План-конспект урока по теме Физический уровень передачи данных

Этапы урока

Содержание этапов урока

1. Организационный момент.

Цели для преподавателя:

- создать условия для возникновения у обучающихся внутренней потребности включения в учебную деятельность;

- способствовать повышению мотивации учения.

Цели для обучающихся:

- включиться в учебную деятельность;

- подготовиться к восприятию нового учебного материала.

Цели этапа занятия достигаются посредством:

-объявления темы занятия и постановки общих целей;

- разъяснения роли изучаемого содержания в процессе формирования конкретных общих и профессиональных компетенций;

- раскрытия значения изучаемого содержания для будущей профессиональной деятельности;

1. Вводный инструктаж

1.1. Проверка наличия обучающихся. Повторение техники безопасности в кабинете информатики.

Начинаем занятие. Отметим отсутствующих на занятие и проверим вашу готовность к занятию на наличие тетрадей.

1.2. Целевая установка на урок.

Сегодня у нас новая тема «Аналоговая и цифровая передача данных», запишите тему занятия в тетрадях.

Обучающиеся записывают тему занятия.

Эта тема имеет большое профессиональное значение. Она направлена на формирование такой компетенции как «организовывать собственную деятельность выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество».

2. Опрос обучающихся по теме.

Цели для преподавателя:

- установить уровень усвоения знаний;

-обобщить и закрепить знания, актуальные на занятие;

-определить ошибки и пробелы в знаниях, пути их устранения;

- стимулировать активность и инициативу обучающихся при опросе.

Цели для обучающихся:

-актуализировать знания, необходимые для восприятия нового учебного материла;

-владеть различными видами устного изложения учебного материала в соответствии с заданием;

Цели этапа занятия достигаются посредством:

- формулировки критериев оценки уровня знаний обучающихся;

- проведения оценки выявленного уровня знаний;

-проведения оценки активности обучающихся в проведенном опросе.

2. Актуализация опорных знаний и способов действий.

Кто мне может ответить:

Вопрос: «Назовите типы кабелей»?

Расскажите о каждом виде.

Обучающие осмысливают заданный вопрос, вспоминают, отвечают:

Основная цель выявить уровень знаний учащихся, познакомить с понятием «этап», информационное обществом.

3. Изучение нового учебного материала (способов действий).

Цели для преподавателя:

- обеспечить понимание планируемого результата деятельности, основных путей его достижения;

-способствовать развитию познавательных способностей обучающихся, посредством организации самостоятельной работы.

Цели для обучающихся:

познакомиться с физическим уровнем передачи данных

Цели этапа занятия достигаются посредством:

- обеспечения понимания планируемого результата деятельности, основных путей его достижения;

- определения критериев, позволяющих обучающимся самостоятельно определять степень достижения запланированного результата;

- организации активной самостоятельной деятельности обучающихся по написанию лекции во время занятия.

3. Теоретическая часть.

Назначение физического уровня - передавать данные в виде потока бит от одной машины к другой. Для передачи можно использовать разные физические среды. Каждую из них характеризуют следующими параметрами:

• полоса пропускания

• пропускная способность

• задержка

• стоимость

• простота прокладки

• сложность в обслуживании

Кроме вышеперечисленных, есть и другие, например:

• достоверность передачи

• затухание

• помехоустойчивость

• и т.д.

2.3.1. Магнитные носители

Магнитная лента или магнитный диск в сочетании с обычным транспортным средством (автомашина, железная дорога и т.п.) могут быть прекрасной физической средой передачи данных. Это так особенно там, где высокая пропускная способность и низкая стоимость передачи в расчете на один бит – ключевые факторы.

2.3.2. Витая пара

Хотя вагон с магнитной лентой - это очень дешевый способ передачи, но задержка при передаче очень большая: в лучшем случае часы, обычно сутки. Для многих приложений нужен оперативный обмен информацией. Самой старой и все еще используемой средой передачи со времен появления телефона является витая пара. Витая пара состоит из двух медных изолированных проводов, один из которых обвит вокруг другого. Этот второй, вьющийся провод предназначен для устранения взаимного влияния между соседними витыми парами.
Витая пара широко используется в телефонии. Между абонентами и АТС линии из витой пары могут иметь протяженность до нескольких километров без промежуточного усиления. Например, в России в городских условиях средняя длина абонентской линии равна 1,5 км. Витые пары объединяются в многопарные кабели.

Витая пара может быть использована для передачи как цифровых, так и аналоговых сигналов. Ее пропускная способность зависит от толщины используемых проводов и расстояния. Скорость в несколько мегабит в секунду вполне достижима с помощью соответствующих методов передачи. На коротких расстояниях (до сотни метров) может быть достигнута скорость до 1 Гбит/сек., на больших расстояниях (несколько километров) - не превышает 4 Мбит/сек. Учитывая это, а также низкую стоимость витой пары, она широко используется при создании ЛВС и, скорее всего, будет продолжать использоваться.
Наиболее часто используемыми являются кабели категории 3 и категории 5. Кабель категории 3 содержит по четыре витые пары с невысокой плотностью навивки и имеет полосу пропускания до 16 МГц. Кабель категории 5 имеет тоже четыре пары, но с более плотной навивкой, что позволяет достичь более высоких скоростей, и имеет полосу пропускания 100 МГц. В таблице 2-15 в первых 4-х столбцах приведены характеристики затухания сигнала для витой пары категорий 3 и 5, а также для экранированной витой пары 150 ом.
Таблица 2-15. Характеристики затухания для разных видов витой пары

^

2.3.3. Коаксиальные кабели

Как и у витой пары, у коаксиального кабеля есть два проводника. Однако устроены они иначе, что позволяет существенно увеличить полосу пропускания. На рисунке 2-16 показано устройство коаксиала. Центральный проводник представляет собой толстый медный провод, окруженный изолятором. Эта конструкция помещается внутри второго цилиндрического проводника, который обычно представляет собой плетеную плотную металлическую сетку. Все это закрывается плотным защитным слоем пластика. Обычно толщина коаксиала от 1 до 2,5 см, поэтому монтировать и прокладывать его сложнее, чем витую пару. Однако у коаксиала полоса пропускания шире и характеристики по затуханию сигнала (см. рисунок 2-17) лучше, чем у витой пары. Из этого рисунка видно, что коаксиальные кабели работают на частотах от 1 МГц до 500 МГц. Поэтому эти кабели применяют на больших расстояниях и по ним могут передаваться одновременно несколько потоков данных от разных компьютеров.

Рисунок 2-16. Устройство коаксиального кабеля



Такие кабели находят самое широкое применение. Наиболее популярные из них:

• передача телевизионных сигналов, включая системы кабельного телевидения

• передача нескольких телефонных разговоров одновременно на большие расстояния между телефонными станциями, построение ЛВС

• подключение компьютерных периферийных устройств на небольших расстояниях

Рисунок 2-17. Характеристики затухания сигнала для разных видов кабелей

Коаксиальные кабели используют для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов. Как видно из рисунка 2-15, коаксиальные кабели превосходят по своим характеристикам витую пару. У них шире полоса пропускания, а следовательно, выше скорость передачи данных. Основными ограничителями скорости и расстояния при передаче без усиления являются в этих кабелях затухание сигнала, тепловой шум и интермодуляционный шум. Последний вид шума возникает, когда всю полосу пропускания кабеля разбивают на более узкие полосы и каждую такую полосу используют как отдельный канал. Интермодуляционный шум возникает на границах таких каналов.
Есть два основных вида коаксиальных кабелей: узкополосный с волновым сопротивлением 50 Ом и широкополосный с волновым сопротивлением 75 Ом.
Узкополосный кабель позволяет достигать скорости в несколько Гбит/сек при длине в 1-2 км и высокой помехозащищенности. При большем расстоянии нужны промежуточные усилители. Эти кабели широко использовались между АТС. Они позволяют передавать более 10000 разговоров одновременно. В настоящее время они заменяются оптоволоконными линиями.
Существенное различие между узкополосным кабелем и широкополосным в том, что широкополосный кабель применяется для передачи аналоговых сигналов на больших расстояниях и, следовательно, требует промежуточных аналоговых усилителей. Эти промежуточные усилители пропускают сигналы только в одном направлении. Поэтому машина, получившая поток битов, не может использовать для ответа тот же путь, по которому поток битов к ней пришел. Для решения этой проблемы есть два вида систем: двухкабельные и однокабельные системы. (См. рисунок 2-18).
Рисунок 2-18. Двухкабельные и однокабельные системы


В двухкабельных системах (рисунок 2-18 (а)) прокладывается сразу два кабеля: один кабель используется для входящего потока, а второй для исходящего. Компьютер соединен этими кабелями со специальной головной станцией, которая перебрасывает трафик с одного кабеля на другой, идущий в нужном направлении. В однокабельных системах полоса частот разделяется между входящим и исходящим трафиками. Например, полоса от 5 до 30 МГц служит для входного трафика, а полоса от 40 до 300 МГц – для выходного. Эта граница в каждой стране устанавливается своя. Низкая полоса частот используется для передачи данных от компьютера к головной станции, которая сдвигает их в сторону высоких частот и передает на другие компьютеры.
Коаксиальные кабели активно используют в системах кабельного телевидения. Кабельное телевидение, которое охватывает во многих странах до 90% всех домов (США, Голландия) становится претендентом на роль городской вычислительной сети (MAN). Системы кабельного телевидения используют также для телефонных разговоров и передачи данных. В настоящее время в этой области идет жесткая конкурентная борьба между телефонными компаниями и компаниями кабельного телевидения.

Оптоволокно

Волоконнооптические линии - одно из наиболее интенсивно развиваемых направлений средств связи. Если сравнить темпы развития трех основных движущих сил средств передачи и обработки данных: микропроцессорную технику, средства телекоммуникаций и инженерию программного обеспечения, то мы увидим, что микропроцессоры удваивают свою производительность каждые 18 месяцев, пропускная способность каналов связи вырастает на 75% в год. По прогнозам специалистов, к 2011 году кремниевая технология исчерпает свои потенциальные возможности по дальнейшему увеличению производительности. На горизонте развития оптоволоконных линий связи, которые уже сейчас имеют пропускную способность в 50000 Гбит/сек., пока подобных проблем не видно. Поэтому можно сказать, что эту гонку скоростей пока выигрывают линии связи. И главную роль здесь, конечно, играют волоконнооптические кабели.
Для использования оптической связи нужен источник света, светопроводящая среда и детектор, преобразующий световой поток в электрический. На одном конце волоконнооптической линии находится передатчик - источник света, световой импульс от этого источника проходит по светопроводящему волокну и попадает на детектор, который расположен на другом конце этой линии и  преобразует этот импульс в электрический.
Одна из основных проблем создания оптоволоконных систем состояла в том, чтобы не дать световому пучку рассеяться через боковую поверхность силиконового шнура. Количество рассеиваемой энергии зависело от угла падения светового луча на стенки шнура. На рисунке 2-19 показана эта зависимость. При углах больше некоторого критического угла, называемого углом полного внутреннего отражения, вся энергия луча отражается обратно внутрь.
Рисунок 2-19. Угол падения луча в оптоволоконном кабеле


Если сделать силиконовый шнур толщиной, близкой к длине волны источника света, то этот шнур будет работать как провод для тока, без потерь на внутреннее отражение. По такому одномодовому шнуру можно передавать данные со скоростью несколько Гбит/сек. на сотню километров без промежуточного усиления.
Поскольку можно испускать несколько лучей разной длины волны так, чтобы они попадали на границы шнура под углом, большим угла полного внутреннего отражения, то по одному шнуру можно пускать несколько лучей. Каждый луч, как говорят, имеет свою моду. Так получается многомодовый шнур.

2.3.4.1. Прохождение света через оптоволокно

Оптоволокно делают из стеклоподобного материала, который, в свою очередь, производят из песка и других широко распространенных материалов. Стекло известно со времен египтян. Однако прозрачное оконное стекло научились делать только в эпоху Ренессанса. Современное стекло, используемое для оптоволокна, настолько прозрачно, что если им заполнить океан, то в любой его точке мы смогли бы видеть дно, как мы видим землю с борта самолета.
Рисунок 2-20. Зависимость затухания оптического сигнала от длины волны


Затухание оптического сигнала в стекле зависит от длины волны источника света. На рисунке 2-20 показана зависимость затухания от длины волны. Затухание измеряется в dB по следующей формуле:

где Tр – мощность передаваемого сигнала, Rp – мощность полученного сигнала
Из этой формулы следует, что при падении мощности сигнала в два раза затухание будет равно примерно 3 дБ. На рисунке 2-20 видно, что затухание меньше всего в инфракрасной части спектра, которую и используют на практике. Видимая часть спектра располагается в области более коротких волн 0,4 – 0,7 микрон (1 мкм = 10^-6 м).
Для передачи используются три полосы с длинами волн 0,85, 1,30 и 1,55 мкм. Две последние обладают тем замечательным свойством, что их затухание составляет менее 5% на километр. Длина волны в 0,85 мкм имеет большее затухание, но хороша тем, что лучше соответствует возможностям лазерных источников света. У всех трех полос ширина полосы пропускания от 25 000 до 30 000 ГГц.
Другую проблему при использовании оптоволокна представляет дисперсия: исходный световой импульс по мере распространения теряет начальную форму и размеры. Это явление называется дисперсией. Величина этих искажений также зависит от длины волны. Одно из возможных решений - увеличить расстояние между соседними сигналами. Однако это сократит скорость передачи. К счастью, исследования показали, что если придать сигналу некоторую специальную форму, то дисперсионные эффекты почти исчезают и сигнал можно передавать на тысячи километров. Сигналы в этой специальной форме называются силитонами.
2.3.4.2. Оптоволоконный кабель.

Устройство оптоволоконного кабеля показано на рисунке 2-21. Кабель состоит из сердечника, состоящего из сверхпрозрачного оптоволокна. В одномодовом кабеле сердечник имеет толщину 8-10 микрон, в многомодовом - около 50 микрон (это примерно толщина человеческого волоса). Сердечник окружен оптическим покрытием: стекловолокном с низким коэффициентом рефракции, сокращающим потери света через границу сердечника. Сверху все покрыто защитным пластиком.
Рисунок 2-21. Устройство оптоволоконного кабеля


Такой кабель прокладывают и под землей, где он нередко становится жертвой экскаваторов и другой землеройной техники, и под водой, где он становится добычей тралов и акул. Соединяют его электрически с помощью специальных коннекторов, механически, прижимая один край к другому, либо сваривая воедино оба конца. Все эти манипуляции приводят  к потере от 5 до 20% мощности сигнала в точке соединения.

Используются два вида источников света: светодиод (LED) и полупроводниковый лазер. У них разные свойства, которые показаны в таблице 2-22. С помощью специальных интерферометров эти источники света можно настроить на нужную длину волны. На принимающем конце стоит фотодиод, время срабатывания которого равно 1 нсек., что ограничивает максимальную скорость передачи до 1 Гбит/сек.
Таблица 2-22. Сравнение свойств светодиода и полупроводникового лазера

2.3.4.3. Оптоволоконные сети

С помощью оптоволокна можно строить как LAN, так и сети большего масштаба. Подключение к оптоволоконной сети более сложное, чем к Ethernet-сети. Чтобы понять, как решается проблема построения сети из оптоволокна, надо осознать, что сеть типа «кольцо» представляет из себя цепочку соединений типа «точка-точка», как показано на рисунке 2-23.

Рисунок 2-23. Оптоволоконное кольцо



Такие соединения могут быть двух видов: пассивное и активное. У пассивного есть светодиод либо лазер, и фотодиод. Принимая сигнал через фотодиод, это соединение передает электрический сигнал компьютеру или транслирует его дальше с помощью светодиода или лазера. Это абсолютно надежное соединение. Выход из строя любого из компонентов не нарушает связь по кольцу, а лишь блокирует работу отдельного компьютера.
Активное подключение (рисунок 2-23, правая часть) содержит промежуточный усилитель электрического сигнала. Фотодиод преобразует оптический сигнал в электрический. Этот сигнал усиливается, передается компьютеру либо транслируется дальше с помощью лазера или светодиода.
Кроме кольца, возможны соединения типа пассивной звезды (рисунок 2-24). Все линии, по которым оптический сигнал передается от компьютера, заходят в специальное устройство пассивной звезды, сигналы от них воспринимаются по всем линиям, исходящим из этого устройства и передают к надлежащим приемникам.

Рисунок 2-24. Соединение типа «пассивная звезда»

2.3.4.4. Сравнение возможностей медного кабеля и оптоволокна
В заключение сравним возможности медного кабеля и оптоволокна:

1. Ширина полосы пропускания у оптоволокна несравненно больше, чем у медного кабеля, что позволяет достичь скорости в сотни Гбит/сек на расстояниях в десятки километров. Напомним, что коаксиал дает скорость максимум в несколько сотен Мбит/сек. примерно на 1 километре. Витая пара дает несколько Мбит/сек. на 1 километр и из нее можно выжать до 1 Гбит/сек. на расстоянии до 100 м.

1. Оптоволокно компактнее и меньше весит. При той же пропускной способности коаксиальный кабель и кабель из витых пар существенно тяжелее оптоволокна. Это существенный фактор, влияющий на стоимость и требования к опорным конструкциям. Например, 1 км 1000-парника весит 8 тонн, а оптоволокно аналогичной пропускной способности – 100 кг.

1. Затухание сигнала в оптоволокне существенно меньше, чем в коаксиале и витой паре, и остается постоянным для широкого диапазона частот.

1. Оптоволокно не восприимчиво к внешним электромагнитным излучениям. Поэтому ему не страшны интерференция, импульсные шумы и взаимные наводки. Оптоволокно не излучает энергию, поэтому не влияет на работу другого оборудования. Его трудно обнаружить, следовательно найти и повредить.

1. Чем меньше репитеров, тем дешевле система и меньше источников ошибок. С этой точки зрения оптоволоконные системы достигли большего совершенства. Для этих систем среднее расстояние между репитерами – сотни километров. Для коаксиала или витой пары тот же показатель равен нескольким километрам.

В таблице 2-25 приведены основные характеристики витой пары, коаксиала и оптоволокна.

Таблица 2-25. Сравнение характеристик витой пары, коаксиала и оптоволокна

4. Задание на дом.

Цели для преподавателя:

- провести анализ и оценку успешности достижения цели урока, перспектив последующей работы;

- мобилизовать обучающихся на рефлексию результатов учебной деятельности;

- поставить цели самостоятельной работы для обучающихся (что должны сделать обучающиеся в ходе выполнения домашнего задания).

Цели для обучающихся:

- уяснить цели и содержание домашнего задания.

Цели этапа урока достигаются посредством:

- достижения открытости обучающихся в осмыслении своих действий и самооценки;

- определения для обучающихся содержания и объема домашнего задания.

4.Заключительная часть. Подведение итогов, выставление отметок.

Сегодня мы с вами: познакомились с физическим уровнем передачи данных

4.1. Определение задания на дом.

Задание. К следующему занятию выучите лекцию.