителей или гетеродинов, частота $$f_н$$ называется сигналом гетеродина или несущей.

Получение исходного сигнала из преобразованного достигается путем обратного преобразования, которое сводится к умножению полученного сигнала на $$\sin(\omega_нt)$$, где $$\omega_н = 2\pi \cdot f_н$$. При таком обратном преобразовании мы получим сигнал с исходным частотным диапазоном. Помимо этого будет получен сигнал с полосой от $$(2f_н -f_м)$$ до $$(2f_н + f_м)$$. Так как $$f_н$$ обычно много больше $$f_м$$, серьезных проблем это не вызывает - достаточно воспользоваться соответствующим фильтром. Этому методу обратного преобразования присущи некоторые недостатки. Если сигнал $$f_н$$ имеет фазовый сдвиг $$\theta$$ по отношению к тому, что имел сигнал, использованный при прямом преобразовании, то амплитуда выходного сигнала будет пропорциональна $$\cos \theta$$. Понятно, что при вариации фазы амплитуда будет меняться, а при $$\theta =\pi/2$$ станет нулевой. По этой причине должны быть предприняты специальные меры для синхронизации этих сигналов ($$f_н$$ передатчика и $$f_н$$ приемника).

Синхронизация передатчика и приемника в каналах коммуникаций является одной из важнейших задач.

Соотношение (1.1) используется при реализации амплитудной, частотной или фазовой модуляции. Так, в случае амплитудной модуляции, при временной вариации $$A_1 (= А_вх)$$ будет изменяться и амплитуда выходного сигнала ($$А_2 = A_н$$ - амплитуда несущей частоты при этом остается постоянной; $$\omega_1 = \omega_н$$ при этом может также варьироваться). Форма сигнала на выходе такого преобразователя имеет вид $$А_{вых} = А_н[1 + А_вх(t)] \sin \omega_нt$$. Для получения формы исходного сигнала на принимающей стороне используется схема детектора, на выходе которого получается сигнал, пропорциональный модулю огибающей функции входного сигнала. Существуют и другие методы демодуляции амплитудно-модулированного сигнала. Главным недостатком метода амплитудной модуляции является возможность нелинейных искажений из-за перемодуляции (когда амплитуда модулирующего сигнала слишком велика).

При частотной и фазовой модуляции амплитуда передаваемого сигнала остается почти постоянной, что исключает нелинейные искажения, связанные с широким динамическим амплитудным диапазоном. Выходной сигнал для этого вида модуляции имеет вид $$А_{вых }= А_н \sin[\omega_t + \theta(t)]$$, где $$\theta(t)$$ зависит от формы преобразуемого входного сигнала. Часто используется комбинация амплитудной и фазовой модуляции, которая носит название квадратурной модуляции.

Системы передачи данных с амплитудной или частотной модуляцией являются аналоговыми системами и по этой причине весьма чувствительны к шумам на входе приемника.

Применение цифровых методов пересылки информации увеличивает вероятность корректной доставки. Если для аналоговой передачи требуется отношение "сигнал/шум" на уровне 40-60 дБ, то при цифровой передаче достаточно 10-12 дБ.

Выбор типа модуляции зависит от стоящей задачи и от характеристик канала (полосы пропускания, ослабления сигнала и т.д.). Частотная модуляция менее чувствительна к амплитудным флуктуациям сигнала. Ослабление сигнала может варьироваться во времени из-за изменений в транспортной среде, что довольно типично для коммутируемых телефонных сетей. В любом случае на передающей стороне необходим модулятор, а на принимающей - демодулятор. Так как обмен обычно двунаправлен, эти устройства объединяются в одном приборе, который называется модемом.

В модемах применимы несколько видов модуляции (Таблица 1.1).

В QAM -модуляции используется 8/16 комбинаций "амплитуда-фаза" (см. рис 1.4). Понятно, что такой тип модуляции более уязвим для шумов.

Если имеется $$N$$ субъектов, которые хотят осуществлять обмен информацией в одном и том же частотном диапазоне, они должны осуществлять обмен по очереди (метод мультиплексирования по времени - TDM) или передаваемые ими сигналы должны отличаться каким-то еще параметром помимо частоты (например, амплитудой или направлением излучения). Если это условие не выполнено, весьма вероятно искажение данных при доставке. Вы наверняка сталкивались с этим, когда за праздничным столом пытаются говорить сразу несколько человек.

Передаваемый сигнал характеризуется большим числом параметров - частотой, фазой, амплитудой, параметрами, определяющими его пространственное распространение, уровнем шума и т.д. В случае использования широкополосного сигнала, который представляет собой суперпозицию определенного числа синусоидальных составляющих, число параметров пропорционально возрастает. Чем больше таких параметров анализируется принимающей стороной одновременно, тем большее отношение "сигнал- шум " может быть достигнуто.

Будущее за системами, анализирующими всю совокупность параметров входного сигнала. Современные мощные и относительно дешевые сигнальные процессоры создают технологическую базу для этого.

Впервые импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) была применена для голосового сигнала в 1937 году Алеком Ривсом. Это было сделано для преодоления проблемы накопления искажений и шумов в процессе ретрансляции аналоговых сигналов. Тогда впервые было использовано стробирование с частотой 8кГц при 8-битовом аналого-цифровом преобразовании (АЦП). В то время еще не существовало эффективных технологических средств для реализации такой схемы.

Цифровая связь берет свое начало в 1970-х годах. Именно в это время начинается разработка больших интегральных схем оптоэлектроники. В процессе разработки ISDN-системы решались следующие проблемы.

В 1984 году CCITT опубликовало рекомендации для стандартов интерфейсов и услуг ISDN (Integrated System Digital Network). Впервые услуги ISDN стали доступны благодаря усилиям British Telecom в июне 1985 года. В 1986 году принят стандарт Х.21. К 1988 году такие услуги стали доступны в 60 городах Великобритании. С этого времени система ISDN стала признанным международным стандартом цифровой телефонной и факсимильной связи. При этом пользователи продолжали пользоваться двухпроводными аналоговыми телефонными аппаратами.

С 1985 года Международный телекоммуникационный союз (ITU) начал обсуждать возможность создания широкополосной версии ISDN. Сначала речь шла о полосе 45-53 Мбит/c (вместо 1,544 Мбит/с). Такой стандарт был создан в июне 1989 года. Базовыми частотами передачи, помимо упомянутых выше, были признаны 155 Мбит/с (STM-1), 622 Мбит/с (STM-4) и 2,4 Гбит/c (STS-48C).

На физическом уровне в ISDN используется кодово-импульсная модуляция с частотой стробирования 8 кГц (что превосходит ограничение теоремы Найквиста-Котельникова = 2*3,3 КГц, где 3,3 КГц - полоса пропускания канала для традиционной телефонной сети).

Tеорема Найквиста требует, чтобы частота стробирования сигнала всегда превосходила полосу обрабатываемого сигнала более чем в два раза.

Очевидность этой теоремы понятна и без доказательства. Например, при частоте стробирования в два раза больше преобразуемой частоты результат зависит от фазы, и при сдвиге фаз, равном нулю, результат стробирования будет всегда давать нулевой уровень сигнала.

Схема ИКМ входного ($$А_вх$$) сигнала показана на рис 1.5. Совокупность представленных модулей обычно называется кодеком (кодер-декодер). Блок Samplehold ("устройство выборки и хранения") служит для формирования последовательности импульсов с амплитудой, равной мгновенному значению уровня входного сигнала в момент прихода строб-импульса.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) имеет логарифмическую характеристику и конвертирует амплитуду импульса на выходе Samplehold в 8-битовый код в Европе и в 7-битовый - в США и Японии. Этот код передается в интерфейс ISDN и далее в сеть. Получатель воспринимает коды через цифровой интерфейс, осуществляет преобразование 8-битовых кодов в 12-битовые. При этом понятно, что не всякие коды будут возможны (преобразование носит экспоненциальный характер). Полученные 12-битовые коды передаются на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Полученный ступенчатый сигнал сглаживается выходным фильтром и передается на устройство воспроизведения. Даже из этой достаточно общей схемы видно, что в процессе прямого (АЦП) и обратного (ЦАП) преобразований вносятся неизбежные искажения. Источником ошибок служит каждый из показанных на рисунке блоков. Но главным источником искажений является АЦП, так как здесь непрерывный спектр аналоговых значений замещается рядом дискретных уровней, которые больше или меньше реального значения в среднем на половину дискрета преобразования (1/256). Эти искажения называются шумом дискретизации.

При разумных предположениях (биполярность сигнала $$(+V -V)$$, однородность распределения уровня сигнала в рабочем диапазоне, ошибка квантования будет не более $$S/2$$, где $$S$$ - шаг квантования, и т.д.) $$[S/N]_db = 10 \log_{10}(2^2n) = 6n$$ ($$N$$ - шум квантования - при этом равен $$S^2/12$$). Это означает, что при $$2^n$$ уровнях квантования и при условии, что входной сигнал может варьироваться во всем рабочем диапазоне АЦП, отношение "сигнал-шум" ($$S/N$$), связанное с самим процессом квантования, будет равно $$6n$$ (при $$n = 8$$ оно составит 48 дБ). Отсюда следует известное значение относительного расстояния между уровнями квантования, равное 6 дБ. Все вышесказанное справедливо только для преобразования голоса.

Прогресс последних лет в области повышения пропускной способности каналов в заметной мере связан с развитием технологии передачи цифровых данных. Здесь нужно решить проблемы синхронизации, эффективного кодирования и надежной передачи. Чем шире импульс, тем большую энергию он несет, тем лучше отношение "сигнал/шум", но тем ниже и предельная скорость передачи. Раньше каждому двоичному разряду соответствовал импульс или перепад в кодовой последовательности. Сегодня перепад возникает лишь при смене последовательности нулей на последовательность единиц или наоборот. Цифровой метод передачи имеет целый ряд преимуществ перед аналоговым.

На рис 1.6 представлена уже не последовательность импульсов, а последовательность переходов из одного состояния в другое. При этом уровень $$+V$$ соответствует логической <1>, а $$-V$$ - логическому <0>.

Переключение из состояния <0> в состояние <1> и наоборот (бод) уже не соответствует передаче одного бита.

Теоретически число нулей или единиц, следующих подряд, не лимитировано. По этой причине на принимающей стороне рано или поздно возникает проблема синхронизации временных шкал передатчика и приемника.

Для решения этой проблемы существует два метода передачи данных: синхронный и асинхронный. Асинхронный метод используется для относительно низкоскоростных каналов передачи и автономного оборудования. Синхронный метод применяется в скоростных каналах и базируется на пересылке синхронизующего тактового сигнала по отдельному каналу или путем совмещения его с передаваемыми данными.

При наличии синхронизации приемника и передатчика можно допустить более длинные последовательности нулей или единиц, что способствует повышению пропускной способности.

Типичный кадр данных в асинхронном канале начинается со стартового бита, за которым следует 8 битов данных. Завершается такой кадр одним или двумя стоп-битами. Стартовый бит имеет полярность, противоположную пассивному состоянию линии, и переводит приемник в активное состояние. Пример передачи такого кадра показан на рис 1.7.

Начальный и стоп-биты на каждый байт данных снижают пропускную способность канала и по этой причине применяются только для низких скоростей обмена. Увеличение же длины блока данных приводит к ужесточению требований к точности синхронизации. При использовании синхронного метода передачи необходимы специальные меры для выделения кадра в общем потоке данных. Для решения этой задачи нужна специальная сигнатура (последовательность сигналов). Если такая последовательность встречается внутри кадра, она видоизменяется путем ввода в нее двоичных нулей (bit stuffing). Синхронный приемник нуждается в синхронизирующем сигнале, передаваемом передатчиком. Обычно это реализуется путем введения определенного вида кодирования сигнала, например, биполярного кодирования. В этом случае используется три уровня сигнала: $$+V$$ соответствует логической единице; $$-V$$ - логическому нулю, а 0 вольт логическому нулю или единице. Пример такого типа кодирования показан на рис 1.8.

Другой разновидностью такого рода кодирования является использование манчестерского кода. В этой схеме логической единице и нулю соответствуют не уровни напряжения, а перепады.

Так, логической единице поставлен в соответствие переход с низкого уровня на высокий, а логическому нулю - с высокого на низкий (схема NRZ - Non-Return-to-Zero). Пример представления сигнала с использованием манчестерского кода показан на рис. 1.9. Манчестерский код является одним из старейших. В нем хорошо решена проблема синхронизации, но полоса пропускания канала здесь используется неоптимально.

Оба кода, описанные выше, требуют удвоения полосы для передачи данных. Этого можно избежать, используя схему цифрового фазирования .

Симметричная скрученная пара проводов с волновым сопротивлением 120 Ом обеспечивает пропускную способность 2048 Мбит/с (система кодирования hDB3, длина проводов ~100 м). Номинальное значение перепада обычно составляет 750 мВ.

Наиболее простая схема передача данных путем представления <0> и <1> с помощью двух уровней напряжения не применяется из-за того, что линия обычно используется для подачи питания на оконечное (терминальное) оборудование. Проблема может быть решена, если <0> характеризуется 0 вольт (приращение над постоянным уровнем), а <1> попеременно сигналами положительной и отрицательной полярности (AMI - Alternate Mark Inversion). Такая схема создает проблему синхронизации, когда подряд следует большое число нулей. Необходимо, чтобы было достаточное число переходов 0->1 и 1->0 в единицу времени. Существует также схема ADI (Alternate Digit Inversion), где инверсия полярности производится для каждого из передаваемых двоичных разрядов. Но эта схема менее эффективна.

По этой причине система кодирования AMI была модифицирована в hDB3 (high Density Bipolar 3). Цифра 3 указывает на максимально возможное число последовательных нулей в кодовой последовательности. AMI требует, чтобы <1> передавались попеременно сигналами противоположной полярности, так, последовательность $$11011$$ должна быть передана как $$+-0+-$$. hDB3 заменяет любую группу из 4 нулей последовательностью из 3 нулей, за которой следует нарушение последовательности отображения единиц. Таким образом, последовательность $$11000001$$ будет отображена как $$+-000-0+$$ (возможен инверсный вариант, когда символы "+" заменяются на "-" и наоборот). Дальнейшего улучшения балансировки сигнала можно достичь, если заменить код, содержащий 4 нуля подряд, последовательностью B00V (B - обычный биполярный сигнал, V - нарушение последовательности). В США используют схему кодировки B8ZS (Bipolar with 8 Zeros Substitution), где 8 нулей кодируются как 00B0VB0V. В 1986 году ANSI принял решение о введение схемы кодирования 2B1Q (2 Binary into 1 Quaternary). При этой схеме каждая пара бит преобразуется в четверичные элементы $$+3 +1 -1 -3$$. Код синхронизации (SW - Synchronization Word) при этом содержит 9 четверичных элементов, повторяющихся каждые 1,5 мс:

+3 +3 -3 -3 -3 +3 -3 +3 +3 (+3 соответствует +2,5 В)

В Германии используется схема кодировки 4B3T (4 двоичных разряда кодируются в 3 циклических кода).

Двоичная информация передается блоками, обычно называемыми кадрами (или пакетами). В рамках системы 2B1Q для передачи 144 Кбит/с требуется частота модуляции не менее 72 Кбод. На практике для передачи кадров и выполнения функций управления необходимо создать дополнительные виртуальные каналы. Это доводит требуемую частоту модуляции до 80 Кбод. Сводные данные по наиболее популярным схемам кодирования приведены в таблице 1.2.

Кадр содержит 120 пар бит (quats), что соответствует 240 бит, 8 кадров образуют мультикадр. Первый пакет мультикадра выделяется путем посылки Inverted Synchronization Word (ISW). В конце каждого кадра всегда присутствуют специальные биты, которые служат для целей управления (бит активации, бит холодного старта, биты состояния питания, биты управления синхронизацией и т.д.).