Технологии физического уровня передачи данных

Б.В. КОСТРОВ
А.В. КИСТРИН
А.И. ЕФИМОВ
Д.И. УСТЮКОВ

УЧЕБНИК

Москва
КУРС
ИНФРА-М 
2020

ТЕХНОЛОГИИ  
ФИЗИЧЕСКОГО УРОВНЯ 
ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

СРЕДНЕЕ  ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ  ОБРАЗОВАНИЕ

Рекомендовано Экспертным советом при ГБОУ УМЦ ПО ДОгМ 
для использования в образовательном процессе профессиональных 
образовательных организаций города Москвы в качестве учебника по специальности 2.09.02.02 «Компьютерные сети»

УДК 004(075.8)
ББК 32.973-04я73

К72

Костров Б.В.,
Технологии физического уровня передачи данных : учебник / 
Б.В. Костров, А.В. Кистрин, А.И. Ефимов, Д.И. Устюков; под 
ред. Б.В. Кострова. – Москва: КУРС: ИНФРА-М, 2020. – 208 с. 
(Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-906818-37-9 (КУРС)
ISBN 978-5-16-011872-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104352-3 (ИНФРА-М, online)
Рассматриваются вопросы построения систем передачи данных, их назначение, используемые непрерывные и дискретные сообщения; приводятся основы спектрального анализа соответствующих им сигналов. Для 
наиболее типичных информационных сигналов определяется объем и их 
информационная емкость. Для передачи данных по линиям связи используются понятия переносчика и модуляции его информативных параметров 
сигналами различного назначения. Соответствующее внимание уделяется современным видам представления информации в цифровой форме, 
преимуществам цифровых сигналов и проблеме перехода от непрерывной формы представления информации к цифровой. Передача цифровых 
сигналов по линиям связи невозможна без применения соответствующих 
методов помехоустойчивого кодирования. Приводятся сведения о кодировании при передаче информации через канал без помех и подходы к обнаружению и исправлению ошибок в каналах с помехами. Особое внимание 
уделяется рассмотрению принципов построения систем беспроводной 
передачи данных, таких как мобильные системы связи, спутниковые системы, сети Wi-Fi и WiMAX. Для освоения принципов организации управления в цифровых сетях рассматривается многоуровневая организация 
управления в соответствии с международными стандартами. Приводятся 
сведения о протоколах нижних уровней управления.
Книга рассчитана на студентов среднего профессионального образования, обучающихся по специальности 2.09.02.02 (230111) «Компьютерные 
сети», и может быть полезна студентам других смежных специальностей и 
направлений среднего профессионального и высшего образования.

УДК 004(075.8)
ББК 32.973-04я73

К72

ISBN 978-5-906818-37-9 (КУРС)
ISBN 978-5-16-011872-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104352-3 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

© Костров Б.В., Кистрин А.В.,  

Ефимов А.И., Устюков Д.И., 2016
© КУРС, 2016

Р е ц е н з е н т ы:   
Мусолин А.К.  —  д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой АИТП РГРТУ;
Романчук В.А.  — канд. техн. наук, доцент кафедры ИВТ РГУ им. Есенина

Предисловие

Современные тенденции развития инфокоммуникаций характе
ризуются интеграцией передачи различных видов данных и объединением ряда телекоммуникационных услуг, таких как видеотелефония, IP-телефония, цифровое телевидение, цифровое видео по запросу, системы видеонаблюдения. Данные тенденции затрагивают 
не только глобальные сети ведущих операторов, имеющих сложную 
архитектуру, но и сети малых и средних предприятий, предназначенных для передачи голосовых сообщений, видеотрафика и трафика данных.

Интенсивность информационного обмена, необходимость обес
печения доступности разнообразных сервисов предъявляют к актив-
ному оборудованию, используемому при построении сетей передачи 
данных, определенные требования по надежности, функциональным 
возможностям и стоимости. Устройства становятся все более сложными, что требует от обслуживающего персонала определенного 
уровня подготовки в области теории и практики передачи информационных сигналов на большие расстояния.

Целью данной книги является рассмотрение вопросов постро
ения систем передачи данных, их назначения, используемых непрерывных и дискретных сообщений. Для наиболее типичных информационных сигналов определяется объем и их информационная 
емкость. Для обеспечения передачи данных по линиям связи используются понятия переносчика и модуляции его информативных параметров сигналами различного назначения. Соответствующее внимание уделяется современным видам представления информации в 
цифровой форме, преимуществам цифровых сигналов и проблеме 
перехода от непрерывной формы представления информации к цифровой. Передача цифровых сигналов по линиям связи невозможна 
без применения соответствующих методов помехоустойчивого кодирования. Приводятся сведения о кодировании при передаче информации через канал без помех и подходы к обнаружению и исправлению ошибок в каналах с помехами. Особое внимание уделяется рассмотрению принципов построения систем беспроводной 
передачи данных, таких как мобильные системы связи, спутниковые 
системы, сети Wi-Fi и WiMAX. Для освоения принципов организации 
управления в цифровых сетях рассматривается многоуровневая организация управления в соответствии с международными стандар

тами. Приводятся сведения о протоколах нижних уровней управления.

Книга рассчитана на студентов среднего профессионального 

образования, обучающихся по специальности 09.02.02 (230111) 
«Компьютерные сети», и может быть полезна студентам других 
смежных специальностей и направлений среднего профессионального и высшего образования. Материал книги основывается на курсах лекций, преподаваемых авторами на кафедре электронных вычислительных машин Рязанского государственного радиотехнического университета.  

1. ОснОвы ПОстрОения 

систем связи

1.1. назначение систем связи

Передача информации от источника к потребителю осуществля
ется двумя способами:
• непосредственным (например, личный контакт);
• опосредованным (с использованием технических средств, в каче
стве которых могут выступать различные системы связи).
Для передачи, хранения, обработки и использования информа
ции она должна быть представлена в виде сообщений. В соответствии с этим схему передачи сообщений можно представить следующим образом (рис. 1.1).

Первоначально источник формирует сообщение a(t). Затем, 

чтобы передать это сообщение средствами связи, необходимо с помощью специального устройства преобразовать его в электрический 
сигнал s(t). При передаче речи такое преобразование выполняет микрофон, при передаче изображения — видеокамера, при передаче телеграмм — передающая часть телеграфного аппарата и т.д. Перенос 
сигнала из одной точки пространства в другую осуществляет система 
связи, которая представляет собой сложный комплекс взаимодействующих технических средств.

Электрический сигнал является, по сути, формой представления 

сообщения для передачи по системам связи. Доставленный в пункт 
приема сигнал должен быть преобразован в сообщение и затем передан получателю. Передача сигнала всегда сопровождается неизбежным воздействием помех и искажений. Это приводит к тому, что 
сигнал на выходе системы связи s′(t) и принятое сообщение a′(t) 
могут в какой-то мере отличаться от сигнала s(t) и сообщения a(t). 
Основные виды систем связи можно представить следующей структурной схемой (рис. 1.2).

1.2. сообщения и сигналы

Настоящее время характеризуется небывалым ростом объема ин
формационных потоков. Это относится практически к любой сфере 
деятельности человека. Принято выделять три основных вида информации:

рис. 1.1. Схема передачи сообщений

рис. 1.2. Основные виды систем связи:

АТС — автоматическая телефонная станция; АМТС — автоматическая 

междугородная телефонная станция; ССТ — спуиниковые системы теле
коммуникации

• личную (касается тех или иных событий в личной жизни человека 

или группы людей);

• специальную (сюда относят научно-техническую, деловую, эко
номическую, учетно-статистическую и др., она служит для осуществления процессов управления различных уровней);

• массовую (распространяется через средства массовой информа
ции: газеты, журналы, радио, телевидение и др.).
Перечисленные виды информации образуют так называемую соци
альную информацию, связанную с идеологией, культурой, наукой, образованием, управлением, удовлетворением личных нужд населения.

Таким образом, информация — это совокупность некоторых све
дений о состоянии какой-либо материальной системы (предмете, 
процессе, событии), предназначенных для передачи, распределения, 
преобразования, хранения или непосредственного использования.

Как было сказано выше, информация передается в виде сообще
ний. Сообщения могут быть непрерывными (аналоговыми) и дискретными. Непрерывным называется сообщение, которое описывается непрерывной функцией времени. Примерами такого сообщения 
являются передача речи по телефону, программа вещания. Передаче 
подлежит изменение во времени звукового давления на мембрану 
микрофона. Дискретное сообщение представляет собой последовательность отдельных элементов, физическая природа которых может 
быть любой. Так, при передаче телеграммы сообщением является 
текст, а элементами сообщения — буквы.

Принимая сообщение о каком-либо событии, мы меняем свои зна
ния о нем. Однако определить, сколько информации содержится в сообщении, в общем случае довольно затруднительно, так как одно и то 
же сообщение может давать одному потребителю много информации, 
а другому — мало. Для подсчета единиц информации принята система 
оценки, которая не связана с конкретным содержанием сообщения, 
а отражает лишь степень «неожиданности» (неопределенности).

Количество информации принято оценивать по ее вероятности. 

Так, весьма вероятное сообщение содержит мало нового и поэтому 
несет мало информации, маловероятное же сообщение является неожиданным и поэтому содержит много информации. Количество 
информации в отдельно взятом сообщении определяется величиной, 
обратной вероятности сообщения, вычисленной в логарифмических 
единицах:

J p
p a
p a
k
k
( ) =
( )

= −
( )
log
log
1
,

где p(a) — вероятность сообщения a; k — основание логарифма.

При p(a) = 1 количество информации равно нулю, т.е. сообщение 

об известном событии информации не несет. Количество информации, содержащейся в нескольких независимых сообщениях, равно 
сумме количества информации в каждом из них. Это соответствует 
представлениям об увеличении информации при получении дополнительных сообщений.

Основание логарифма чаще всего принимается равным 2, и тогда 

количество информации, содержащейся в сообщении, выражается 
в двоичных единицах:

J a
p a
( ) = −
( )
log2
.

Совокупность всех возможных сообщений и вероятностей их по
явления образует ансамбль сообщений. Если ансамбль состоит всего 
из двух сообщений a1 и a2 вида «да» и «нет» или 0 и 1, которые являются независимыми и равновероятными, т.е. p(a1) = p(a2) = 0,5, то 
каждое сообщение несет двоичную единицу информации, которую 
принято называть битом:

J a
p a
p a
( ) = −
( ) = −
= −
=
log
log
(
)
log
,
2
1
2
2
2 0 5
1бит .

Если оценивать информационные свойства сообщения в целом, 

то вводится среднее количество информации, приходящейся на одно 
сообщение, — энтропия источника сообщений. Энтропия источника 
определяется как математическое ожидание количества информации:

H a
p a J a
p a
p a
i
i

i

m

i
i

i

m

( ) =
= −

=
=
∑
∑
(
) (
)
(
)log
(
)

1

2

1

.

Это выражение справедливо для источника с независимыми со
общениями. Однако источники обычно имеют зависимые сообщения. Примером может служить обычный текст, где появление той 
или иной буквы зависит от предыдущих буквенных сочетаний. Так, 
после сочетания букв «ит» вероятность следования гласных «о», «е» 
больше, чем согласных.

Любой источник зависимых сообщений обладает избыточностью. 

Это означает, что если источник создает последовательность сообщений с заранее известной статистической связью, то часть сообщений является ненужной (избыточной) и их можно не передавать, 
а восстанавливать при приеме по известной статистической связи. 
Так поступают, например, при передаче телеграмм, исключая из 
текста союзы, предлоги и знаки препинания, потому что они легко 

восстанавливаются при чтении телеграммы на основе известных правил построения фраз и слов. Наличие избыточности, с одной стороны, позволяет исправлять часть искаженных сообщений, а с другой стороны, приводит к тому, что за данный промежуток времени 
по каналу передается меньшее количество информации, чем это возможно.

Для оценки среднего количества информации, создаваемой ис
точником в единицу времени, используется показатель производительности источника сообщений. Наибольшей производительностью 
обладает источник с максимальной энтропией.

В широком смысле слова под сигналом понимают материальный 

носитель информации. При этом к сигналам относят как естественные сигналы, так и сигналы, специально создаваемые с определенной целью. Естественными являются, например, световые 
сигналы, позволяющие видеть окружающий мир, космические сигналы. Примером специально создаваемых сигналов могут служить 
сигналы, генерируемые с целью извлечения информации об изменениях в объекте или процессе (эталонные сигналы).

В дальнейшем понятие «сигнал» мы будем использовать в узком 

смысле как сигнал, специально создаваемый для передачи сообщения в информационной системе. Материальную основу сигнала составляет какой-либо физический объект или процесс, называемый 
носителем (переносчиком) информации. Носитель становится сигналом в процессе модуляции. Параметры носителя, изменяемые во 
времени в соответствии с передаваемым сообщением, называют информативными.

В качестве носителей информации используются колебания раз
личной природы, чаще всего гармонические, включая и постоянное 
состояние при ω = 0. В технических информационных системах наиболее широкое распространение получили носители в виде электрического напряжения или тока.

В носителе U t( ) = const  имеется только один информативный 

параметр — уровень; в гармоническом колебании информативными 
могут быть амплитуда, частота, фаза.

Детерминированные колебания определены в любой момент вре
мени. Случайные колебания характеризуются тем, что значения некоторых параметров предсказать невозможно. Они могут рассматриваться как сигналы, если они несут информацию, или как помехи, 
мешающие наблюдению сигналов.