Лекция для школьников

Современные и перспективные технологии доступа к широкополосным мультимедийным услугам

Широкополосные мультимедийные инфокоммуникационные сети связи – это комплекс технических и программных средств, обеспечивающих прием и передачу на различные расстояния разнообразной информации, необходимой человеку и человечеству в целом в процессе жизнедеятельности. Попытаемся разобраться, что это такое:

- Инфо – это информация, то есть некоторое сообщение, например, классические вывески «Ушла на базу», «Мест нет» являются примерами сообщений или информации;

- Коммуникация – это связь, общение;

- Сети связи – это совокупность линий связи, а линии связи – это среды, по которым распространяются сигналы, несущие информацию. Средами являются: провода, кабели, оптические волокна, воздух, Космос и прочее бездорожье,  включая абсолютную пустоту – вакуум;

- Мультимедийный (мультимедиа) – это слово с одной стороны указывает на множественность средств восприятия информации человеком: текст, речь, музыка, видеоизображения. А с другой – означает, что одна и та же информация при передаче из одной точки пространства в другую распространяется по различным средам, указанным выше;

- Широкополосность – это основная тенденция современных средств связи. Попытаемся разобраться в этом понятии.

Любое сообщение (информацию) можно представить в закодированном символьном виде как цепочку или поток информационных символов – битов. Бит – это двоичный символ, принимающий два значения – 0 или 1. Кодирование – это установление взаимно-однозначного соответствия (↔) между буквами, из которых состоят слова  сообщения, и битами:

М ↔ 000

Е ↔ 010

С ↔ 101

Т ↔ 100

Н ↔100.

Тогда, чтобы передать сообщение «Мест нет», нужно передать битовую последовательность:

000010101100001010100…

Для этого нужно по проводам, воздуху или оптическому волокну передать сигналы, переносящие биты, в виде импульсов тока или напряжения, если по проводам. Если по воздуху или волокну, то импульсы тока или напряжения нужно превратить в импульсы света или электромагнитного поля, что одно и то же как установил Максвелл в 1825 году. Например, можно использовать импульсы прямоугольной формы, договорившись, что

 

и посылать эти импульсы по линиям связи через строго установленные интервалы времени – такты. В результате символьная последовательность битов превратится в последовательность реальных физических сигналов, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Механизм представления сообщения «Мест нет» в виде последовательности прямоугольных импульсов

 

В представленной на рисунке последовательности импульсов каждый бит занимает три тактовых интервала.

Если объем информации большой, то ее нужно передавать с большой скоростью, которая измеряется в бит/c. Самая большая скорость передачи информации достигается в оптических волокнах и составляет несколько десятков Терабит в секунду (Тбит/c). Тера – это 1012, то есть вполне умопомрачительная скорость, но в некоторых случаях требуется еще большая.

Чтобы увеличить скорость передачи информации самое простое – уменьшить тактовый интервал и сократить длительность импульсов, переносящих биты. Тогда в единицу времени можно будет передать большее количество битов. Но дело в том, что у каждого сигнала есть спектр. Это значит, что каждый сигнал произвольной формы s(t) можно «разложить по косточкам», представив в виде суммы () гармонических колебаний sinωt, то есть попросту в виде суммы (смеси) синусоид различных частот ω и с различными амплитудами А(ω):

.

Зависящая от частоты ω амплитуда А(ω) называется спектром сигнала. Напомним, что частота связана с периодом колебаний Т соотношением:

и измеряется в радианах в секунду (рад/c).

Оказывается, что спектр сигнала сосредотачивается в некотором частотном интервале от  ωmin  до ωmax в полосе частот Δω = ωmax – ωmin и чем уже временной интервал, в котором сосредоточен импульс Δt, тем шире полоса частот Δω, в которой сосредоточен спектр импульса. То есть для увеличения скорости передачи информации необходимо увеличивать ширину спектральной полосы. Поэтому высокоскоростные системы передачи информации являются широкополосными и работают непросто на высоких частотах, а в широких частотных полосах.

Для всех импульсов справедливо соотношение:

или ,

откуда следует, что ширина полосы обратно пропорциональна длительности импульса. Таким образом, чем уже импульс, тем шире полоса, в которой сосредоточен его спектр. Понять этот эффект можно из следующих соображений. Возьмем гармоническое колебание sinωt с частотой ω. Сожмем шкалу времени в k раз. Это значит, что мы переходим к новой шкале времени

.

Например, при k=10 одной секунде на шкале t будет соответствовать 0,1 на шкале t’. Можно также сказать, что сжатие импульса в k раз соответствует переходу к шкале t’. Чтобы гармоническое колебание не изменилось, при переходе к шкале t’ нужно одновременно перейти к новой шкале частот

.

Тогда будет справедливо соотношение:

,

откуда следует, что при сжатии времени в k раз во столько же раз увеличивается частота, а при сжатии промежутка времени Δt, соответствующего длине импульса, во столько же раз расширится полоса частот Δω, так что

.

Весь указанный выше набор слов отражает содержание отрасли науки и техники, которая называется «Инфокоммуникационные технологии».

Таким образом, инфокоммуникационная технология отвечает на вопрос: «Каким образом исходную информацию администратора гостиницы в Нижнем Тагиле «Мест нет» почти мгновенно передать собравшемуся отдохнуть в Сибири африканскому туристу из Верхней Вольты в виде SMS-сообщения (сокр. от англ. Short Messaging Service — «служба коротких сообщений») и дублировать это сообщение по электронной почте, сопроводив его картинкой холла гостиницы и улыбающимся лицом администратора».

Теперь попытаемся разобраться, как выглядит вся инфокоммуникационная технология в целом, посмотрев на рисунок 2.

Рисунок 2 – Глобальная телекоммуникационная сеть (паутина)

На рисунке 2 символически изображена современная телекоммуникационная сеть. Паутина – это линии связи, опутывающие весь земной шар. Она включает и «медную лапшу» телефонных проводов, и «витые пары», соединяющие между собой компьютеры, и инфракрасные лучи беспроводных компьютерных мышек, и невидимые лучи электромагнитных волн, идущих от Земли до летающих в космосе спутников связи и обратно возвращающихся на Землю, и, конечно же, кабели оптических волокон, тянущихся как по столбам линий электропередач, так и спрятанных под землей и идущих по дну океанов. И именно оптические волокна являются главными «кровеносными сосудами» глобальной телекоммуникационной сети. Их длина составляет 1 млрд км (25 000 витков вокруг земного шара), и каждый час увеличивается на 1 000 км. Это понятно, потому что из всех сред, передающих информацию, они в настоящее время являются самыми широкополосными, и обеспечивают самую большую скорость передачи информации, как отмечалось ранее.

В центре телекоммуникационной паутины находится технологическое (Hi-Tech) чудо XXI века – мобильный телефон. Ведь что такое современный мобильный телефон? Это и телефон, и радио, и видеомагнитофон, и фотоаппарат, и видеокамера, и записная книжка, и мольберт, и картинная галерея, и библиотека, и компьютер, и банковский терминал и, наконец, фонарик. Но мы не замечаем этого чуда, потому что оно обыденное. Как говорил мудрый Бисмарк: «Селедка могла бы быть деликатесом, если бы не была столь обыденной».

Если к Вашему мобильному телефону добавить солидный банковский счет  и «ядерную кнопку», то вы автоматически становитесь Властелином мира. Остается одно – разделять и властвовать – «divide et  impera», как говорили древние римляне.

Но как же в принципе работает эта огромная паутина? Принцип взят у почтового ведомства. У каждого устройства, передающего или принимающего информацию, есть свой закодированный электронный адрес, и информация из одного места в другое передается в электронном конверте, который называется пакетом. У каждого пакета есть адрес отправителя и получателя, и вся эта система работает четко, ничего не теряя, как в обычной почте, и очень быстро, со скоростью света. Правда и здесь бывают пробки, и порой случаются ошибки. Но чтобы этого не было существует кафедра телекоммуникационных систем Уфимского государственного авиационного технического университета, и Вы теперь знаете, где и чему нужно учиться!

Материал подготовлен в рамках соглашения от «04» октября 2012 г.
№ 14.В37.21.1878 с учетом дополнительного соглашения №1 от 18 марта 2013 г. по теме "Расширение функциональных возможностей и повышение эффективности эксплуатируемых сетей передачи для обеспечения широкополосного доступа".

 

Коллектив кафедры ТС