Автоматизація проектування технічних засобів захисту інформації

Автоматизація проектування технічних засобів захисту інформації

Автоматизація проектування технічних засобів захисту інформації

1. Модулятори й демодулятори

Для передачі повідомлень по каналі зв'язку, крім кодування, у багатьох випадках потрібно ще одне перетворення інформаційного сигналу, що називається модуляцією (від латинського modulation - мірність) на передавальній стороні й демодуляцією - на приймальні.

У вихідному стані сигнал-носій являють собою як би чисту поверхню, підготовлену до нанесення необхідних даних при модуляції, коли змінюється який-небудь один або кілька (при складній модуляції) його параметрів відповідно до переданої інформації.

У загальному випадку, при використанні в якості носія постійного струму є два інформаційних параметри - величина напруги і його полярність, у випадку коливання (наприклад, змінна напруга) - амплітуда, фаза й частота, у випадку послідовності імпульсів - амплітуда, фаза, частота проходження, тривалість імпульсів або пауз, число імпульсів, комбінації імпульсів і пауз, що відбивають певний код. Залежно від виду сигналу-носія розрізняють наступні види модуляції: AM, ЧМ, ФМ, АІМ, ЧІМ, ЧАІМ, ШІМ, ФІМ, КІМ, ЛІМ.

Сигнали імпульсної модуляції можуть мати високочастотне заповнення - сигнал несучої частоти. У зв'язку із цим застосовують подвійні позначення виду модуляції, наприклад АІМ-ЧМ, КІМ-ФМ і т.д., де друге позначення відноситься до виду модуляції сигналу несучої.

При описі сигналу деякою кількістю параметрів частина з них може бути детермінованою, тобто відомою заздалегідь, а частина випадкової, тобто несучу інформацію. При тривалому існуванні сигналу він може на певному інтервалі як детермінований.

При описі модульованих сигналів найчастіше використовується частотне подання ряду Фур'є в комплексній формі:

Амплітуда (при зазначених значеннях k  і  є комплексно сполученими); Т - період;  - кругова частота.

Функція , де  називається комплексним спектром, її модуль  - амплітудним спектром сигналу, а залежність аргументу (фази) від частоти - спектром фаз.

Внаслідок спряженості комплексних амплітуд їхні модулі однакові, тому для подання спектра досить зображувати тільки позитивну смугу частот, що визначає ширину спектра сигналу. Цей параметр є одним з основних, оскільки він визначає ступінь узгодження сигналу апаратурою обробки інформації (каналом): для виключення втрати інформації ширина спектра не повинна перевищувати смугу пропущення каналу.

Для неперіодичного сигналу, обумовленого на нескінченному інтервалі часу, перетворення Фур'є мають вигляд:

Спектральна функція (характеристика) сигналу; модуль  називається просто спектром, а величина - спектральною щільністю енергії.

1.1 Амплітудні модулятори

Першовідкривачем амплітудної модуляції (AM) вважається американський інженер Р. Фессенден (1906 рік). Цей вид модуляції з 1920 року став основним у радіомовленні. Різновид AM - з однією бічною смугою - винайшов американський вчений Дж.Р. Карсон (1915 рік). Такий вид AM відрізняється майже у два рази меншою смугою займаних частот каналу зв'язку й широко застосовується дотепер у системах багатоканального зв'язку й у телемовленні. Ще один різновид AM - полярна модуляція - була розроблена С.И. Тейтельбаумом (СРСР, 1939 рік) і Л. Канном (США, 1961 рік). Суть цього методу модуляції полягає в тім, що позитивна напівхвиля несучої частоти модулювалася по амплітуді одним повідомленням, а негативна - іншим. У СРСР такий вид AM використовувався в системі стереофонічного радіомовлення.

АМ-сигнал у загальному випадку описується виразом:

,

де U - амплітуда несучого коливання; - сигнал, що модулює; - частота й початкова фаза несучого сигналу. Якщо  представлено низькочастотним синусоїдальним сигналом з амплітудою  й частотою  то

,

- коефіцієнт (глибина) модуляції. Після перемножування й тригонометричних перетворень одержимо результуюче коливання в наступному виді:

Перший доданок вираження називається несучим коливанням, другий - коливанням верхньої бічної, третій - коливанням нижньої бічної частоти.

Якщо процес амплітудної модуляції представити операцією перемножування двох коливань, то результуюче коливання в комплексній формі можна виразити в такий спосіб:  або в тригонометричній формі:

Вертаючись до експонентної форми, одержимо:

,

де - дійсна й мнима частина комплексу u [j()].

Перейдемо тепер до результатів моделювання амплітудних модуляторів типу Real і Complex, схеми включення яких містять джерело синусоїдального модулюючого сигналу Sine амплітудою 1 У, частотою 1 Гц і нульовою початковою фазою; джерело запускаючого сигналу Impulse; реєстратори Д1 - типу Display; графобудівники (плоттери); перетворювачі Cplx комплексних сигналів у їхні складові; блоки прямого FFT і зворотного 1FFT Фур'є-Перетворення; квантовач за рівнем Кв. Параметри модуляторів: несуча частота - 10 Гц, початкова фаза - 30° (тільки для модулятора Complex), інші - за замовчуванням.

Рисунок 1. Амплітудні модулятори гармонійних коливань (Файл 5-1-1)

Рисунок 1а. Амплітудний модулятор із квантуванням за рівнем і блоками прямого зворотного перетворення Фур'є (Файл 5-1-1а)

З розгляду результатів на рис. 1а можна зробити наступні висновки:

При М = 0 на виході sig модулятора Real буде немодульований сигнал несучою амплітудою 1 У (див. дисплей плоттера «АМК при М=0»); при М =1 на (виході z модулятора Complex буде модульований сигнал з максимальним розмаxoм  (див. дисплей плоттера «АМК при М=1»).

1. Сигнал на виходах

де - кутова частота вихідного сигналу, радіан/сек; f - циклічна частота Гц; t - час моделювання (параметр End у вікні команди Simulate/Simulate Range, за замовчуванням - 10 с); - початкова фаза (град.), установлювана в діалоговому вікні відповідного блоку.

3. Як видно з осцилограми спектра на рис. 1а, він містить три складові: частоту несучої 10 Гц, нижню 9 Гц і верхню 11 Гц бічні складові, інтенсивність яких при М = 1 (значення за замовчуванням) приблизно в 2 рази менше в порівнянні з несучої.

У демонстраційному прикладі (файл AM_ModuIator.vsm) джерело модулючого сигналу представлене субблоком 7, у якому за допомогою суматора 18 і джерел 14-17 синусоїдальних коливань різної частоти й амплітуди формується складний сигнал, що є обгинаючим

.2 Частотні модулятори

Винахід частотної модуляції (ЧМ) відноситься до перших років 3 (США, Корнелиус Д. Ерет, 1902 рік). Однак протягом майже 30 років для знаменитого американського інженера Э. X. Армстронга (1935 рік) вона не мала практичного застосування. Починаючи з 1940-х років цей вид модуляції знайшов найширше застосування у величезному числі систем зв'язку самого призначення: рухливої, радіорелейної, супутникової, стереофонічної, і т.д. Різновидом ЧМ є однополосна ЧМ, розроблена 1964 року К.А. Тло Урффом і Ф.И. Зонисом (США).

Вихідна напруга ЧМ-модуляторів визначається виразом:

де  - номінальне значення частоти несучого коливання;  - індекс модуляції  - девіація (зміна) несучої частоти; S - крутість модуляції характеристики, рад / Вс;  - амплітуда й частота модулює з  - початкова фаза несучої.

При М < 1 перетвориться до вигляду:

як і у випадку AM, спектр ЧМ коливання при М < 1 складається з несучої й двох бічних - верхньої й нижньої.

У більш загальному випадку (при будь-якому М)

де J_n(M) - функція Бесселя першого роду порядку п для заданого М.

При найпростішому гармонійному модулюючому сигналі ЧМ коливання характеризується нескінченним спектром з амплітудами гармонік, пропорційними Jn(M). Однак при збільшенні п, починаючи з n = M + 1, значення J_n(M) швидко убувають. При цьому число бічних частот дорівнює М + 1, а ширина спектра - 2  (M + 1) (для AM вона дорівнює 2 ).

Розглянемо результати моделювання частотних модуляторів FM типу Real і Complex, схеми включення яких містять: джерело синусоїдального сигналу, що модулює, Sine амплітудою 1 У, частотою 1 Гц і нульовою початковою фазою; реєстратори Д1 - типу Display; плоттери; перетворювачі Cplx комплексних сигналів у їхні складові. Параметри модуляторів: частота несучої - 10 Гц, початкова фаза - 30° (тільки для модулятора Complex), індекс модуляції - 5; інші - за замовчуванням.

Рис. 2. Частотний модулятор (Файл 5-2-1)

2. Канали передачі інформації

У системах передачі інформації розрізняють канал і лінію зв'язку (ЛС). Канал - це тракт руху сигналу в багаторазовій системі передачі з безліччю вхідних і вихідних пристроїв. Лінія зв'язку представляє фізичне середовище, по якій передаються сигнали. Багатоканальні системи можуть мати одно - або двопровідну ЛС. Так, у телефонії двопровідна лінія може використовуватися для передачі повідомлень великої кількості абонентів. Відповідно розрізняють апаратуру каналу й апаратуру лінії, загальну для всіх каналів.

Залежно від форми переданих сигналів і експлуатаційних вимог розрізняють канали:

−       цифрові - із цифровим (імпульсним) сигналом на вході й виході;

−       аналогові - з безперервним сигналом на вході й виході;

−       комутуємі - коли вони надаються споживачеві (наприклад, абонентові телефонної станції) на час з'єднання; такі канали містять у своєму составі комутаційне устаткування;

−       виділені - орендуються у телефонних компаній або прокладаються самою зацікавленою організацією; є двоточковими і їхня якість помітно вища якості комутуємих через відсутність впливу комутаційної апаратури;

−       двопровідні - використовуються як для передачі, так і для прийому; дозволяють заощадити на вартості кабелів, але вимагають ускладнення каналоутворюючої апаратури й апаратури користувача для рішення завдання поділу прийнятого й переданого сигналів;

−       чотирьохпровідні - комбінація із двох двопровідних для прийому й передачі; характеризуються практично повною відсутністю взаємного впливу сигналів, переданих у зустрічному напрямку.

У системах передачі інформації часто використовують такі поняття, як:(Data Terminal Equipment) - кінцеве устаткування даних (КУД), що може бути як джерелом інформації, так і її одержувачем, наприклад персональний комп'ютер, велика ЕОМ (mainframe computer), термінал, пристрій збору даних, касовий апарат, приймач глобальної навігаційної системи, модем і т.п.;(Data Communications Equipment) - апаратура передачі даних (АПД), що забезпечує можливості передачі інформації між двома або більшим числом DTE по каналу певного типу, наприклад по телефонному.

2.1 Типи каналів і ліній зв'язку

У техніці передачі інформації знаходять застосування механічні, акустичні, оптичні, електричні й радіоканали, що розрізняються по використовуваними ЛЗ і фізичній природі сигналів.

Акустичні канали діляться на канали звукового діапазону (до 20 кГц) і ультразвукового діапазону (понад 20 кГц); знаходять застосування в техніці автоматичного контролю, виявлення й зв'язки: акустичний контроль стану працюючих механічних об'єктів, ультразвукова дефектоскопія, виявлення об'єктів (підводних човнів, літаків), гідролокація, акустичний зв'язок та ін.

2.2 Електричні канали

Найбільш відомими представниками таких каналів є канали із застосуванням провідних ЛЗ цільового або багатофункціонального призначення. Наприклад, для передачі інформаційних сигналів широко застосовуються високовольтні лінії електропередачі. Шкала частот, займана сигналами в електричному каналі зв'язку, умовно ділиться на чотири діапазони: 0-200 Гц - підтональні частоти; 300-3400 Гц - тональні частоти; 4000-8500 Гц - надтональні частоти; понад 10 кГц - високі частоти. При одночасному використанні лінії для цілей зв'язку й передачі телемеханічної інформації, зазначені діапазони частот розподіляються в такий спосіб: тональні частоти використовуються для телефонії й тональної телеграфії, високі частоти - для високочастотної телефонії, підтональні й надтональні частоти - для передачі телемеханічної інформації.

Електрична лінія зв'язку (ЛЗ) являє собою електричне коло з розподіленими параметрами й характеризується первинними й вторинними параметрами. До первинного належать: погонні (на 1 метр або кілометр довжини) активний опір R проводів і втрат через поверхневий ефект (струми при високих частотах «витісняються» до поверхні провідника), Ом/км; провідність G (витік між проводами, вимірюється в сименсах (1 / Ом)), См/км; індуктивність L, Гн/км; ємність Із між проводами, Ф/км. До вторинних параметрів ставляться хвильовий опір

і постійна поширення:

,

де  - частота сигналу;  - коефіцієнт загасання (на практиці використовується у вигляді , вимірюваного в непарах (Нп)); j - коефіцієнт зрушення фаз.

Для того щоб вся минаюча по лінії енергія надходила в навантаження, потрібно, щоб опір навантаження був рівним хвильовому опору, інакше виникає ефект відбиття, при якому частина енергії, відбиваючись від кінця лінії, вертається до джерела сигналу.

Провідні ЛЗ діляться на кабельні й повітряні. Кабельні ЛЗ мають більшу надійність, меншу залежність параметрів від умов зовнішньої низки, малу провідність ізоляції (біля См/км), однак уступають повітряним за значеннями активного опору R і ємності С.

При побудові сучасних телефонних мереж застосовуються абонентські кабельні лінії на базі кручених пар, які забезпечують швидкість передачі 500 Мбіт/с на відстань близько 100 м і 4 Мбіт/с на відстань близько 1500 м.

У вітчизняній практиці абонентські лінії в переважній більшості надані симетричними нескрученими парами, що входять до складу абонентських багатопарних кабелів з жилами малого діаметра, або окремими парами проводів.

Для високошвидкісної передачі даних (до 100 Мбіт/с) на відносно короткі відстані (десятки метрів), наприклад у мережах Ethernet, звичайно використовуються кабелі типу UTP (Unshielded Twisted Pair - неекранована кручена пара) п'яти категорій:

−       1 - для передачі мови або низькошвидкісних даних (до 56 Кбіт/с);

−       2 - до 1 Мбіт/с;

−       3 - до 16 Мбіт/с;

−       4 - до 20 Мбіт/с;

−       5 - до 125 Мбіт/с (складається із чотирьох кручених пар проводів). Характеристики таких кабелів можна поліпшити за рахунок зовнішньої оболонки, що екранує, і використання відповідного лінійного кодування.

Коаксіальний кабель у порівнянні із крученою парою дозволяє працювати в більш широкій смузі частот (близько 400 Мгц на відстані 2 км). При використанні ефективного способу модуляції (0,5 Гц на біт/с) по коаксіальному кабелю можна передавати сигнали зі швидкістю 800 Мбіт/с на відстань близько 2 км, що досить, наприклад, для передачі 500 телевізійних каналів, попередньо стиснутих до 1,5 Мбіт/с.

До провідних каналів можна віднести так звані індуктивні контури (inductive loops), які складаються із двох індуктивно зв'язаних котушок і використовуються для передачі інформації на дуже малі відстані (до декількох сантиметрів). Як приклад такого середовища передачі даних можна привести картки з убудованими мікропроцесорами (smart-карти), що широко використовуються для оплати товарів (послуг) або для доступу в закриті приміщення.

2.3 Радіоканали

Радіолінії використовуються в тих випадках, коли потрібно організувати зв'язок з рухливими об'єктами або необхідно уникнути витрат на прокладку кабельних ліній. При передачі інформаційного сигналу, наприклад музичних програм, його спектр шляхом модуляції несучого коливання переноситься в область радіочастот, які можуть поширюватися в радіолінії - вільному просторі. При використанні відрізняючихся за частотою несучих можлива організація багатоканального зв'язку.

По діапазону частот розрізняються радіоканали: довгохвильового діапазону (довжина хвилі >1000 м); середньохвильового (200-1000 м); проміжного (50-200 м); короткохвильового (10-50 м); ультракороткохвильового (<10 м) діапазонів.

На поширення радіохвиль впливають відбиваючі і поглинаючі властивості земної поверхні й атмосфери, особливо іоносфери, розташованої вище стратосфери. Іоносфера складається із заряджених часток газів - електронів і іонів, що утворюються в результаті впливу сонячних променів, космічного випромінювання й метеоритних часток. Концентрація іонів має два максимуми. Першим, що називається шаром Е, розташований на висоті 110-130 км; другий (за назвою F) - на висоті близько 300 км. Зміна концентрації іонів з висотою викликає безперервну зміну кута переломлення радіохвиль, у результаті чого хвилі поширюються криволінійно. Якщо напрямок поширення стає горизонтальним, не досягши рівня максимальної іонізації, то відбувається відбиття радіохвилі убік землі. Частина хвиль відбивається шаром Е, інша частина - шаром F, третя частина «пробиває» обидва шари й виходить за межі земної атмосфери. Заломлююча здатність іоносфери зменшується зі зменшенням довжини хвилі: чим більше довжина хвилі, тим менший ступінь іонізації потрібний для її відбиття.

Хвилі, що поширюються в результаті відбиття від іоносфери, називаються просторовими, а поверхні, що поширюються уздовж, землі завдяки дифракції - поверхневими. Чим менше довжина хвилі, тим швидше загасає поверхнева хвиля (внаслідок втрат у земній поверхні) і тем повільніше загасає просторова. Сигнали довгохвильового діапазону повністю відбиваються шаром Е. Ультракороткохвильові сигнали не відбиваються, виходять за межі земної атмосфери, що дозволяє використовувати їх для космічного зв'язку. При наземному використанні ультракоротких хвиль прийомно-передавальні станції розташовуються в межах прямої видимості. Якщо вона обмежена тільки кривизною поверхні землі, то відстань між станціями (у кілометрах) розраховується по формулі

де h - висота антенної системи, м. У загальному випадку потужність радіосигналу, віднесена до одиниці площі, убуває з відстанню, в одних випадках - назад пропорційно квадрату відстані, а в інші - його кубу.

Модель Propagation Loss каналу, що імітує загасання сигналу у вільному просторі, розглянута в демонстраційному прикладі, представленому файлом Propagation Loss. vsm (рис. 4). Вихідний сигнал моделі

,

де с - швидкість світла; x(t) - вхідний сигнал (осцилограма 1), імітуємий джерелом синусоїдального сигналу 4: d - відстань між передавачем і приймачем (у кілометрах або милях), імітуєме джерелом лінійно, що змінюється сигналу, 6; f - частота сигналу (у цьому випадку 1 МГц). На осцилограмах 2 і 3 показані залежності y(t) = f(d) по амплітуді сигналу (на виході out) і у відносних одиницях дб (на виході d).

Наведемо приклади використання радіоканалів.

Рис. 4. Модель каналу Propagation Loss

Радіомовлення й телебачення - дуже ефективні засоби масового поширення інформації. Обмежений діапазон частот, у яких працюють ці системи, змушує компанії освоювати супутникову техніку й цифрові методи передачі інформації.

Мікрохвильові радіоканали - використовують частоти 4, 6 і 11 ГГц; працюють за принципом «точка-точка» у зоні прямої видимості між передавачем і приймачем, що приводить до необхідності установки антен на високих щоглах з ретрансляторами через кожні 40-50 км; забезпечують швидкості передачі порядку 100 Мбіт/с.(Wireless Local Loop) - бездротові локальні канали; є економічно вигідною альтернативою провідних каналів у тих випадках, коли важко використовувати кабельні лінії зв'язку або необхідно забезпечити мобільність у межах приміщень, будинку або територій підприємств.

Стільникові радіосистеми одержали широке поширення при організації мобільного телефонного зв'язку. Створення таких систем почалося в 1970-х роках з розробки аналогових пристроїв, у яких використовувалася частотна модуляція для забезпечення передачі декількох телефонних каналів. При цьому обслуговується регіон, що ділиться на стільники, і досить відлучені друг від друга стільники можуть використовувати ті самі частоти. Таким чином, якщо 7 стільників періодично чергуються для покриття зони обслуговування й у кожній використовується свій набір з N частот, то у всій області використовується 7N частот. Щільність активних користувачів, які система може обслуговувати, становить N/S користувачів на квадратний кілометр, де S - площа стільників.

Аналогові системи поступово були доповнені або замінені цифровими. Переваги цифрових систем складаються в можливості стиску мови з метою звуження смуги частот, займаної телефонним каналом. Крім того, цифрова передача має більшу перешкодозахищеність.

В основі роботи цифрових стільникових систем лежить принцип обмеження смуги робочих частот, які розподіляються в межах території, що обслуговується даною системою. При цьому застосовується метод множинного доступу із частотним поділом каналів (FDMA - Frequency Division Multiplexing Access), що сполучається з методом множинного доступу з тимчасовим поділом каналів (TDMA - Time Division Multiple Access).

При використанні TDMA смуга робочих частот спочатку ділиться на кілька радіоканалів. Кожний радіоканал потім розбивається на ряд абонентських каналів за допомогою тимчасового поділу. Таким чином, радіоканал передає цифровий потік, що ділиться на цикли, а кожний цикл, у свою чергу, розбивається на К канальних інтервалів. Канальні інтервали відповідають різним телефонним каналам.

В іншому методі, називаному методом множинного доступу з кодовим поділом каналів (CDMA - Code Division Multiple Access), сигнали різних абонентів займають всю смугу частот. Однак ці сигнали формуються шляхом множення потоків бітів користувачів на різні псевдовипадкові імпульсні послідовності. При одержанні абонентом цифрового потоку його приймач множить прийнятий сигнал на псевдовипадкову послідовність, закріплену за даним абонентом. Сигнали інших абонентів, помножені на приналежну даному абонентові псевдовипадкову послідовність, сприймаються приймачем як швидко мінливий шум, від якого можна позбутися усередненням (фільтрацією).

Супутникові широкополосні радіосистеми реалізуються з використанням супутників різних типів, обумовлених місцем розташування їхніх орбіт. Супутники з геостаціонарною орбітою (35,784 км вище екватора) роблять оберт за той же час, що й Земля, і тому здаються постійно висячими в одній і тій же точці небозводу. Такі супутники використовуються для фіксованих двоточкових і широкомовних комунікацій з використанням параболічних антен з досить високими вимогами до фокусування й посилення, що не завжди прийнятно, особливо для побутової апаратури й мобільних засобів. Тому всі частіше стали використовуватися комунікаційні супутники з низькими навколоземними орбітами. Вони забезпечують набагато менші затримки й менше ослаблення сигналів, однак кожний такий супутник охоплює лише невелику область земної поверхні, що приводить до необхідності збільшення їхньої кількості.

2.4 Оптичні канали

По діапазоні використовуваних довжин хвиль такі канали діляться на канали: видимої частини спектра (з довжиною хвилі 0,3-75 мкм); інфрачервоної (ІЧ) (0,75-1000 мкм); ультрафіолетової (УФ) частини спектра (<0,3 мкм).

Найбільше поширення одержали ІЧ - канали внаслідок меншого ослаблення ІЧ випромінювання атмосферою в порівнянні з видимої й УФ областю спектра, а також можливості його поширення вночі. У якості ЛС в оптичних каналах використовується вільний простір або оптичне волокно (ВОЛС - волоконно-оптичні ЛС). Перший тип використовується для організації локальних бездротових мереж, наприклад для зв'язку між пультом керування й телевізором, між комп'ютером і клавіатурою, мишею й т. п. Розробкою стандартів інфрачервоних Л Із займається промислова асоціація IrDA (асоціація інфрачервоної передачі даних), утворена в червні 1993 року. Розроблені цією асоціацією стандарти поширюються на швидкості передачі 2400 біт/з, 115,2 Кбіт/с, 1,152 Мбіт/с і 4 Мбіт/с. Передавачі IrDA використовують ІЧ випромінювання з довжиною хвилі 0,86 мкм і працюють на відстанях порядку декількох метрів. При низьких швидкостях передачі використовуються Амн сигнали, а на високих - Фмн.

ВОЛС використовуються у високошвидкісних системах передачі інформації (близько 10 Гбіт/с при відстанях 100 км і більше). Крім того, по тому самому волокну можуть одночасно передаватися оптичні сигнали в різних областях спектра, що дозволяє збільшити кількість переданої інформації.

Канал ВОЛС складається з передавача, оснащеного джерелом світла, оптичного волокна й оптичного детектора в складі приймача. Передавач перетворює цифрову інформацію в оптичний сигнал, використовуючи, наприклад, Амн, після чого він проходить по волокну й попадає на детектор (оптоелектронний перетворювач) приймача, у якому виробляється зворотне перетворення оптичного сигналу у вихідний цифровий потік.

Оптичне волокно являє собою довгий циліндр, виготовлений зі скла або пластику. У мережах зв'язку використовуються три типи волокон: ступінчасте, градієнтне (GRIN) і одномодове (SMF), які розрізняються показником переломлення й коефіцієнтом дисперсії

< 1/2RL,

де R - швидкість передачі, Мбіт/с; L - довжина ЛС, км.

ВОЛС зі ступінчастим волокном забезпечує RL<100 Мбіт/с км при загасанні 10-50 дб/км.

Градієнтним - RL<1 Гбит/із км при загасанні 7-15 дб/км.

Одномодовим - RL < 200 Гбит/із км при загасанні 0,2-1 дб/км.

Одномодові волокна з компенсованою дисперсією забезпечують RL > 1000 Гбіт/із км. Розходження значень коефіцієнта дисперсії D, що випливає з наведених даних, пояснюється розходженням шляху поширення оптичного сигналу у волокні, що у свою чергу пояснюється розглянутими нижче розходженнями в конструкції волокон.

Ступінчасте оптоволокно являє собою циліндричний серцевик зі скла або пластику з показником переломлення , що оточений трубкою зі скла або пластику із трохи меншим показником переломлення . При такій конструкції променю світла, що входять у волокно під кутом до його оптичної осі, що перевищує значення , переломлюються матеріалом оболонки й ідуть із волокна. Інші промені поширюються уздовж волокна, випробовуючи ряд послідовних відбиттів з різними кутами подальшого поширення. Розходження в кутах відбиття називається модами, тому ступінчасте волокно називається багатомодовим. Таким чином, залежно від кута введення промені різних мод проходять різні відстані по волокну й, отже, мають різні часи поширення й, відповідно, різні коефіцієнти дисперсії

тобто ,

де с - швидкість світла. При = 0,01 одержуємо зазначене вище значення RL для ступінчастого волокна. Помітимо, що обмеження по швидкодії, викликані розходженням за часом поширення променів, при загальному підході до каналів передачі мають назву багатопроменевості.

У градієнтному волокні показник переломлення зменшується в міру видалення від його осі. При цьому промені випробовують безперервні переломлення й поширюються у волокні по вигнутих траєкторіях, тобто градієнтне волокно також є багатомодовим, однак промені, які переборюють великі відстані, проходять через області з меншим показником переломлення й, отже, з більшою швидкістю поширення. Таким чином, час поширення променів з «подовженою» траєкторією наближаються за часом поширення до променів, траєкторія яких перебуває ближче до центра волокна. Отже, дисперсія в градієнтних волокнах істотно менша, ніж у ступінчастих. Аналіз показує, що вираження для градієнтних волокон

,

де - показники переломлення в центрі й на периферії волокна.

З наведених даних видно, що швидкість передачі визначається кількістю мод. Зменшення цієї кількості до одиниць у східчастому волокні досягається зменшенням діаметра волокна (до 16 мкм). При цьому за рахунок інтерференції відбитих променів відбувається взаємне знищення ряду мод і зменшення дисперсії до значень дисперсії матеріалу. Цей вид дисперсії обумовлений розходженням показників переломлення для різних спектральних складових світлового сигналу, що в результаті дає розходження швидкостей їхнього поширення у волокні. При ширині спектра джерела оптичного сигналу

,

де  - друга похідна показника переломлення по довжині хвилі в крапці , рівній середній довжині хвилі джерела. Для кремнієвого волокна з 1,3 мкм величина Ф становить с/км нм. Значення  для лазера на основі арсеніду галію становить приблизно 1 нм, а для лазерного діода - близько 3 нм, що відповідає значенням RL < 250 Гбіт/с км і RL < 80 Гбіт/с км відповідно.

Помітимо, що розглянуте вище явище дисперсії, що проявляється в обмеженні швидкості передачі інформації, характерно не тільки для ВОЛС, але й для інших ЛС, незважаючи на розходження причин його походження. Наприклад, у випадку провідних й кабельних ЛЗ це явище викликається наявністю паразитних реактивностей, хоча в таких випадках воліють говорити про міжсимвольну інтерференцію або обмеження робочої смуги частот.

Як джерела світлових сигналів у системах з ВОЛС використовуються світлодіоди (LED - Light Emitting Diode) і лазерні діоди (LD). Основними характеристиками цих джерел є інтенсивність (потужність) випромінювання, довжина хвилі світлового сигналу й максимальна частота модуляції. Лазерні діоди допускають модуляцію на більш високій частоті, ніж світлодіоди, і мають меншу ширину спектра, що забезпечує меншу дисперсію й дозволяє декільком діодам одночасно працювати по оптичному волокну у вікні 100 нм на хвилі 1,55 мкм.

Робота світодіодів заснована на рекомбінації електронів і дірок у напівпровіднику, при якій енергія, що вивільняється електроном, випромінюється у вигляді фотонів. Типовий світодіод забезпечує світлову потужність у трохи міліват при струмі інжекції близько 50 мА. При зміні струму інжекції оптичне випромінювання світодіоду перетвориться в імпульси з відповідною швидкістю проходження. Оскільки для рекомбінації пар електрон-дірка потрібен певний час, то значення граничної частоти, при яких випромінювана потужність становить 70% від максимального значення, перебувають у межах від 1кГц до 100 Мгц.

Лазерний діод відрізняється від світодіоду тим, що p-n-перехід міститься між двома паралельними й частково відбиваючими поверхнями А и В, відстань між якими кратна половині довжини хвилі світлового випромінювання, генеруємого в процесі рекомбінації. Така конструкція дозволяє за рахунок інтерференції прямих і відбитих хвиль одержати світловий потік високої монохромності. Гранична частота лазерних діодів на кілька порядків вище, ніж у світодіодов. Деякі лазерні діоди допускають модуляцію із частотою до 11 Гбіт/с. Однак потужність оптичного сигналу сильно залежить від температури, оскільки нагрівання збільшує генерацію вільних електронів і дірок, що вимагає застосування складних схем температурної стабілізації й підстроювання струму інжекції. Помітимо, що слово «лазер» походить від англійського словосполучення Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - посилення світла за допомогою індукованого випромінювання.

Як детектор світлового сигналу (оптоелектронного перетворювача) використовуються напівпровідникові фотодіоди, PIN-Діоди й лавинні фотодіоди. Основним параметром таких приладів є квантова ефективність, що показує, яка частина падаючих на детектор фотонів перетвориться в потік електронів.

Швидкодія фотодіодів обмежується частотою близько 1 Мгц. Більше високою швидкодією (до 20 Ггц) володіють PIN-Діоди. Такі діоди складені із трьох шарів: р-легованого, бездомішкового (не легованого) і n - легованого, що й визначило назву PIN. Потік фотонів, що надходять у високоомний бездомішковий шар зворотно зміщеного діоду, породжує пари електрон-дірка, які за рахунок сильного електричного поля в цьому шарі з великою швидкістю спрямовуються відповідно до аноду й катоду діода. У бездомішковому і-шарі лавинного фотодіода напруженість електричного поля досягає таких значень, що породжувані електрони викликають лавинну вторинну емісію електронів в i-шарі, що, в остаточному підсумку, приводить до істотного підвищення чутливості (окремий фотон може «народити» до 100 пар електрон-дірка).

Як і в інших середовищах, в оптоволокні можна використовувати мультиплексування із частотним поділом каналів (TDM), тільки в цьому випадку його називають WDM (Wavelength Division Multiplexing) - мультиплексуванням з поділом хвиль. WDM можна застосовувати й після установки оптоволокна, що дозволяє ретроспективно розширювати пропускну здатність каналу.

Виводи

Перший з яких був присвячений видам модуляторів, серед розглянутих моделювання амплітудних і частотних FM модуляторів типу Real і Complex.

Другий розділ повністю присвячений каналам передачі даних. З нього стало відомо що канал - це тракт руху сигналу в багаторазовій системі передачі з безліччю вхідних і вихідних пристроїв.

Список літератури

модуляція амплітудний фур'є радіоканал

1. Том. 2. Электронная лаборатория на IBM PC. Карлащук В.

. Часть V. Моделирование элементов телекоммуникационных и цифровых систем ст. 224 - 282. - Солон. - 2007