Линии связи


Линия связи (канал связи) (рис.12) состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. 
Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъёмов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.
Проводные (воздушные) линии связи представляют собой провода без каких-либо изолирующих или экранирующих оплёток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям связи передаётся телефонный и телеграфный трафик, их качество очень низкое.

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключённых в несколько слоёв изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также климатической. Кабель оснащается разъёмами для быстрого присоединения к нему различного оборудования. К компьютерных сетях применяется три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коаксиальные кабели с медной жилой и волоконно-оптические кабели.

Коаксиальный кабель (coaxial) имеет несимметричную конструкцию и состоит из внутренней медной жилы и оплётки, отделённой от жилы слоем изоляции. Существует несколько типов коаксиального кабеля, отличающихся характеристиками и областями применения – для локальных сетей, для глобальных сетей, для кабельного телевидения и т.д.
RG-8 и RG-11 – «толстый» коаксиальный кабель для сетей Ethernet 10 Base-5. Имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр 12 мм. Этот кабель имеет внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики (затухание на частоте 10МГц – 18,5 дБ/км). Этот кабель сложно монтировать – он плохо гнётся.
RG-58/U, RG-58A/U и RG-58C/U – разновидности тонкого коаксиального кабеля для сетей Ethernet 10Base-2. Кабель RG-58/U имеет сплошной внутренний проводник, а кабель RG-58A/U – многожильный. Кабель RG-58C/U проходит «военную приёмку». Все типы этого кабеля имеют волновое сопротивление 50 Ом, но обладают худшими электромеханическими характеристиками, чем «толстый» коаксиал. Внутренний проводник имеет диаметр 0,89 мм, хорошо гнётся, но затухание у такого кабеля больше, что приводит к необходимости уменьшать длину отдельных отрезков кабеля. Для соединения кабеля с оборудованием используют разъём BNC.
RG-59 – телевизионный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом.
RG-62 – кабель с волновым сопротивлением 93 Ом для сетей ArcNet.

Скрученная пара проводов называется витой парой (twisted pair). Витая пара существует в экранированном варианте (STP), когда пара медных проводов обёртывается в изоляционный экран, и неэкранированном (UTP), когда изоляция отсутствует. Медный неэкранированный кабель UTP в зависимости от электрических и механических разделяется на 7 категорий:
Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной (до 20 Кбит/с) передачи данных. Применяется для телефонной разводки.
Кабели категории 2 способны передавать сигналы со спектром до 1 МГц.
Кабели категории 3 работают в диапазоне до 16 МГц, поддерживают высокоскоростные сетевые приложения, предназначен для передачи голоса и данных в кабельных системах зданий. Шаг скрутки 1 виток на 10 см.
Кабели категории 4 работают в диапазоне до 20 МГц, обеспечивают повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала, применяются в системах с увеличенным расстоянием (до 135 метров) и в сетях Token Ring со скоростью 16 Мбит/с.

Кабели категории 5 поддерживают высокоскоростные протоколы в диапазоне до 100 МГц, предназначены для работы с протоколами FDDI со скоростью 100 Мбит/с, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, ATM со скоростью 155 Мбит/с, Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. Сегодня это основной кабель для построения кабельных систем крупных зданий, имеет следующие электромагнитные характеристики: полное волновое сопротивление в диапазоне частот до 100 МГц равно 100 Ом; величина перекрёстных наводок NEXT не менее 74 дБ на частоте 150 кГц и не менее 32 дБ на частоте 100 МГц; затухание имеет предельные значения от 0,8 дБ (на частоте 64 кГц) до 22 дБ (на частоте 100МГц); активное сопротивление 9,4 Ом на 100 м; ёмкость кабеля 5,6 нф на 100 м.

Особое место занимают кабели категорий 6 и 7. Для кабеля категории 6 характеристики определяются до частоты 200 МГц, а для кабелей категории 7 – до 600 МГц. Кабели категории 7 обязательно экранируются, причём как каждая пара, так и весь кабель в целом. Основное назначение этих кабелей – поддержка высокоскоростных протоколов на отрезках кабеля свыше 150 метров.

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из четырёх пар кабеля имеет определённый цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две – для голоса. Для соединения кабелей с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие 8-контактные разъёмы.

Экранированная витая пара STP хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше выдаёт собственных электромагнитных колебаний. Эти кабели делятся не на категории, а на типы. Основным типом является кабель Type 1 стандарта IBM. Он состоит из 2-х пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплёткой, которая заземляется. Электрические параметры кабеля Type 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP категории 5. Однако волновое сопротивление равно 150 Ом и лучше всего такие кабели использовать в сетях Token Ring. Кабель Type 2 представляет собой кабель Type 1 с добавленными 2 парами неэкранированного провода для передачи голоса.

Волоконно-оптический кабель (optical fiber) состоит из тонких (5-60 микрон) волокон, по которым распространяются световые сигналы. Это наиболее качественный тип кабеля – он обеспечивает передачу данных со скоростью 10 Гбит/с и выше и лучше всех обеспечивает защиту данных от внешних помех. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают: многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления, многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления , одномодовое волокно.

Понятие «мода» описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле (Single Mode Fiber, SMF) используется центральный проводник малого диаметра соизмеримого с длиной волны света – от 5 до 10 мкм. При этом все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая – до сотен гигагерц на километр, однако в волокно такого малого диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два типа кабеля: 62,5/125 мкм и 50/125 мкм, где 62,5 и 50 мкм – это диаметр сердечника, а 125 мкм – диаметр внешнего проводника.

Во внутреннем проводнике таких кабелей одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от вешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча. Эти кабели имеют более узкую полосу пропускания – от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции разных лучей. В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются светодиоды и полупроводниковые лазеры.

Для передачи информации применяется свет с длиной волны 1550, 1300 и 850 нм. Светодиодные излучатели имеют полосу пропускания 200-500 МГц, а полупроводниковые лазеры модулируют световой поток с частотой 10 ГГц и выше. Лазерные излучатели создают когерентный поток света, за счёт чего потери в оптических волокнах становятся меньше, чем при использовании некогерентного потока светодиодов.

Использование только нескольких длин волн для передачи информации в оптических волокнах связано с особенностью их амплитудно-частотной характеристики. Именно для этих дискретных длин волн наблюдаются ярко выраженные максимумы передачи мощности сигнала, а для других волн затухание в волокнах существенно быстрее. Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъёмами MIC, ST и SC.

Волоконно-оптические кабели обладают электромагнитными и механическими характеристиками, однако у них есть один серьёзный недостаток – сложность соединения волокон с разъёмами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приёмника радиоволн. Существуют диапазоны коротких, средних и длинных волн (КВ, СВ и ДВ), называемые также диапазонами амплитудной модуляции (Amplitude Modulation, AM) по типу используемого в них метода модуляции сигнала, обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Более скоростными являются каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), для которых характерна частотная модуляция (Frequency Modulation, FM), а также диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ или microwaves). В диапазоне СВЧ (свыше 4 ГГц) сигналы уже не отражаются ионосферой Земли и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приёмником. Поэтому такие частоты используют либо спутниковые, либо радиорелейные каналы.

Аппаратура передачи данных (АПД или DCE – Data Circuit terminating Equip-ment) непосредственно связывает компьютеры или локальные сети пользователя с линией связи и является пограничным оборудованием. Традиционно аппаратуру передачи данных включают в состав линии связи. Примерами DCE являются модемы, терминальные адаптеры сетей ISDN, оптические модемы, устройства подключения к цифровым каналам. Обычно DCE работает на физическом уровне, отвечая за передачу и приём сигнала нужной формы.

Аппаратура пользователя линии связи, вырабатывающая данные для передачи по линии связи и подключённая к аппаратуре передачи данных, обобщённо носит название оконечное оборудование данных (ООД или DTE – Data Terminal Equipment). Примером DTE могут служить компьютеры или маршрутизаторы локальных сетей. Эту аппаратуру не включают в состав линии связи.