NOTIUNI FUNDAMENTALE COMUNICATII DE DATE

NOTIUNI FUNDAMENTALE COMUNICATII DE DATE
    Scurt istoric al dezvoltarii C.D. Termenii de baza pentru sistemul de comunicatii de date
    Comunicatiile de date reprezinta un domeniu al comunicatiilor care se ocupa de transmiterea semnalelor de date, de la sursa la receptor prin intermediul unui canal de comunicatii.
    Inceputul transmiterii de date poate fi plasat in deceniu al VII-lea al sec. XX. Capacitatea sistemelor electronice de a prelua un volum extraordinar de mare de date impune utilizarea completa a lor si accesul unui numar cat mai mare de utilizatori la resursele de calcul.
    Sistemul tehnic utilizat permite schimbul de informatii intre utilizatori, avand ca mediu de transmitere liniile radioreleu, cablurile coaxiale, fibrele optice etc.
    Dezvoltarea comunicatiilor de date, proiectarea si realizarea retelelor de comunicatii intre calculatoare s-au bazat pe conceptele fundamentale ale teoriei informatiei, care prin teoria statistica a comunicatiilor, teoria codurilor si teoria deciziilor au contribuit la rezolvarea problemelor tehnice legate de prelucrarea semnalelor de transmitere si receptie optima a datelor. Dirijarea traficului precum si rezolvarea problemelor de stocare si transferul blocurilor de date s-au bazat pe statistica matematica si pe teoria asteptarii.
    Cateva lucrari fundamentale in domeniul comunicatiilor de date au marcat constituirea intr-o disciplina a acestui domeniu al comunicatiilor.
    Comunicatiile de date se deosebesc de comunicatiile telefonice numerice prin mai multi indicatori: viteza de transmitere, frecventa de stabilire a legaturii de date, volumul datelor, durata de ocupare a canalelor si structura retelei.
Exista trei clase de volume tipice de informatii:
- volume mici de date maxim 1 kb,
- volume medii de date 1 - 100 Kb,
- volume mari de date peste 100 Kb.
    Durata de ocupare a canalului este determinata de volumul datelor si de viteza de transmitere a semnalelor binare. De regula durata de ocupare a canalului de catre semnalele de date este mai mica decat ocuparea canalului in reteaua telefonica.
    Privind structura retelei se poate aprecia ca in reteaua de date densitatea abonatilor este mult mai mica decat in reteaua telefonica.

    7.2.2. Structura unui sistem de comunicatii de date (S.C.D.)
    In teoria sistemelor prin notiunea de sistem se intelege o multime (un complex) de elemente, determinate in timp si in spatiu, cu proprietatii cunoscute si cu legaturi ordonate (interactiuni) intre elemente si proprietati, orientate spre indeplinirea functiei scop (misiunii) a multimii date.
    Elementele de baza ale oricarui sistem sunt intrarile, iesirile, procesul si conducerea. Intrarile sistemului caracterizeaza actiunea mediului extern asupra acestuia iar iesirile definesc actiunea sistemului asupra mediului extern. Conexiunile (legaturile) reprezinta ceea ce uneste elementele, subsistemele si sistemul in ansamblu, precum si proprietatile sale in procesul sistemic.
    Un sistem reprezinta o entitate fizica la care in interior exista o multime de echipamente aranjate convenabil si interconectate functional, singurele legaturi cu exteriorul sunt marimile de cauza si efect.
    Un sistem tehnic mare reprezinta un ansamblu de mijloace tehnice, algoritmi si programe, forte umane, masuri organizatorice si tehnice, metode si procedee de lucru care asigura realizarea scopului propus.
    Un sistem de comunicatii de date se compune din urmatoarele componente esentiale: transmitatorul (sursa, emitator), mediu de transmisie (canal, linie, cale) si receptorul. Din denumire rezulta functiile de baza ale componentelor, functii care in cazul comunicatiilor bidimensionale se pot schimba. Un dispozitiv transmite si receptioneaza date in acelasi timp.
    Sistemul de comunicatii de date poate fi descris in termenii circuitului universal de date cu sapte componente (Universal Seven - Past Data Circuit), ce este format din (fig.7.2):
-echipamentul terminal de date (DTE) in cele doua parti ale conexiunii;
-interfata dintre echipamentul terminal de date si echipamentul de circuit (de comunicatie) de date (DCE) ce se afla la fiecare extremitate a conexiunii;
-mediu de transmisie (cale, linie, canal), intre cele doua extremitati ale conexiunii;
-echipamentul de circuit de date (DCE) de la cele doua extremitati ale conexiunii;
-interfata intre echipamentul de circuit de date si echipamentul de terminal de date

Fig. 7.2. Schema bloc a sistemului de comunicatii de date

    In modul acesta functiile componentelor hardware si software ale sistemului de comunicatie pot fi deschise cu usurinta. Echipamentul de terminal de date poate fi transmitatorul respectiv receptorul. El transmite si receptioneaza datele prin intermediul echipamentului de comunicatie de date si al mediului de transmitere. Echipamentul terminal de date poate fi calculatorul personal sau periferice, teleimprimatoare(console), procesoare front-enduri ale calculatoarelor de mare capacitate sau un dispozitiv electronic de transmitere / receptie a datelor.
    Se releva faptul ca functia fundamentala a sistemului de comunicatii de date este de a asigura transportul informatiei intre cele doua puncte ale conexiunii (intre utilizatori). La utilizatori informatia poate fi folosita de la DTE sau poate fi prelucrata si afisata de catre echipament pentru a fi utilizata de catre operator.
    Interfata dintre echipamentul terminal de date (DTE) si echipamentul de circuit de date (DCE) se conformeaza standardului RS-232 care specifica procedeele software de transfer a datelor prin interfata respectiv intre utilizatori.
    Interfata DTE - DCE este formata din circuitele de intrare / iesire din interfata precum si din cablurile si conectorii care leaga echipamentele DTE si DCE. Este cea mai folosita dintre interfetele standard.
    Interfata intre DCE si mediul de comunicatii este relativ simpla, asigurand transportul informatiei spre / de la mediu de comunicatie, cea mai importanta activitate fiind aceea de esantionare.
    Pentru conectarea calculatoarelor, modemurilor si retelelor se utilizeaza standarde si recomandari.
    Standardul de baza este RS-232E, denumit Interfata intre Echipamentul Terminal de Date si Echipamentul de Comunicatie de Date, Utilizate in Schimbul de Date Binare Seriale.
    Standardul RS-232 acopera domeniile:
-caracteristici mecanice ale interfetei;
-semnale electrice prin interfata;
-functia fiecarui semnal;
-subseturi de semnale pentru anumite aplicatii.
    Echipamentul de Comunicatie de Date poate fi un modem in cazul utilizarii unui canal analogic sau o unitate de servicii de date (Data Service Unit -DSU) in cazul utilizarii unui canal digital.

    7.2.3. Model matematic general pentru S.C.D.
    Operatiile de prelucrare a semnalelor de date pot fi descrise operational cu un mare grad de generalitate adoptand notatiile:
O_M, O_D - pentru operatiile de modulare, demodulare;
O_c, O_d - pentru operatiile de codare / decodare;
O_P - pentru transformarile semnalului in timpul transmisiei prin canal de comunicatii.
Conform schemei bloc a S.C.D. se obtin relatiile:
= O_C
Mi(t) = O_M = O_M O_C
Din relatie rezulta ca produsul operational O_M O_C defineste prelucrarile semnalului la transmitator:
O_T = O_M ^. O_C
La intrarea in canalul de transmisie se obtine semnalul:
S_i (t) = O_P = O_P O_T peste care se suprapun zgomotele de la sursele exterioare canalului de comunicatie precum si zgomotele de fluctuatii din receptor.
Daca n_J(t) este functia de variabila aleatoare care descrie zgomotul provenit de la sursa j de zgomot si N este numarul de surse independente de zgomot, semnalul care ajunge in receptor devine:
y (t) = S_{i (t)} + _.
    Operatiile de demodulare si decodare sunt inverse operatiilor de modulare si codare, O_D = O_M^- O_d =O_c^-1; nu se poate obtine le receptie un semnal exact ca cel transmis, , deoarece:
= O_D.

=O_D= O_C O_D
    Produsul operational O_R defineste prelucrarile semnalului la receptor.
O_R =O_D^.O_d
Rezulta pentru semnalul receptionat expresia:
= O_d O_D O_p .O_M O_C +] .
Expresia este caracterizata prin:
- grad de generalizare mare;
- posibilitatea examinarii influentei factorilor ce intervin in prelucrarile de date dintr-un sistem in vederea optimizarii acestuia.

    7.2.4. Indici calitativi in comunicatii de date
La transmisiile de date se impune ca multimea datelor receptionate sa fie cat mai apropiate de multimea datelor transmise . Calitatea SCD depinde de modul in care se obtine aproximarea datelor trimise prin datele receptionate .
Aprecierea calitatii sistemului se realizeaza prin:
- rata erorilor;
- viteza de transmitere;
- pierderile de energie;
- banda relativa de frecvente.
a). Calitatea SCD este definita in ansamblul sau, de rata erorilor care reprezinta numarul de biti eronati obtinuti la receptie, ceilalti indicatori depind in mare masura de parametrii canalului de comunicatii.
    Un canal de comunicatii ideal este stabil, omogen, invariant in timp si fara distorsiuni prin care semnalul ajunge la receptor nedeformat, avand doar amplitudinea modificata in functie de distanta intre transmitator si receptor.
    In ipoteza distantei fixe intre emitator si receptor, operantul O_P este o constanta. Intr-un astfel de canal probabilitatea de a obtine un mesaj eronat la receptie este nula.
    b).Viteza de transmitere a informatiei intr-un canal de comunicatii ideal este limitata. In ipoteza unui canal gaussian, cu zgomot alb si putere medie a semnalului limitata, in situatia unei codari infinite se calculeaza viteza de transmitere cu formula:
max V_C = C = B log₂ (7.5)

unde, B este banda de frecventa transmisa in Hz, C reprezinta capacitatea canalului, P_S este puterea medie a semnalului, P_zg reprezinta puterea medie a zgomotului .

Daca notam cu P_zgo - densitatea spectrala a zgomotului alb, P_zg = BP_zgo, relatia capacitatii de transmitere a canalului de comunicatii (7.5) devine:

C = B log₂. (7.6)

    Relatiile reprezinta limita maxima a vitezei de transmitere prin canalul de comunicatie. Limita nu poate fi atinsa in cazul real de functionare a canalului. In sistemele reale V_c < C si apropierea vitezei de transmitere, V_C, de capacitatea canalului, C, indica imbunatatirea performantelor canalului.
    Indicatorii relativi-la pierderile de energie si utilizarea benzii de trecere a canalului de comunicatii, se raporteaza in comunicatiile de date la unitatea de informatie binara. Pierderea de energie se defineste prin coeficientul:
b_E =  in care E_o reprezinta energia semnalului receptionat la intrarea in receptor, atunci cand emitatorul transmite o informatie elementara de durata T_o. Modul in care este utilizata banda de trecere a canalului de comunicatie se apreciaza prin coeficientul:
b_B =  (7.7)

care masoara 'necesarul' de banda de frecventa pentru transmisia unei informatii elementare.
Coeficientii b_E si b_B care exprima 'consumul' de energie si de banda la transmiterea unui bit de informatie printr-un canal ideal rezulta din:
log₂  = 1.
In cazul ideal: V_C = V_C max = C si b_B =  cu CT_o = 1, P_S = E_oC, relatia devine:

b_B log₂ = 1 de unde rezulta b_B log₂ = 1 obtinandu-se o relatie intre coeficientii de pierderi:

b_E = b_B care este reprezentata grafic in figura7.3.:

Fig.7.3. Dependenta dintre coeficientii de pierderi
    Pentru transmiterea unui bit de informatie intr-un canal ideal este necesara o banda cu atat mai mare cu cat energia semnalului la receptie este mai mica. Exista o limita sub care nu se poate reduce energia semnalului:

minb_E=
Graficul din figura 7.2 reprezinta limita lui Shannon pentru un canal ideal gaussian.
Exista o infinitate de sisteme ideale. Calitatea unui SCD depinde de tipul semnalului utilizat. Alegerea tipului semnalului transmis influenteaza indicii de calitate.
Rezulta:
- debitul maxim de informatie (max H_z) in cazul unei surse discrete, care emite mesaje de m simboluri, dintr-un alfabet cu n simboluri se determina prin relatia:
max H_i =  unde t_o reprezinta durata unui simbol elementar in cazul unui canal ideal:

max H_t = C = 
Rezulta: T_o =  care da legatura intre durata unui simbol t_o si durata unei informatii binare T_o. Indicatorul b_B definit prin relatia:
b_B =  devine in cazul canalului ideal b_B =
si tinand seama de T_o rezulta: b_B =
    Produsul B.t_o = B_S defineste baza sistemului. Valoarea minima a acestui produs este egala cu unitatea. In transmisiuni prin canale cu banda limitata este necesar sa se lucreze cu b_B mic deci cu b_S cat mai apropiat de unitate.
Rezulta .
    In concluzie pentru o utilizare buna a benzii de frecventa a canalului este necesar sa se aleaga semnale cu b_S mic si cu un alfabet avand mai putin decat doua simboluri.
    Cand datele se transmit prin canale cu zgomot puternic, utilizarea semnalelor cu b_S mic nu este rationala deoarece nu asigura raportul semnal/zgomot necesar detectiei.
b_E =
.
    Relatia arata ca marirea bazei B a semnalului asigura protectia semnalului fata de zgomot chiar cu b_E mic.
    Desi realizarea sistemului de CD cu semnale cu baza mare este complicata din punct de vedere tehnic, aceasta posibilitate este utilizata in telecomanda si teledetectie precum si in radiocomunicatiile spatiale.