Введение в оптоинформатику

Начало
В начале сотворил Бог небо и землю.
Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою.
И сказал Бог: да будет свет. И стал свет.
И увидел Бог свет, что он хорош, и отделил Бог свет от тьмы.
И назвал Бог свет днем, а тьму ночью. И был вечер, и было утро: день один.

Введение
Информация - сведения о предметах, процессах и явлениях окружающего мира, передаваемые людьми устно, письменно или иным способом (напр., с помощью условных сигналов, технических средств и т. д.). С середины 20 века информация воспринимается более широко, как общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом (напр., роботом), автоматом и автоматом; обмен сигналами в животном и растительном мире; передачу признаков от клетки к клетке, от организма к организму
Информатика наука о способах получения, накопления, хранения, преобразования, передачи, защиты и использования информации

Введение:Закон Дерека Прайса
Закон Дерека Прайса
Первый в мире научный журнал появился в 1665 г., но их число стало непрерывно расти только с 1750 г., когда в Европе установилась регулярная почтовая связь. […] кривая роста общего числа научных журналов, издаваемых во всех странах. Число научных журналов дано в логарифмическом масштабе; видно, что за последние триста лет их рост неизменно следует экспоненциальному закону
число научных работников и отпускаемые на научную работу средства тоже растут по тому же экспоненциальному закону, удваиваясь через каждые 10-15 лет

Введение: Закон Мура
Количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца

Полоса пропускания
Полоса пропускания (прозрачности) — диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы

Полоса пропускания
Любой сигнал имеет ограничение в связи с распределенной пропускной способностью по закону Пуассона.
g(t) = 0.5*c + ∑ an sin(2pnft)+∑ bncos(2pnft)
f – частота
an,bn – амплитуды n-ой гармоники
t – время передачи сигнала
g(t) – определенное ограничение на пропускную способность.
Коэффициенты гармоники могут быть получены через амплитуду сигнала. При этом скорость передачи информации зависит от способа кодирования и скорости изменения кодирования. Скорость передачи ограниченна максимальной частотой.

Основы передачи данных
Все виды информации могут быть представлены в виде электромагнитных сигналов (ЭМС) аналоговых или цифровых
Любой ЭМС имеет спектр (ширина, частотный диапазон, форма спектра)
Основная проблема - ухудшение сигнала при передаче (потеря энергии, искажение формы, шумы)
Основные характеристики систем передачи данных - полоса пропускания, скорость передачи для цифровых данных, уровень шума, уровень ошибок при передаче

Непрерывный сигнал и дискретный

Сигнал как функция частоты
Двоичный сигнал и его среднеквадратический амплитудный спектр
(b) – (c) Аппроксимация исходного сигнала

Сигнал как функция частоты
Скорость передачи в коде ASCII и гармоники

Теорема о выборках
для однозначного воспроизведения непрерывного сигнала по его выборкам, шаг дискретизации T должен определяться соотношением
В цифровых сетях телекоммуникаций носителем информации являются прямоугольные импульсы тока или напряжения. Частотный спектр прямоугольного импульса похож на косинусоиду с непрерывно убывающей амплитудой и для него 90% энергии сигнала сосредоточены до частоты fгр=1/t , где t - длительность импульса. Для обеспечения скорости передачи данных 1 Гбит/с необходимо разрешение между двумя соседними импульсами менее 1нс (10-9 с). Согласно теореме о выборках, аппаратура сетей телекоммуникаций должна обеспечивать полосу пропускания аналоговых сигналов от 0 до 0.5 ГГц.

Схемы аналоговой и цифровой передачи

Сравнение аналоговой и цифровой передачи
Затухание и нарушение формы в цифровом случае не столь сильно как в аналоговом
При ретрансляции цифрового сигнала проще восстановить его изначальную форму, которая известна точно, в отличии от аналогового сигнала
При ретрансляции аналогового ошибка накапливается
Цифровая передача дешевле, не надо восстанавливать форму сигнала

Критерий Найквиста
В 1927 году Найквист установил, что число независимых импульсов в единицу времени, которые могут быть переданы через телеграфный канал, ограничено удвоенной максимальной частотой пропускания канала (этой частоте соответствует чередующаяся последовательность нулей и единиц, остальные комбинации сигналов соответствуют более низким частотам)
где fp - частота пульса (пульсов в секунду), и B — полоса пропускания (в герц).
Предел Найквиста:
C= 2 Δƒ log2V бит/c
Δƒ- полоса пропускания канала
V- число различимых уровней

Скорость передачи информации
Скорость передачи данных — объём данных, передаваемых за единицу времени. Максимальная скорость передачи данных без появления ошибок (пропускная способность) вместе с задержкой определяют производительность системы или линии связи. Теоретическая верхняя граница скорости передачи определяется теоремой Шеннона — Хартли
Емкость канала C, означающая теоретическую верхнюю границу скорости передачи информации, которые можно передать с данной средней мощностью сигнала S через один аналоговый канал связи, подверженный аддитивному белому гауссовскому шуму мощности N равна:
Где C — ёмкость канала в битах в секунду;
B — полоса пропускания канала в герцах;
S — полная мощность сигнала над полосой пропускания, измеренной в ваттах или вольтах в квадрате;
N — полная шумовая мощность над полосой пропускания, измеренной в ваттах или вольтах в квадрате;
S/N — отношение сигнала к гауссовскому шуму, выраженное как отношение мощностей.

Физическая среда передачи
Магнитные носители
Витая пара (Twisted Pair)
Коаксиальный кабель (Coaxial Cable)
Оптическое волокно (Fiber Optics)

Физическая среда передачи
характеристики физической среды:
полоса пропускания
пропускная способность (спектр частот, которые канал пропускает без существенного понижения мощности сигнала)
задержка
Затухание (Разные среды искажают форму сигнала и гасят его энергию в зависимости от частоты сигнала по -разному)
помехоустойчивость
достоверность передачи
стоимость
простота прокладки
сложность в обслуживании.

Физическая среда передачи

Оптоволоконные линии связи
Достоинства оптоволоконных линий связи
широкополосность оптических сигналов обусловленная чрезвычайно высокой несущей частотой f0=1012-1014 Гц, что позволяет передавать информацию со скоростью 1 Тбит в сек (Последний рекорд скорости - 255 Тбит/с)
Долговечность. Время жизни волокна то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах превышает 25 лет что позволяет проложить волоконно-оптический кабель один раз и по мере необходимости наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие
Помехозащищенность
Компактность
Низкие потери
Недостатки волоконно-оптических технологий:
Высокая стоимость активных компонент
Высокая стоимость монтажа и обслуживания

Затухание в оптоволоконном кабеле