Санкт-Петербургский государственный университетинформационных технологий, механики и оптики

Физический уровень (Physical layer)
Интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством (передает электрические или оптические сигналы в кабель или радиоэфир, принимает их и преобразует в биты данных);
Имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи;
На этом уровне стандартизируются типы разъемов и назначение контактов;
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети;
Работают: концентраторы, ретрансляторы;
Примеры сетевых интерфейсов, относящихся к физическому уровню: V.35, RS-232C, RJ-11, RJ-45 10BASE-5, 100BASE-TX.

Типы линий связи
Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи(line) является термин канал связи (channel).
В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на:
проводные (воздушные);
кабельные (медные и
волоконно-оптические);
радиоканалы наземной и
спутниковой связи.

Типы линий связи 2
В зависимости от направления передачи данных линия (канал) связи может быть:
симплексной — то есть допускающей передачу данных только в одном направлении, пример — радиотрансляция, телевидение;
полудуплексной — то есть допускающей передачу данных в обоих направлениях поочерёдно;
дуплексной — то есть допускающей передачу данных в обоих направлениях одновременно, пример — телефон.

Характеристики линий связи
К основным характеристикам линий связи относятся:
амплитудно-частотная характеристика – показывает затухание амплитуды сигнала для всех возможных частот;
полоса пропускания - непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает некоторого заранее заданного предела;
затухание - относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты.
А = 10 log10Рвых/Рвх, (измеряется в децибелах (дБ, decibel - dB), Рвх и Рвых – мощности входа и выхода);
пропускная способность - характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи;
достоверность передачи данных - вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных;
помехоустойчивость - способность противостоять внешним помехам;
перекрестные наводки на ближнем конце линии;
удельная стоимость.

Полосы пропускания линий связи и популярные частотные диапазоны

Связь между пропускной способностью линии и ее полосой пропускания
Клод Шеннон установил связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования:
С = F log2 (1 + Рс/Рш),
где С - максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F - ширина полосы пропускания линии в герцах, Рс- мощность сигнала, Рш- мощность шума.
Найквист также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи, но без учета шума на линии:
С = 2F log2(М),
где М - количество различимых состояний информационного параметра.
Приведенные соотношения дают предельное значение пропускной способности линии, а степень приближения к этому пределу зависит от конкретных методов физического кодирования.

Топологии физических связей
Виды топологий:
физическая топология;
логическая топология.
Топологии физических связей:
полносвязная топология (а);
ячеистая топология (б);
общая шина (в);
звезда (г);
иерархическая звезда, древовидная топология (д);
кольцо (е);
смешанная топология (ж).
Домен коллизий (Collision domain) - сегмент сети, имеющий общий физический уровень, в котором доступ к среде передачи может получать только один абонент одновременно.
Рис 1.

Разделение (уплотнение) каналов
Мультиплекси́рование (англ. multiplexing, muxing) — уплотнение канала - передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному каналу, обладающему большей пропускной способностью.
Различают:
частотное разделение каналов (ЧРК, FDM) — разделение каналов по частоте, каждому каналу выделяется определённый диапазон частот;
временное разделение каналов (ВРК, TDM) — разделение каналов во времени, каждому каналу выделяется квант времени (таймслот);
кодовое разделение каналов (КРК, CDM) — разделение каналов по кодам, каждый канал имеет свой код наложение которого на групповой сигнал позволяет выделить информацию конкретного канала.
Возможно комбинировать методы, например ЧРК+ВРК и т.п.

Кабельные линии связи
Кабель - это изделие, состоящее из проводников, слоев экрана и изоляции. В некоторых случаях в состав кабеля входят разъемы, с помощью которых кабели присоединяются к оборудованию.
Важнейшие характеристики:
Затухание (Attenuation);
Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT);
Импеданс (волновое сопротивление)- это полное (активное и реактивное) сопротивление в электрической цепи;
Активное сопротивление - это сопротивление постоянному току в электрической цепи. Не зависит от частоты и возрастает с увеличением длины кабеля;
Емкость - это свойство металлических проводников накапливать энергию;
Уровень внешнего электромагнитного излучения или электрический шум;
Диаметр или площадь сечения проводника.

Кабели на основе витой пары
Витая пара (twisted pair) — вид кабеля связи, представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой (с небольшим числом витков на единицу длины), покрытых пластиковой оболочкой.
Цели cвивания проводников:
повышения связи проводников одной пары (электромагнитная помеха одинаково влияет на оба провода пары);
уменьшения электромагнитных помех от внешних источников;
уменьшения взаимных наводок при передаче дифференциальных сигналов.

Виды кабелей на основе витой пары
незащищенная витая пара (UTP — Unshielded twisted pair) — отсутствует защитный экран вокруг отдельной пары;
фольгированная витая пара (FTP — Foiled twisted pair) — также известна как F/UTP, присутствует один общий внешний экран в виде фольги;
защищенная витая пара (STP — Shielded twisted pair) — присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде сетки;
фольгированная экранированная витая пара (S/FTP — Screened Foiled twisted pair) — внешний экран из медной оплетки и каждая пара в фольгированной оплетке;
незащищенная экранированная витая пара (SF/UTP — Screened Foiled Unshielded twisted pair) — двойной внешний экран из медной оплетки и фольги, каждая витая пара без защиты.

Категории кабелей на основе витой пары

Коаксиальные кабели
Коаксиальный кабель имеет внутренний проводник
из меди или омеднённой стали, внутренний диэлек-
трик из вспененного полиэтилена и экран из фольги
и, в отдельных случаях, стальной оплётки.
Кабели делятся по шкале Radio Guide. Наиболее распространённые категории кабеля:
RG-8 и RG-11 — «Толстый Ethernet» (Thicknet), 50 Ом. Стандарт 10BASE5;
RG-58 — «Тонкий Ethernet» (Thinnet), 50 Ом. Стандарт 10BASE2:
RG-58/U — сплошной центральный проводник,
RG-58A/U — многожильный центральный проводник,
RG-58C/U — военный кабель;
RG-59 — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Российский аналог РК-75-х-х («радиочастотный кабель»);
RG-6 — телевизионный кабель (Broadband/Cable Television), 75 Ом. Кабель категории RG-6 имеет несколько разновидностей, которые характеризируют его тип и материал исполнения. Российский аналог РК-75-х-х;
RG-62 — ARCNet, 93 Ом

Волоконно-оптические кабели
Волоконно-оптический кабель состоит из центрального проводника света (сердцевины) - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина.
В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:
светодиоды;
полупроводниковые лазеры.
Волоконно-оптический кабель с армированием
Центральный силовой элемент
Оптическое волокно
Оптический модуль с заполнением гидрофобным компаундом
Заполнение гидрофобным компаундом
Полиэтилентерефталатная пленка
Внутренняя полимерная оболочка
Слой армидных нитей
Наружная полиэтиленовая оболочка

Волоконно-оптические кабели 2
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.
Популярные сочетания диаметр ядра и диаметр демпфера– 9/125 мкм, 50/125 мкм, 62.5/125 мкм и 100/140 мкм.

Беспроводная связь
Виды беспроводной связи:
КВ, СВ и ДВ (короткие, средние и длинные волны) - диапазон амплитудной модуляции (Amplitude Modulation — АМ). Обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных;
УКВ (ультракороткие волны) – диапазон частотной модуляции (Frequency Modulation — FМ);
СВЧ (микроволновом диапазон, частота > 4 ГГц) - сигналы уже не отражаются ионосферой Земли, и для устойчивой связи требуется наличие прямой видимости между передатчиком и приемником;
Инфракрасные и миллиметровые волны;
Связь в видимом диапазоне;
Спутниковая связь.

Спутниковые орбиты

Физическое кодирование
Физическое или линейное кодирование - представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи.
Любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию.
Большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала - частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов.
При передаче дискретных данных применяются два вида кодирования: на основе синусоидального несущего сигнала (аналоговая модуляция) и на основе последовательности прямоугольных импульсов (цифровое кодирование).

Импульсное (цифровое) кодирование

Модуляция
Модуляция - [лат. modulatio мерность, размерность] — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого колебания по закону информационного низкочастотного сообщения (сигнала).
Виды модуляции:
амплитудная модуляция (б)
частотная модуляция (в)
фазовая модуляция (г)