Передача информации

В.К.О

Г. Семей

Учреждение «Гуманитарно – экономический колледж»

Сарсенбинова Алия Маратовна 

преподаватель физики и информатики

Тема  урока: «Передача информации»

Цели урока: 
Образовательная:

Изучение и первичное закрепление знаний;

Актуализация ведущих знаний;

Ввести понятия коммуникационные технологии, каналы передачи информации, характеристики каналов передачи информации;

Рассмотреть различные примеры применения каналов передачи

Отработка навыков работы с информацией:

формирование умений и навыков поиска нужной информации.

Развивающая:

развивать познавательный интерес, творческую активность учащихся;

развивать дружеское и деловое общение учащихся в совместной работе.

Воспитательная:

воспитывать интерес к предмету, внимательность, дисциплинированность.

Тип урока: изучение и первичное закрепление знаний. 
Оборудование: ПК, проектор, экран, презентация «Передача информации» 
Виды работы: беседа, работа с учебником, самостоятельная работа учащихся. 
Этапы урока:

Организационный момент.

Актуализация знаний:

Постановка цели урока.

Изучение нового материала.

Подведение итогов урока.

Постановка домашнего задания.

Ход урока:

– Здравствуйте, ребята, садитесь. Я очень рада вас видеть. Сегодня мы переходим к изучению новой главы «Коммуникационные технологии»

II. Актуализация знаний. Вы уже, наверное, знакомы со значением слова «коммуникация». Давайте вспомним, что оно обозначает (При изучении процессов общения зарубежные исследователи давно стали использовать понятие «коммуникация». Этот термин позднее был принят и отечественными учеными. В отечественной литературе понятия «общение» и «коммуникация» зачастую употребляются как синонимы, хотя при более внимательном подходе между ними обнаруживаются некоторые различия. 
В англоязычной лингвистической литературе термин «коммуникация» понимается как обмен мыслями и информацией в форме речевых или письменных сигналов, что само по себе является синонимом термина «общение». В свою очередь, слово «общение» обозначает процесс обмена мыслями, информацией и эмоциональными переживаниями между людьми. В таком случае действительно нет разницы между общением и коммуникацией. Коммуникационные технологии – технологии общения, связи). Зачем же люди общаются друг с другом? (Чтобы передать информацию)

При общении происходит передача информации.

И так тема нашего урока «Передача информации» (Слайд 1)

III. Постановка цели урока

Приступим к изучению нового материала. Тему урока запишите в тетрадь. 
Сегодня на уроке мы с вами познакомимся с технологией «Передачи информации», как осуществляется этот процесс, поиграем в деловую игру, выслушаем экспертов и решим проблемные задачи.

IV. Изучение нового материала.

 Общая схема передачи информации включает в себя отправителя информации (источник), канал передачи информации и получателя информации(приёмник) (Слайд 2). Если производится двусторонний обмен информацией, то отправитель и получатель информации могут меняться ролями. Основной характеристикой каналов передачи информации является их пропускная способность(скорость передачи информации). Пропускная способность канала равна количеству информации, которое может передаваться по нему в единицу времени. Обычно пропускная способность измеряется в битах в секунду (бит/с) и кратных единицах Кбит/с и Мбит/с. Однако иногда в качестве единицы используется байт в секунду (байт/с) и кратные ему единицы Кбайт/с и Мбайт/с. Соотношения между единицами пропускной способности канала передачи информации такие же, как между единицами измерения количества информации (Слайд 3) 
Эффективность связи зависит от следующих характеристик (параметров) каналов связи: (Слайд 4) 
• Пропускной способности (скорость передачи данных), измеряемой количеством бит информации, переданной по сети в секунду; 
• Надежности – способности передавать информацию без искажений и потерь; 
• Стоимости; 
• Возможности расширения (подключения новых компьютеров и устройств). 
Сейчас мы рассмотрим основные характеристики различных каналов связи, в этом мне помогут эксперты (дети выступают с презентациями по кабельным каналам, беспроводным каналам, радиоканалам, оптоволоконным каналам).

Материал экспертов 
За последние двадцать лет пропускная способность каналов выросла с 56 кбит/c до 100 Гбит/с. Разработаны технологии, способные работать в случае оптических кабелей со скоростью 50 Тбит/с. Вероятность ошибки при этом сократилась с 10-5 на бит до пренебрежимо низкого уровня. Современный же лимит в несколько Гбит/с связан главным образом с тем, что люди не научились делать быстродействующие преобразователи электрических сигналов в оптические. 
Сопоставление возможностей различных технологий передачи данных представлено на рис.1. Радиоканалы покрывают диапазон от десятков килобит в секунду до десятков мегабит в сек.

Кабельные каналы связи

Кабельные каналы для целей телекоммуникаций исторически использовались первыми. Да и сегодня по суммарной длине они превосходят даже спутниковые каналы. Основную долю этих каналов, насчитывающих многие сотни тысяч километров, составляют телефонные медные кабели. Эти кабели содержат десятки или даже сотни скрученных пар проводов. Полоса пропускания таких кабелей обычно составляет 3-3,5 кГц при длине 2-10 км. Эта полоса диктовалась ранее нуждами аналогового голосового обмена в рамках коммутируемой телефонной сети. C учетом возрастающих требованиям к широкополосности каналов скрученные пары проводов пытались заменить коаксиальными кабелями, которые имеют полосу от 100 до 500 МГц (до 1 Гбит/с), и даже полыми волноводами. Именно коаксиальные кабели стали в начале транспортной средой локальных сетей ЭВМ

Коаксиальная система проводников из-за своей симметричности вызывает минимальное внешнее электромагнитное излучение. Сигнал распространяется по центральной медной жиле, контур тока замыкается через внешний экранный провод. При заземлении экрана в нескольких точках по нему начинают протекать выравнивающие токи (ведь разные «земли» обычно имеют неравные потенциалы). Такие токи могут стать причиной внешних наводок (иной раз достаточных для выхода из строя интерфейсного оборудования), именно это обстоятельство является причиной требования заземления кабеля локальной сети только в одной точке. Наибольшее распространение получили кабели с волновым сопротивлением 50 ом. Это связано с тем, что эти кабели из-за относительно толстой центральной жилы характеризуются минимальным ослаблением сигнала Но по мере развития технологии скрученные пары смогли вытеснить из этой области коаксиальные кабели. Это произошло, когда полоса пропускания скрученных пар достигла 200-350 МГц при длине 100м, а цены на единицу длины сравнялись. Скрученные пары проводников позволяют использовать биполярные приемники, что делает систему менее уязвимой (по сравнению с коаксиальными кабелями) к внешним наводкам. Но основополагающей причиной вытеснения коаксиальных кабелей явилась относительная дешевизна скрученных пар. Скрученные пары бывают одинарными, объединенными в многопарный кабель или оформленными в виде плоского ленточного кабеля. Применение проводов сети переменного тока для локальных сетей и передачи данных допустимо для весьма ограниченных расстояний. В таблице1 приведены характеристики каналов, базирующихся на обычном и широкополосном коаксиальном кабелях.

Таблица 1

При расстояниях до 100 метров с успехом могут использоваться скрученные пары и коаксиальные кабели, обеспечивая полосу пропускания до 150 Мбит/с, при больших расстояниях или более высоких частотах передачи оптоволоконный кабель предпочтительнее. При расстояниях в 10-20 метров с помощью скрученной пары можно достичь полосы пропускания до 1 Гбит/с. Если расстояние между ЭВМ не превышает нескольких сотен метров, коаксиальный кабель позволяет без труда получить 107-108 бит/c при вероятности ошибке 10-12-10-13. Связь через коммутируемую телефонную линию допускает скорость обмена ~104 бит/с при вероятности ошибки 10-5. Следует заметить, что работа с кабелями предполагает необходимость доступа к системе канализации (иногда это требует специальных лицензий; а там часто размещаются усилители-повторители). Кабельное хозяйство требует обслуживания. В этом отношении радиоканалы предпочтительнее, ведь случаев коррозии электромагнитных волн не зарегистрировано, да и крысы их не грызут. По совокупности параметров локальный коаксиальный кабель лучше телефонной линии в 1011 раз.

Оптоволоконные каналы и беспроводные оптические связи

 А.Г.Белл в 1880 году запатентовал фотофон — прибор для передачи голоса посредством светового сигнала с селеновым фотодетектором. Первые коммерческие телефонные системы были созданы лишь в 1977 году и работали со скоростью 44,7 Мбит/с. Одномодовые волоконные кабели начали производиться в 1983 году.
В 1990 году Линн Моллинер (Bellcore) продемонстрировал передачу данных со скоростью 2,5Гбит/c на расстояние 7500 км (без промежуточных усилителей сигнала) В 1990 году в США суммарная протяженность оптических волокон составляла около 9000000 км.
В 2000 году общая длина оптоволокон только в США превысила 30 миллионов километров. Оптоволоконные линии связи работают в частотном диапазоне 1013 — 1016Гц, что на 6 порядков больше, чем в случае радиочастотных каналов (это обеспечивает пропускную способность 50000 Гбит/c). Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделало возможным широкое распространение оптических каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1Гбит/c и это связано с ограниченным быстродействием оборудования, преобразующего оптический сигнал в электрический и обратно. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 100-1000 раз. 
Оптоволоконное соединение гарантирует минимум шумов и высокую безопасность (практически почти невозможно сделать отвод). Пластиковые волокна применимы при длинах соединений не более 100 метров и при ограниченном быстродействии (<50 МГц). В последнее время (2006-7г) разработаны пластиковые волокна, пригодные для передачи со скоростью 40 Гбит/c при длине кабеля 30м и со скоростью 5,35 Гбит/c при длине кабеля 220м (Lightware N4 2007). Вероятность ошибки при передаче по оптическому волокну составляет <10-10, что во многих случаях делает ненужным контроль целостности сообщений.
При построении сетей используются многожильные кабели (рис.3.; существуют и другие разновидности кабеля: например, двух- или четырехжильные, а также плоские). В верхней части рисунка [А] изображено отдельное оптоволокно, а в нижней [Б] сечение восьмижильного оптического кабеля. Свет вводится в оптоволокно с помощью светоизлучающего диода или полупроводникового лазера. Центральное волокно покрывается слоем, коэффициент преломления которого меньше чем у центрального ядра (стрелками условно показан ход лучей света в волокне). Для обеспечения механической прочности извне волокно покрывается полимерным слоем. Кабель может содержать много волокон, например 8 (1Б). В центре кабеля помещается стальной трос (3Б), который используется при прокладке кабеля. С внешней стороны кабель защищается (от крыс) стальной оплеткой (2Б) и герметизируется эластичным полимерным покрытием.

Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рис. 4 показаны три разновидности волокна (А, Б и В). Буквами А и Б помечен мультимодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. Так одна тысяча скрученных пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два волокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100кг. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников.

Буквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характером распространения электромагнитных волн). Мода представляет собой одно из возможных решений уравнения Максвелла. В упрощенном виде можно считать, что мода — это одна из возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне.

Чем больше мод, тем больше дисперсионное искажение формы сигнала. Одномодовое волокно позволяет получить полосу пропускания в диапазоне 50-100 ГГц-км. 
Соединители для оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис. 5, и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе составляет 10-20%. Для сравнения сварка волокон приводит к потерям не более 1-2%. Существует также техника механического сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10% (splice). Оптические аттенюаторы для оптимального согласования динамического диапазона оптического сигнала и интервала чувствительности входного устройства представляют собой тонкие металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном кабеля и приемником.

Если длина волокна должна быть велика из-за расстояния, которое нужно перекрыть, а потребителей по дороге нет, приходится ставить промежуточные усилители сигнала (см. рис. 6, присутствие ЭВМ необязательно).

Беспроводные оптические каналы

Для стационарных каналов оптоволоконный кабель не имеет конкурентов. Но при формировании каналов в городе, где требуется лицензия на прокладку и разрешение для использования канализации, все становится не так просто. При расстояниях до 1-5 км во многих случаях становятся привлекательны каналы с открытым лазерным лучом. Ниже приведена таблица, где сравниваются параметры различных беспроводных систем.
Беспроводные телекоммуникационные системы

 Принципиально новые возможности открыло изобретение инфракрасных лазеров. Лазер генерирует слабо расходящийся в воздухе пучок света (диаметр порядка 1 мм). Это позволяет осуществлять передачу открытым лучом на относительно большое расстояние (до 10 км). Но это же свойство луча создает и определенные проблемы. В атмосфере от горячих предметов поднимаются вверх конвекционные потоки горячего воздуха, варьирующие коэффициент преломления. Многие наблюдали это явление над шоссе жарким летним днем, когда идущая впереди машина как бы отрывается от земли и парит в колышущемся мареве. Это же явление лежит в основе появления миражей. Следует также учитывать, что солнце создает поток излучения в инфракрасной области не меньше, чем в видимой области. Оптические каналы предполагают использование двух параллельных лучей, по одному для каждого направления передачи, смотри рис. 7. Диаметр чувствительной поверхности детектора обычно не превышает 1 мм.

 Чтобы исключить влияние конвективных воздушных потоков от разогретой поверхности крыши обычно используют дефокусировку пучка, чтобы даже при отклонении оси пучка пятно засветки не покидало чувствительную область детектора. Этот метод предполагает, что имеется избыток световой мощности передающего лазера.
По этой причине, а также из-за поглощения луча дождем и туманом, каналы связи с открытым лазерным пучком широкого применения не находят. Но иногда из-за отсутствия нужных кабельных каналов, или из-за возражений телефонных компаний, открытый луч может оказаться полезным для организации связи между не слишком удаленными зданиями. Открытый луч предоставляет достаточно высокий уровень безопасности, так как для перехвата сообщений нужно «дотянуться» до пучка. Да и обнаружить инфракрасный луч без специальных средств не так легко.
Главным преимуществом варианта с открытым лазерным лучом является отсутствие необходимости лицензирования или получения специальных разрешений для прокладки кабеля, в условиях РФ этим обстоятельством не следует пренебрегать.
Но земная атмосфера является плохой средой для распространения света. По этой причине только разработка кремниевых волокон с низким коэффициентом поглощения в инфракрасном диапазоне (< 0,2 дБ/км) сделало возможным широкое распространение оптоволоконных каналов связи. Укладывается ~1000км оптоволоконного кабеля в день. В настоящее время каналы обычно имеют пропускную способность ~1-100 Гбит/c. В ближайшие годы следует ожидать увеличения быстродействия таких устройств в 10-100 раз. 
Рассматривая параметры оптоволоконных каналов и радиорелейных линий нужно помнить, что последние имеют задержку 3мксек/км, а оптоволоконные — 5мксек/км, что иногда оказывается существенным (в воздухе электромагнитные волны распространяются быстрее, чем в кварце).
Сопоставляя возможности спутниковых каналов с оптоволоконными, следует учитывать, что одна волоконная пара обладает пропускной способностью больше, чем все запущенные до сих пор телекоммуникационные спутники.

Беспроводные (радио) каналы и сети

Применение электромагнитных волн для телекоммуникаций имеет уже столетнюю историю. В 1864 году Дж. Максвелл теоретически показал, что вокруг проводника с переменным током должно возникать переменное электромагнитное поле, распространяющееся со скоростью света. В 1886-89 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 (Code 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.
Большинство каналов работают на частотах от 100 до 900 МГц. Радиоволны в этом диапазоне не способны 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 стерео телевидение. Телевидения стало основой и видео-телефонии. В городах телевизионный сигнал чаще передается по оптоволоконным кабелям.
В 50-х годах прошлого века началось развитие вычислительной техники и микроэлектроники, качественно поменявших все направления телекоммуникаций. Чтобы увеличить пропускную способность канала связи можно расширять его полосу или улучшать отношение сигнала к шуму Первое, что приходит в голову, это увеличение амплитуды сигнала (). 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 такие уровни сигналов стали совершенно недопустимы. 
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.
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, только 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.