Дипломная работа: Устройства передачи информации по сети электропитания
ОУ – операционный усилитель;
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство;
ПК – персональный компьютер;
ППЗУ – перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство;
ПУ – периферийное устройство;
ПФ – полосовой фильтр;
СКК – сигнально-кодовая конструкция;
УП – устройство присоединения;
ФВЧ – фильтр верхних частот;
ФНЧ – фильтр нижних частот
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;
ША – шина адреса;
ШД – шина данных.
ВВЕДЕНИЕ
Компьютерные сети прочно закрепились во многих отраслях деятельности человека. Поэтому многие производители компьютерной техники, наряду с выпуском компьютеров и периферийных устройств, наладили выпуск сетевого оборудования и программного обеспечения. При этом для объединения в сеть нескольких компьютеров и периферийных устройств, они используют различные технические решения. Однако основные принципы обмена информацией между компьютерами или компьютерами и периферийными устройствами остаются везде неизменными. Во всех существующих технологиях есть свои преимущества и недостатки. И поэтому каждая технология находит применение в тех ситуациях, где она наиболее удовлетворяет потребностям пользователей.
При современном уровне развития компьютерной техники и сетевых технологий, к компьютерным сетям предъявляются жесткие требования. Компьютерная сеть должна обеспечивать требуемую для конкретных условий скорость передачи; так же она должна быть мобильной, с большим количеством точек доступа, при этом не должна требоваться прокладка кабеля; сеть должна иметь простое администрирование; она должна обеспечивать высокую надежность при простых технических решениях; сеть должна поддерживать все возможные типы сетевого оборудования и при всем этом она должна быть дешевой.
При всеобщей глобальной компьютеризации, как простого населения, так и предприятий, организаций и спецслужб появилась необходимость организации временных компьютерных сетей в очень короткое время. В основном такая необходимость возникает на предприятиях и организациях занятых исследовательской деятельностью или раздельным выполнением одного проекта, а так же у организаций занятых ликвидацией чрезвычайных ситуаций.
Одним из возможных вариантов организации временных компьютерных сетей является система передачи данных по энергосетям, физический уровень передающей части которой разрабатывается в данной дипломной работе.
В дипломной работе будет разработана передающая часть устройства передачи данных по энергосетям.
Раздел "Охрана труда" выполняется с целью создания безопасных условий труда при работе с компьютерной техникой, в частности с разрабатываемым устройством.
В экономической части диплома будет произведен расчет себестоимости проектируемого устройства и анализ конкурентоспособности.
1. О БЗОР АНАЛОГИЧНЫХ УСТРОЙСТВ
В настоящее время компьютерные технологии и в частности компьютерная связь стали неотъемлемой частью производственного процесса и жизнедеятельности человека. Многие производители компьютерной техники, наряду с выпуском компьютеров и периферийных устройств, наладили выпуск сетевого оборудования и программного обеспечения. При этом, для объединения в сеть нескольких компьютеров и периферийных устройств, они используют различные технические решения. Однако основные принципы обмена информацией между компьютерами или компьютерами и периферийными устройствами остаются везде неизменными.
Для обмена данными между компьютером и периферийным устройством (ПУ) в компьютере предусмотрен внешний интерфейс, то есть соединения между компьютером и периферийным устройством, а так же набор правил обмена информацией. Интерфейс реализуется со стороны компьютера совокупностью аппаратных и программных средств: контроллером ПУ и специальной программой, управляющей этим контроллером – драйвером ПУ. Периферийное устройство использует внешний интерфейс компьютера не только для приема информации, но и для передачи информации в компьютер, то есть обмен данными по внешнему интерфейсу, как правило, является двунаправленным. Программа, выполняемая процессором, может обмениваться данными с помощью команд ввода/вывода с любыми модулями, подключенными к внутренней шине компьютера, в том числе с контроллерами ПУ. Контроллеры ПУ принимают команды и данные от процессора в свой внутренний буфер (регистр или порт), затем выполняют необходимые преобразования этих данных и команд в соответствии с форматами, понятными периферийному устройству, и выдают их на внешний интерфейс.
Ethernet – самая распространенная на сегодняшний день технология локальных сетей. В широком смысле Ethernet – это целое семейство технологий, включающее различные форменные и стандартные варианты. Почти все виды технологий Ethernet используют один и тот же метод разделения среды передачи данных – метод случайного доступа CDMA/CD, который определяет облик технологии в целом. Важным явлением в сетях Ethernet является коллизия – ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общей среде. Наличие коллизий – это неотъемлемое свойство сетей Ethernet, являющееся следствием принятого случайного метода доступа. Возможность четкого распознавания коллизий обусловлена правильным выбором параметров сети, в частности соблюдением соотношения между минимальной длиной кадра и максимально возможным диаметром сети. На характеристики производительности сети большое значение оказывает коэффициент использования сети, который отражает загруженность сети. При значениях этого коэффициента свыше 50% полезная пропускная способность резко падает: из-за роста интенсивности коллизий, а так же увеличения времени ожидания доступа к среде. Максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet в кадрах в секунду достигается при передаче кадров минимальной длины и составляет 14880 кадр/с. При этом полезная пропускная способность сети составляет всего 5,48 Мбит/с, что лишь немного более половины от номинальной пропускной способности – 10 Мбит/с. Технология Ethernet поддерживает 4 разных типа кадров, которые имеют общий формат адресов узлов. Существуют формальные признаки, по которым сетевые адаптеры автоматически распознают тип кадра. В зависимости от типа физической среды существуют различные спецификации: 10Base-5, 10Base-2, 10Base-Т, FOIRL, 10Base-FL, 10Base-FB. Для каждой спецификации определяются тип кабеля, максимальные длины непрерывных отрезков кабеля, а так же правила использования повторителей для увеличения диаметра сети: правило «5-4-3» для коаксиальных вариантов сети, и правило «четырех хабов» для витой пары и оптоволокна.
Технология TokenRing развивается в основном компанией IBM. В сетях TokenRing используется маркерный метод доступа, который гарантирует каждой станции получение доступа к разделяемому кольцу в течение оборота маркера. Метод доступа основан на приоритетах: от 0 до 7. Станция сама определяет приоритет текущего кадра и может захватить кольцо только в том случае, когда в кольце нет более приоритетных кадров. Сети TokenRing работают на двух скоростях 4 и 16 Мбит/с и могут использовать в качестве физической среды экранированную витую пару, неэкранированную витую пару, а так же оптоволокно. Максимальное количество станций в кольце – 260, а максимальная длина кольца – 4 км. Технология TokenRing обладает элементами отказоустойчивости. За счет обратной связи кольца одна из станций - активный монитор – непрерывно контролирует наличие маркера, а так же время оборота маркера и кадров данных. При некорректной работе кольца запускается процедура его повторной инициализации, а если она не помогает, то для локализации неисправного участка кабеля или неисправной станции используется процедура beaconing. В сети TokenRing станции в кольцо объединяют с помощью концентраторов (MSAU). Пассивный концентратор выполняет роль кроссовой панели, которая соединяет выход предыдущей станции в кольце со входом последующей. Максимальное расстояние от станций до MSAU – 100 м для STP и 45 м для UTP. Активный монитор выполняет в кольце так же роль повторителя – он ресинхронизирует сигналы, проходящие по кольцу. Кольцо может быть построено на основе активного концентратора MSAU, который в этом случае называется повторителем. Сеть TokenRingможет строиться на основе нескольких колец, разделенных мостами, маршрутизирующими кадры по принципу «от источника», для чего в кадр TokenRing добавляется специальное поле с маршрутом прохождения колец [1].
В основе построения беспроводных локальных вычислительных сетей лежит технология Ethernet. На физическом уровне для беспроводных локальных сетей определены четыре различные способа передачи данных: инфракрасное излучение, лазеры, радиопередачи в узком спектре (одночастотные передачи) и радиопередачи в рассеянном спектре. Последние два способа имеют общее название – радиопередача в размытом спектре. При этом используются частоты в диапазоне 2.4 – 2.4835 ГГц. Этот диапазон является безлицензионным. Технология обеспечивает возможность передачи со скоростью 1 – 16 Мбит/с. Суть радиопередачи в узком спектре заключается в модуляции исходных данных при помощи широкополосного сигнала. Приемнику известен модулирующий сигнал, поэтому он может восстановить исходный сигнал. Первоначально многие выпускаемые продукты были рассчитаны на работу в диапазоне от 902 – 928 МГц. В настоящее время используется диапазон на частоте 3.4 ГГц. Таким образом, данный способ напоминает вещание радиостанции, при котором прямая видимость не обязательна. Площадь вещания при этом способе составляет до 46500 м2. Сигнал высокой частоты, который используется, не проникает через металлические или железобетонные преграды. При радиопередаче в рассеянном спектре сигналы передаются в некоторой полосе частот, что позволяет избежать некоторых проблем связи, которые присущи одночастотной передаче. В данном способе предусмотрена передача коротких серий данных на одной частоте, затем на другой и т. д. Поскольку каждый пользователь работает со своей уникальной последовательностью частот, в одном диапазоне работает несколько пользователей одновременно. Благодаря этому в этом способе более рационально используется доступный диапазон частот. Последовательность скачков должна иметь не менее 75 различных частот, при этом длительность передачи на конкретной частоте должна длиться не более 400 мкс. При наличии помех, на какой либо частоте передача повторяется на следующей частоте. Скорость передачи при использовании радиопередачи в рассеянном спектре 250 кбит/с – 2 Мбит/с. Если скорость передачи 2 Мбит/с, то дальность передачи достигает 3,2 км. Все инфракрасные беспроводные сети используют для передачи данных инфракрасные лучи. В подобных системах необходимо генерировать очень сильный сигнал, так как в противном случае значительное влияние будет оказывать отражение поверхностей. Этот способ позволяет передавать сигналы с большой скоростью, поскольку инфракрасный свет имеет широкий диапазон частот. Инфракрасные сети способны нормально функционировать на скорости 10 Мбит/с. Лазерная технология требует прямой видимости между передатчиком и приемником. Если каким либо причинам луч будет прерван, то это прервет и саму передачу.
При передаче данных по телефонным сетям, используется устройство называемое модем. Основная функция модема — преобразование несущего гармонического колебания (одного или нескольких его параметров) в соответствии с законом изменения передаваемой информационной последовательности. Благодаря использованию модемов, удалось достигнуть скоростей передачи данных – 14400, 28800 бит/с. При этом используются различные протоколы модуляции (V.32bis, V.34) и протоколы уплотнения [2].
В 1996 году альянсом фирм 3Com, AgereSystem, AMD, AT&TWirelessServices, Hewlett-Packard, Intel, Motorola и др. был разработан стандарт HomePNA. При разработке данной сетевой технологии ставились задачи: достижение максимально возможной скорости передачи на относительно небольшом расстоянии по уже существующей телефонной проводке; при этом должна обеспечиваться максимальная совместимость с уже существующими аналогами; обеспечение широкополосного доступа к Internet и передача медиа информации. В итоге технология HomePNA основывается на протоколе Ethernet и следовательно, при разрешении конфликтов между устройствами использует алгоритм CSMA/CD. Поскольку в телефонных линиях уже использовались частотные диапазоны голосовой связи (3.5 кГц) и модемной связи xDSL (1.1 МГц), в качестве рабочего диапазона был выбран диапазон от 4 до10 МГц. На физическом уровне HomePNA используется квадратурная амплитудная модуляция QAM. Это позволило обеспечить базовую пропускную способность до 10 Мбит/с, а максимальную – до 32 Мбит/с. Так же в HomePNA применяется дублирование потоков данных на разных частотах. Эта методика называется FDQAM. Избыточно широкий диапазон 6 МГц поделен на три полосы по 2 МГц, в каждой из которых транслируется копия информационного потока. Таким образом, даже если на какой-то частоте возникает мощный источник помех, то приемник по-прежнему в состоянии считывать сигнал на другой частотной полосе. Использование в реальных условиях HomePNA сталкивается с некоторыми трудностями. Так, например, подключение в телефонную сеть хотя бы одного телефона ведет к уменьшению скорости передачи на 7-12%. При создании большой сети HomePNA (более 10 абонентов), путем соединения их в общую шину, необходимо использовать HomePNA-коммутатор, что ведет к увеличению стоимости сети. Иначе будет наблюдаться снижение скорости обмена до 2 кбит/с, причем количество потерянных пакетов достигает 19 из 75. Так же на пути внедрения сетей HomePNA в использование лежат не только технические проблемы, но так же и юридические. Законодательством предусмотрена ответственность за несанкционированное подключение к телефонным линиям либо подключение устройств, не сертифицированных в Украине [3].