→ → Канал прямой связи. Что такое канал связи Низкоскоростные каналы связи

Канал прямой связи. Что такое канал связи Низкоскоростные каналы связи

Компьютерными телекоммуникационными системами называют обмен информацией на расстоянии между несколькими компьютерами.

Компьютерные каналы связи можно классифицировать по следующим признакам:

  • по способу кодирования информации можно разделить на цифровые и аналоговые;
  • по способу коммуникации можно разделить на выделенные и коммутируемые;
  • по способу передачи информации разделяют на проводные и беспроводные, оптические.

Аналоговые - по аналоговым каналам информация, которая передается, представляется в непрерывной форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины.

Цифровые - это каналы, по которым пересылаемая информация передается в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов той или иной физической природы.

Коммутируемые - это каналы, созданные из отдельных участков только на время передачи по ним информации, после окончания сеанса связи такой канал разрывается.

Выделенные каналы - это каналы, которые организуются на длительное время и имеют постоянные характеристики по длине и пропускной способности.

К основным характеристикам каналов связи относят скорость передачи информации, надежность, стоимость, резервы развития.

Скорость передачи информации измеряется в бит/с и в бодах. Количество изменений информационного параметра сигнала в секунду измеряется в бодах.

Бод - это такая скорость, когда передается один сигнал (например, импульс) в секунду независимо от величины его изменения. Единица измерения бит/с соответствует единичному изменению сигнала в канале связи и при простых методах кодирования сигнала; когда любое изменение бывает только единичным, можно принять, что: 1 бод = 1 бит/с; 1 Кбод = 103 бит/с; 1 Мбод = 106 бит/с и т. д.

В случае если элемент данных может быть представлен не двумя, а большим количеством значений какого-либо параметра сигнала, значение 1 бод будет больше 1 бит в секунду.

Надежность - передача информации без ее потерь и изменений. Передатчик и приемник - это аппаратура передачи данных, связывают источник и приемник информации с каналом связи. Примерами аппаратуры передачи данных могут служить модемы, терминальные адаптеры, сетевые карты и т. д.

Для улучшения качества сигнала, передаваемого на большие расстояния, используется дополнительная аппаратура: повторители, коммутаторы, концентраторы, маршрутизаторы, мультиплексоры.

На этих принципах основана классификация, учитывающая пропускную способность канала связи:

  • низкоскоростные каналы связи, скорость передачи информации в них составляет от 50 до 200 бит/с;
  • среднескоростные каналы связи, скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах до 56 000 бит/с;
  • высокоскоростные (широкополосные) каналы связи, обеспечивающие скорость передачи информации выше 56 000 бит/с.

Скоростные характеристики канала во многом зависят от используемых кабелей.

Витая пара - это изолированные медные провода, обычный диаметр которых составляет 1 мм, попарно свитые один вокруг другого в виде спирали. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар.

Самым распространенным применением витой пары является телефонная линия. Витые пары, тянущиеся на большие расстояния, объединяются в кабель, на который надевается защитное покрытие. Если бы пары проводов, находящиеся внутри таких кабелей, не были свиты, то сигналы, проходящие по ним, накладывались бы друг на друга. Телефонные кабели диаметром несколько сантиметров можно видеть протянутыми на столбах.

Витые пары используются для передачи аналоговых и цифровых сигналов. Полоса пропускания зависит от диаметра и длины провода, но на больших расстояниях может достигнуть несколько мегабит в секунду.

Существуют два вида витой пары:

  • Неэкранированные витые пары имеют довольно высокую пропускную способность, удобны в работе, не нуждаются в заземлении и благодаря невысокой цене широко распространены. Неэкранированная витая пара не применяется в локальной сети, в которой обрабатывается информация с ограниченным доступом, потому что она может усилить напряженность поля.
  • Экранированные витые пары обладают хорошими техническими характеристиками, но имеют высокую стоимость, жестки и неудобны в работе и требуют заземления. Данный вид кабеля применяется в основном в сетях с ограниченным доступом к информации.

Коаксиальный кабель - средство передачи данных. Он лучше экранирован, чем витая пара, поэтому может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Широко применяются два типа кабелей. Один используется для передачи только цифрового сигнала, а другой тип кабеля - аналогового сигнала.

Коаксиальный кабель состоит из покрытого изоляцией твердого медного провода, расположенного в центре кабеля. Поверх изоляции натянут цилиндрический проводник, обычно выполненный в виде мелкой медной сетки. Он покрыт наружным защитным слоем изоляции (пластиковой оболочкой). Конструкция и специальный тип экранирования коаксиального кабеля обеспечивают высокую пропускную способность и отличную помехозащищенность.

Коаксиальные кабели для телекоммуникаций делятся на две группы:

  • «толстые» коаксиалы;
  • «тонкие» коаксиалы.

Толстый коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 12,5 мм и достаточно толстый проводник (2,17 мм), обеспечивающий хорошие электрические и механические характеристики.

Скорость передачи данных по толстому коаксиальному кабелю до 50 Мбит/с, но, учитывая определенное неудобство работы с ним и его значительную стоимость, использовать его в сетях передачи данных можно не всегда.

Тонкий коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 5-6 мм, он дешевле и удобнее в работе, но тонкий проводник в нем (0,9 мм) обусловливает худшие электрические и механические характеристики. Скорость передачи данных по «тонкому» коаксиалу не превышает 10 Мбит/с.

Коаксиальные кабели широко применялись в телефонных системах, но на линиях большой протяженности их заменяют оптоволоконными кабелями. Однако коаксиальные кабели широко используются для кабельного телевидения.

Оптоволоконные кабели по своей структуре напоминает витую пару. Основу волоконно-оптического кабеля составляет стеклянная сердцевина, по которой распространяется свет, окруженная твердым заполнителем и помещенная в защитную оболочку диаметром 125 мкм.

В одном кабеле может содержаться от одного до нескольких сотен таких сердечников. Сердечник покрыт слоем стекла с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления. Он предназначен для более надежного предотвращения выхода света за пределы сердечника.

Внешним слоем служит пластиковая оболочка, защищающая остекление. Источником распространяемого по оптоволоконному кабелю светового луча является преобразователь электрических сигналов в оптические, например светодиод или полупроводниковый лазер.

Кодирование информации осуществляется изменением интенсивности светового луча. Физической основой передачи светового луча по волокну является принцип полного внутреннего отражения луча от стенок волокна, обеспечивающий минимальное затухание сигнала, наивысшую защиту от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи. По оптоволоконному кабелю, имеющему большое число волокон, можно передавать огромное количество сообщений. На другом конце кабеля принимающий прибор преобразует световые сигналы в электрические.

Скорость передачи данных по оптоволоконному кабелю достигает 1000 Мбит/с, но он очень дорог и используется лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи. Такой кабель связывает столицы и крупные города большинства стран мира, а также материки.

В вычислительных сетях и в сети Интернет оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных их участках. Возможности оптоволоконных каналов поистине безграничны: по одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сот тысяч телефонных каналов, несколько тысяч видеотелефонных каналов и около тысячи телевизионных каналов.

В настоящее время широкое распространение получают беспроводные виды связи: радиоканалы, инфракрасные и миллиметровые излучения.

Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Система передачи данных по радиоканалу включает в себя радиопередатчик и радиоприемник, настроенные на один и тот же радиоволновой диапазон, который определяется частотной полосой электромагнитного спектра, используемой для передачи данных.

Такую систему передачи данных называют просто радиоканалом. Скорости передачи данных по радиоканалу практически не ограничены (они ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры). Высокоскоростной радиодоступ предоставляет пользователям каналы со скоростью передачи 2 Мбит/с и выше. В ближайшем будущем ожидаются радиоканалы со скоростями 20-50 Мбит/с.

Инфракрасное и миллиметровое излучение без использования кабеля широко применяется для связи на небольших расстояниях. Дистанционные пульты управления для телевизоров и видео-магнитофонов используют инфракрасное излучение. Они относительно направленные, дешевые и легко устанавливаемые, но имеют один важный недостаток: инфракрасное излучение не проходит сквозь твердые объекты. С другой стороны, тот факт, что инфракрасные волны не проходят сквозь стены, является также и положительным. Ведь это повышает защищенность инфракрасной системы от прослушивания по сравнению с радиосистемой.

По этой причине для использования инфракрасной системы связи не требуется государственная лицензия в отличие от радиосвязи (кроме диапазонов ISM). Связь в инфракрасном диапазоне применяется в настольных вычислительных системах (например, для связи ноутбуков с принтерами), но все же не играет значимой роли в телекоммуникации.

Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и оперативность связи. В вычислительных сетях беспроводные каналы связи для передачи данных используются чаще всего там, где применение традиционных кабельных технологий затруднено или просто невозможно.

Но в ближайшем будущем ситуация может измениться - активно ведется разработка новой технологии беспроводной связи Bluetooth. Bluetooth - это технология передачи данных по радио-каналам на короткие расстояния, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии даже в тех случаях, когда нарушается требование прямой видимости.

Первоначально Bluetooth рассматривалась исключительно как альтернатива инфракрасным соединениям между различными портативными устройствами. Но сейчас специалисты предсказывают уже два направления широкого использования Bluetooth.

Первое - это домашние сети, включающие в себя различную электронную технику, в частности компьютеры, телевизоры и т.п. Второе, гораздо более важное, направление - локальные сети офисов небольших фирм, где стандарт Bluetooth позиционируется как замена традиционных проводных технологий. Недостатком Bluetooth является сравнительно низкая скорость передачи данных - она не превышает 720 Кбит/с, поэтому эта технология не способна обеспечить передачу видеосигнала.


КАНАЛЫ СВЯЗИ


1. Классификация ихарактеристики канала связи

Каналсвязи –это совокупность средств, предназначенных для передачи сигналов (сообщений).

Для анализаинформационных процессов в канале связи можно использовать его обобщеннуюсхему, приведенную на рис. 1.


На рис. 1приняты следующие обозначения: X, Y, Z, W – сигналы, сообщения; f –помеха;ЛС – линия связи; ИИ, ПИ – источник и приемник информации;П – преобразователи (кодирование, модуляция, декодирование, демодуляция).

Существуютразличные типы каналов, которые можно классифицировать по различным признакам:

1. По типу линий связи: проводные; кабельные;оптико-волоконные;

линииэлектропередачи; радиоканалы и т.д.

2. Похарактеру сигналов: непрерывные; дискретные; дискретно-непрерывные(сигналы на входе системы дискретные, а на выходе непрерывные, и наоборот).

3. Попомехозащищенности: каналы без помех; с помехами.

Каналысвязи характеризуются:

1. Емкостьканала определяется как произведениевремени использованияканала Tк, ширины спектра частот, пропускаемых каналомFк и динамического диапазонаDк ., которыйхарактеризует способность канала передавать различные уровни сигналов


Vк= Tк Fк Dк. (1)

Условиесогласования сигнала с каналом:

Vc £ Vk; T c £ Tk; F c £ Fk; Vc £ Vk; Dc £ Dk.

2.Скоростьпередачи информации – среднее количество информации, передаваемое вединицу времени.

3. Пропускная способностьканала связи – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информациипри условии, что погрешность не превосходит заданной величины.

4. Избыточность– обеспечивает достоверность передаваемой информации (R = 0¸1).

Одной иззадач теории информации является определение зависимости скорости передачиинформации и пропускной способности канала связи от параметров канала ихарактеристик сигналов и помех.

Канал связи образно можно сравнивать сдорогами. Узкие дороги – малая пропускная способность, но дешево. Широкиедороги – хорошая пропускная способность, но дорого. Пропускная способностьопределяется самым «узким» местом.

Скоростьпередачи данных в значительной мере зависит от передающей среды в каналахсвязи, в качестве которых используются различные типы линий связи.

Проводные:

1. Проводные – витая пара (что частично подавляет электромагнитное излучение другихисточников). Скорость передачи до 1 Мбит/с. Используется в телефонных сетях идля передачи данных.

2. Коаксиальныйкабель. Скорость передачи 10–100 Мбит/с – используется в локальных сетях,кабельном телевидении и т.д.

3.Оптико-волоконная. Скорость передачи 1 Гбит/с.

В средах 1–3 затухание в дБ линейнозависит от расстояния, т.е. мощность падает по экспоненте. Поэтому черезопределенное расстояние необходимо ставить регенераторы (усилители).

Радиолинии:

1. Радиоканал. Скорость передачи 100–400Кбит/с. Использует радиочастоты до 1000 МГц. До 30 МГц за счет отражения отионосферы возможно распространение электромагнитных волн за пределы прямойвидимости. Но этот диапазон сильно зашумлен (например, любительской радиосвязью).От 30 до 1000 МГц – ионосфера прозрачна и необходима прямая видимость. Антенныустанавливаются на высоте (иногда устанавливаются регенераторы). Используются врадио и телевидении.

2. Микроволновые линии. Скорости передачи до 1Гбит/с. Используют радиочастоты выше 1000 МГц. При этом необходима прямая видимостьи остронаправленные параболические антенны. Расстояние между регенераторами 10–200 км.Используются для телефонной связи, телевидения и передачи данных.

3. Спутниковаясвязь . Используются микроволновые частоты, а спутник служит регенератором(причем для многих станций). Характеристики те же, что у микроволновых линий.



2. Пропускнаяспособность дискретного канала связи

Дискретныйканал представляет собой совокупность средств, предназначенных для передачидискретных сигналов .

Пропускнаяспособность канала связи – наибольшая теоретически достижимая скоростьпередачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданнойвеличины.Скорость передачи информации – среднее количествоинформации, передаваемое в единицу времени. Определим выражения для расчетаскорости передачи информации и пропускной способности дискретного канала связи.

При передачекаждого символа в среднем по каналу связи проходит количество информации,определяемое по формуле

I(Y, X) = I (X, Y) = H(X) – H (X/Y) = H(Y) – H (Y/X) , (2)

где: I (Y,X) – взаимная информация, т.е.количество информации, содержащееся вY относительно X ;H(X) – энтропия источника сообщений; H(X/Y) – условная энтропия, определяющая потерю информации на один символ,связанную с наличием помех и искажений.

При передачесообщения XT длительности T, состоящего из n элементарных символов, среднее количество передаваемой информации с учетомсимметрии взаимного количества информации равно:

I(YT , XT)= H(XT) – H(XT/YT) = H(YT) –H(YT/XT) = n . (4)

Скоростьпередачи информации зависит от статистических свойств источника, методакодирования и свойств канала.

Пропускнаяспособность дискретного канала связи

Максимально-возможноезначение, т.е. максимум функционала ищется на всем множестве функцийраспределения вероятности p(x) .

Пропускнаяспособность зависит от технических характеристик канала (быстродействияаппаратуры, вида модуляции, уровня помех и искажений и т.д.). Единицами измеренияпропускной способности канала являются: , , , .

2.1 Дискретныйканал связи без помех

Если помехи вканале связи отсутствуют, то входные и выходные сигналы канала связаныоднозначной, функциональной зависимостью.

При этомусловная энтропия равна нулю, а безусловные энтропии источника и приемникаравны, т.е. среднее количество информации в принятом символе относительнопереданного равно


I(X, Y) = H(X) = H(Y); H (X/Y) = 0.

Если ХТ – количество символов за время T , то скорость передачи информации длядискретного канала связи без помех равна

где V = 1//> – средняя скоростьпередачи одного символа.

Пропускнаяспособность для дискретного канала связи без помех

Т.к. максимальная энтропия соответствуетдля равновероятных символов, то пропускная способность для равномерногораспределения и статистической независимости передаваемых символов равна:

Перваятеорема Шеннона для канала:Если поток информации, вырабатываемыйисточником, достаточно близок к пропускной способности канала связи, т.е.

/> , где /> - сколь угодно малаявеличина,

товсегда можно найти такой способ кодирования, который обеспечит передачу всехсообщений источника, причем скорость передачи информации будет весьма близкой кпропускной способности канала.

Теорема неотвечает на вопрос, каким образом осуществлять кодирование.

Пример 1. Источник вырабатывает 3сообщения с вероятностями:

p 1 = 0,1; p 2 = 0,2 и p 3 = 0,7.

Сообщениянезависимы и передаются равномерным двоичным кодом (m = 2 ) с длительностьюсимволов, равной 1 мс. Определить скорость передачи информации по каналу связибез помех.

Решение: Энтропия источника равна

/> [бит/с].

Для передачи 3 сообщений равномерным кодомнеобходимо два разряда, при этом длительность кодовой комбинации равна 2t.

Средняяскорость передачи сигнала

V =1/2 t= 500 .

Скоростьпередачи информации

C = vH = 500 × 1,16 = 580 [бит/с].

2.2 Дискретныйканал связи с помехами

Мы будемрассматривать дискретные каналы связи без памяти.

Каналомбез памяти называется канал, в котором на каждый передаваемый символсигнала, помехи воздействуют, не зависимо от того, какие сигналы передавалисьранее. То есть помехи не создают дополнительные коррелятивные связи междусимволами. Название «без памяти» означает, что при очередной передаче канал какбы не помнит результатов предыдущих передач.

При наличиипомехи среднее количество информации в принятом символе сообщении – Y , относительнопереданного – X равно:

/> .

Для символасообщения XT длительностиT , состоящегоиз n элементарных символовсреднее количество информации в принятом символе сообщении – YT относительно переданного– XT равно:

I(YT,XT) = H(XT) – H(XT/YT) = H(YT) –H(YT/XT) = n = 2320 бит/с

Пропускная способность непрерывного канала спомехами определяется по формуле


=2322бит/с.

Докажем, чтоинформационная емкость непрерывного канала без памяти с аддитивным гауссовымшумом при ограничении на пиковую мощность не больше информационной емкоститакого же канала при той же величине ограничения на среднюю мощность.

Математическоеожидание для симметричного равномерного распределения/>

Среднийквадрат для симметричного равномерного распределения

Дисперсия длясимметричного равномерного распределения/>

При этом, дляравномерно-распределенного процесса />.

Дифференциальнаяэнтропия сигнала с равномерным распределением


Разностьдифференциальных энтропий нормального и равномерно распределенного процесса независит от величины дисперсии

/> = 0,3 бит/отсч.

Такимобразом, пропускная способность и емкость канала связи для процесса снормальным распределением выше, чем для равномерного.

Определимемкость (объем) канала связи

Vk = TkCk = 10 × 60 × 2322 = 1,3932 Мбит.

Определимколичество информации, которое может быть передано за 10 минут работы канала

/>10× 60× 2322=1,3932 Мбит.


Задачи

1. В каналсвязи передаются сообщения, составленные из алфавита x 1, x 2 и x 3 с вероятностями p (x 1 )=0,2; p (x 2) =0,3 и p (x 3 )=0,5 .

Канальнаяматрица имеет вид:

/> при этом />.

Вычислить:

1. Энтропию источника информации H (X ) и приемника H (Y ) .

2. Общую иусловную энтропию H (Y / X ).

3. Потериинформации в канале при передаче к символов (к = 100 ).

4.Количествопринятой информации при передаче к символов.

5. Скоростьпередачи информации, если время передачи одного символаt = 0,01 мс .

2. По каналусвязи передаются символы алфавита x 1 , x 2 , x 3 и x 4 с вероятностями />. Определить количествоинформации принятой при передаче 300 символов, если влияние помех описываетсяканальной матрицей:

3. Определитьпотери информации в канале связи при передаче равновероятных символов алфавита,если канальная матрица имеет вид


Определитьскорость передачи информации, если время передачи одного символа t = 0,001 сек.

4.Определитьпотери информации при передаче 1000 символов алфавита источникаx 1 , x 2 и x 3 с вероятностями p /> =0,2; p /> =0,1 и p (/>)=0,7 , если влияние помех вканале описывается канальной матрицей:

5. Определитьколичество принятой информации при передаче 600 символов, если вероятностипоявления символов на выходе источника X равны: /> а влияние помех при передачеописывается канальной матрицей:

6. В каналсвязи передаются сообщения, состоящие из символов алфавита />, при этом вероятностипоявления символов алфавита равны: />

Канал связиописан следующей канальной матрицей:


Определитьскорость передачи информации, если время передачи одного символа /> мс .

7.Поканалу связи передаются сигналы x 1 , x 2 и x 3 с вероятностями p /> =0,2; p /> =0,1 и p (/>)=0,7. Влияние помех в каналеописывается канальной матрицей:

Определитьобщую условную энтропию и долю потерь информации, которая приходится на сигнал x 1 (частную условнуюэнтропию).

8. По каналусвязи передаются символы алфавита x 1 , x 2 , x 3 и x 4 с вероятностями />.

Помехи вканале заданы канальной матрицей

Определитьпропускную способность канала связи, если время передачи одного символа t = 0,01 сек.

Определитьколичество принятой информации при передаче 500 символов, если вероятностипоявления символов на входе приемника Y равны: />, а влияние помех припередаче описывается канальной матрицей:




Списоклитературы

1 Гринченко А.Г. Теорияинформации и кодирование: Учебн. пособие. – Харьков: ХПУ, 2000.

2 Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д.– Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. –СПб: Политехника, 1999.

3 Хемминг Р.В. Цифровыефильтры: Пер. с англ. / Под ред. А.М. Трахтмана. – М.: Сов. радио, 1980.

4 Сиберт У.М. Цепи,сигналы, системы: В 2-х ч. / Пер. с англ. – М.: Мир, 1988.

5 Скляр Б. Цифровая связь.Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. – М.: Издательскийдом «Вильямс», 2003. – 1104 с.

6 Kalinin, V.I. Microwave & TelecommunicationTechnology, 2007. CriMiCo 2007. 17th International Crimean ConferenceVolume,Issue, 10–14 Sept. 2007 Page(s):233 – 234

7 ФеерК. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. Пер. с англ. –М.: Радио и связь, 2000.

8 Игнатов В.А. Теория информации ипередачи сигналов: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио исвязь, 1991;

1. Канал связи

Канал связи -- система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

Канал связи предназначен для передачи сигналов между удаленными устройствами. Сигналы несут информацию, предназначенную для представления пользователю (человеку), либо для использования прикладными программами ЭВМ.

2 Канал связи включает следующие компоненты:

1) передающее устройство;

2) приемное устройство;

3) среду передачи различной физической природы

Формируемый передатчиком сигнал, несущий информацию, после прохождения через среду передачи поступает на вход приемного устройства. Далее информация выделяется из сигнала и передается потребителю. Физическая природа сигнала выбирается таким образом, чтобы он мог распространяться через среду передачи с минимальным ослаблением и искажениями. Сигнал необходим в качестве переносчика информации, сам он информации не несет. канал связь удаленный получатель

Т.е. это (канал) -- техническое устройство (техника+среда).

3. Характеристики (параметры) каналов связи

1. Передаточная функция канала: представляется в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе канала связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Знание амплитудно-частотной характеристики реального канала позволяет определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники. Для экспериментальной проверки амплитудно-частотной характеристики нужно провести тестирование канала эталонными (равными по амплитуде) синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит количество экспериментов должно быть большим.

2. Полоса пропускания: является производной характеристикой от АЧХ. Она представляет собой непрерывный диапазон частот, для которых отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел, то есть полоса пропускания определяет диапазон частот сигнала, при которых этот сигнал передается по каналу связи без значительных искажений. Обычно полоса пропускания отсчитывается на уровне 0,7 от максимального значения АЧХ. Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по каналу связи.


3. Затухание: определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по каналу сигнала определенной частоты. Часто при эксплуатации канала заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать

затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по каналу сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.

Затухание обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по следующей формуле:

Где Рвых - мощность сигнала на выходе канала, Рвх - мощность сигнала на входе канала.

Затухание всегда рассчитывается для определенной частоты и соотносится с длиной канала. На практике всегда пользуются понятием "погонное затухание", т.е. затухание сигнала на единицу длины канала, например, затухание 0.1 дБ/метр.

4. Скорость передачи: характеризует количество бит, передаваемых по каналу в единицу времени. Она измеряется в битах в секунду -- бит/с, а также производных единицах: Кбит/c, Мбит/c, Гбит/с. Скорость передачи зависит от ширины полосы пропускания канала, уровня шумов, вида кодирования и модуляции.

5. Помехоустойчивость канала: характеризует его способность обеспечивать передачу сигналов в условиях помех. Помехи принято делить на внутренние (представляет собой тепловые шумы аппаратуры) и внешние (они многообразны и зависят от среды передачи). Помехоустойчивость канала зависит от аппаратных и алгоритмических решений по обработке принятого сигнала, которые заложены в приемо-передающее устройство. Помехоустойчивость передачи сигналов через канал может быть повышена за счет кодирования и специальной обработки сигнала.

6. Динамический диапазон: логарифм отношения максимальной мощности сигналов, пропускаемых каналом, к минимальной.

7. Помехозащищенность: это помехозащищенность, т.е. помехозащищенность.

Государственный экзамен

(State examination)

Вопрос №3 «Каналы связи. Классификация каналов связи. Параметры каналов связи. Условие передачи сигнала по каналу связи».

(Пляскин )


Канал связи. 3

Классификация. 5

Характеристики (параметры) каналов связи. 10

Условие передачи сигналов по каналам связи. 13

Литература. 14


Канал связи

Канал связи - система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи ), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

Канал связи предназначен для передачи сигналов между удаленными устройствами. Сигналы несут информацию, предназначенную для представления пользователю (человеку), либо для использования прикладными программами ЭВМ.

Канал связи включает следующие компоненты:

1) передающее устройство;

2) приемное устройство;

3) среду передачи различной физической природы (Рис.1) .

Формируемый передатчиком сигнал, несущий информацию, после прохождения через среду передачи поступает на вход приемного устройства. Далее информация выделяется из сигнала и передается потребителю. Физическая природа сигнала выбирается таким образом, чтобы он мог распространяться через среду передачи с минимальным ослаблением и искажениями. Сигнал необходим в качестве переносчика информации, сам он информации не несет.

Рис.1. Канала связи (вариант №1)

Рис.2 Канал связи (вариант №2)

Т.е. это (канал) - техническое устройство (техника+среда).


Классификация

Классификаций будет приведено ровно три типа. Выбирайте на вкус и цвет:

Классификация №1:

Существует множество видов каналов связи, среди которых наиболее часто выделяют каналы проводной связи (воздушные, кабельные, световодные и др.) и каналы радиосвязи (тропосферные, спутниковые и др.). Такие каналы в свою очередь принято квалифицировать на основе характеристик входного и выходного сигналов, а также по изменению характеристик сигналов в зависимости от таких явлений, происходящих в канале, как замирания и затухание сигналов.



По типу среды распространения каналы связи делятся на:

Проводные;

Акустические;

Оптические;

Инфракрасные;

Радиоканалы.

Каналы связи также классифицируют на:

· непрерывные (на входе и выходе канала – непрерывные сигналы),

· дискретные или цифровые (на входе и выходе канала – дискретные сигналы),

· непрерывно-дискретные (на входе канала–непрерывные сигналы, а на выходе–дискретные сигналы),

· дискретно-непрерывные (на входе канала–дискретные сигналы, а на выходе–непрерывные сигналы).

Каналы могут быть как линейными и нелинейными , временными и пространственно-временными .

Возможна классификация каналов связи по диапазону частот .

Системы передачи информации бывают одноканальные и многоканальные . Тип системы определяется каналом связи. Если система связи построена на однотипных каналах связи, то ее название определяется типовым названием каналов. В противном случае используется детализация классификационных признаков.

Классификация №2 (более подробная) :

1. Классификация по диапазону используемых частот

Ø Километровые (ДВ) 1-10 км, 30-300 кГц;

Ø Гектометровые (СВ) 100-1000 м, 300-3000 кГц;

Ø Декаметровые (КВ) 10-100 м, 3-30 МГц;

Ø Метровые (МВ) 1-10 м, 30-300 МГц;

Ø Дециметровые (ДМВ) 10-100 см, 300-3000 МГц;

Ø Сантиметровые (СМВ) 1-10 см, 3-30 ГГц;

Ø Миллиметровые (ММВ) 1-10 мм, 30-300 ГГц;

Ø Децимилимитровые (ДММВ) 0,1-1 мм, 300-3000 ГГц.

2. По направленности линий связи

- направленные (используются различные проводники):

Ø коаксиальные,

Ø витые пары на основе медных проводников,

Ø волоконнооптические.

- ненаправленные (радиолинии);

Ø прямой видимости;

Ø тропосферные;

Ø ионосферные

Ø космические;

Ø радиорелейные (ретрансляция на дециметровых и более коротких радиоволнах).

3. По виду передаваемых сообщений:

Ø телеграфные;

Ø телефонные;

Ø передачи данных;

Ø факсимильные.

4. По виду сигналов:

Ø аналоговые;

Ø цифровые;

Ø импульсные.

5. По виду модуляции (манипуляции)

- В аналоговых системах связи :

Ø с амплитудной модуляцией;

Ø с однополосной модуляцией;

Ø с частотной модуляцией.

- В цифровых системах связи :

Ø с амплитудной манипуляцией;

Ø с частотной манипуляцией;

Ø с фазовой манипуляцией;

Ø с относительной фазовой манипуляцией;

Ø с тональной манипуляцией (единичные элементы манипулируют поднесущим колебанием (тоном), после чего осуществляется манипуляция на более высокой частоте).

6. По значению базы радиосигнала

Ø широкополосные (B>> 1);

Ø узкополосные (B»1).

7. По количеству одновременно передаваемых сообщений

Ø одноканальные;

Ø многоканальные (частотное, временное, кодовое разделение каналов);


8. По направлению обмена сообщений

Ø односторонние;

Ø двусторонние.
9. По порядку обмена сообщения

Ø симплексная связь - двусторонняя радиосвязь, при которой передача и прием каждой радиостанции осуществляется поочередно;

Ø дуплексная связь - передача и прием осуществляется одновременно (наиболее оперативная);

Ø полудуплексная связь - относится к симплексной, в которой предусматривается автоматический переход с передачи на прием и возможность переспроса корреспондента.

10. По способам защиты передаваемой информации

Ø открытая связь;

Ø закрытая связь (засекреченная).

11. По степени автоматизации обмена информацией

Ø неавтоматизированные - управление радиостанцией и обмен сообщениями выполняется оператором;

Ø автоматизированные - вручную осуществляется только ввод информации;

Ø автоматические - процесс обмена сообщениями выполняется между автоматическим устройством и ЭВМ без участия оператора.

Классификация №3 (что-то может повторяться):

1. По назначению

Телефонные

Телеграфные

Телевизионные

Радиовещательные

2. По направлению передачи

Симплексные (передача только в одном направлении)

Полудуплексные (передача поочередно в обоих направлениях)

Дуплексные (передача одновременно в обоих направлениях)

3. По характеру линии связи

Механические

Гидравлические

Акустические

Электрические (проводные)

Радио (беспроводные)

Оптические

4. По характеру сигналов на входе и выходе канала связи

Аналоговые (непрерывные)

Дискретные по времени

Дискретные по уровню сигнала

Цифровые (дискретные и по времени и по уровню)

5. По числу каналов на одну линию связи

Одноканальные

Многоканальные

И еще рисунок сюда:

Рис.3. Классификация линий связи.


Характеристики (параметры) каналов связи

1. Передаточная функция канала : представляется в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ипоказывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе канала связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Нормированная амплитудно-частотная характеристика канала показана на рис.4. Знание амплитудно-частотной характеристики реального канала позволяет определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники. Для экспериментальной проверки амплитудно-частотной характеристики нужно провести тестирование канала эталонными (равными по амплитуде) синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит количество экспериментов должно быть большим.

-- отношение спектра выходного сигнала к входному
- полоса пропускания

Рис.4 Нормированная амплитудно-частотная характеристика канала

2. Полоса пропускания : является производной характеристикой от АЧХ. Она представляет собой непрерывный диапазон частот, для которых отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел, то есть полоса пропускания определяет диапазон частот сигнала, при которых этот сигнал передается по каналу связи без значительных искажений. Обычно полоса пропускания отсчитывается на уровне 0,7 от максимального значения АЧХ. Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по каналу связи.

3. Затухание : определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по каналу сигнала определенной частоты. Часто при эксплуатации канала заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по каналу сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.

Затухание обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по следующей формуле: , где

Мощность сигнала на выходе канала,

Мощность сигнала на входе канала.

Затухание всегда рассчитывается для определенной частоты и соотносится с длиной канала. На практике всегда пользуются понятием "погонное затухание", т.е. затухание сигнала на единицу длины канала, например, затухание 0.1 дБ/метр.

4. Скорость передачи : характеризует количество бит, передаваемых по каналу в единицу времени. Она измеряется в битах в секунду - бит/с , а также производных единицах: Кбит/c, Мбит/c, Гбит/с . Скорость передачи зависит от ширины полосы пропускания канала, уровня шумов, вида кодирования и модуляции.

5. Помехоустойчивость канала : характеризует его способность обеспечивать передачу сигналов в условиях помех. Помехи принято делить на внутренние (представляет собой тепловые шумы аппаратуры ) и внешние (они многообразны и зависят от среды передачи ). Помехоустойчивость канала зависит от аппаратных и алгоритмических решений по обработке принятого сигнала, которые заложены в приемо-передающее устройство. Помехоустойчивость передачи сигналов через канал может быть повышена за счет кодирования и специальной обработки сигнала.

6. Динамический диапазон : логарифм отношения максимальной мощности сигналов, пропускаемых каналом, к минимальной.

7. Помехозащищенность: это помехозащищенность, т.е. помехозащищенность.

КАНАЛЫ СВЯЗИ


1. Классификация и характеристики канала связи

Канал связи – это совокупность средств, предназначенных для передачи сигналов (сообщений).

Для анализа информационных процессов в канале связи можно использовать его обобщенную схему, приведенную на рис. 1.


На рис. 1 приняты следующие обозначения: X, Y, Z, W – сигналы, сообщения; f – помеха; ЛС – линия связи; ИИ, ПИ – источник и приемник информации; П – преобразователи (кодирование, модуляция, декодирование, демодуляция).

Существуют различные типы каналов, которые можно классифицировать по различным признакам:

1. По типу линий связи: проводные; кабельные; оптико-волоконные;

линии электропередачи; радиоканалы и т.д.

2. По характеру сигналов: непрерывные; дискретные; дискретно-непрерывные (сигналы на входе системы дискретные, а на выходе непрерывные, и наоборот).

3. По помехозащищенности: каналы без помех; с помехами.

Каналы связи характеризуются:

1. Емкость канала определяется как произведение времени использования канала T к, ширины спектра частот, пропускаемых каналом F к и динамического диапазона D к. , который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов


V к = T к F к D к. (1)

Условие согласования сигнала с каналом:

V c £ V k ; T c £ T k ; F c £ F k ; V c £ V k ; D c £ D k .

2. Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени.

3. Пропускная способность канала связи – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины.

4. Избыточность – обеспечивает достоверность передаваемой информации (R = 0¸1).

Одной из задач теории информации является определение зависимости скорости передачи информации и пропускной способности канала связи от параметров канала и характеристик сигналов и помех.

Канал связи образно можно сравнивать с дорогами. Узкие дороги – малая пропускная способность, но дешево. Широкие дороги – хорошая пропускная способность, но дорого. Пропускная способность определяется самым «узким» местом.

Скорость передачи данных в значительной мере зависит от передающей среды в каналах связи, в качестве которых используются различные типы линий связи.

Проводные:

1. Проводные – витая пара (что частично подавляет электромагнитное излучение других источников). Скорость передачи до 1 Мбит/с. Используется в телефонных сетях и для передачи данных.

2. Коаксиальный кабель. Скорость передачи 10–100 Мбит/с – используется в локальных сетях, кабельном телевидении и т.д.

3. Оптико-волоконная. Скорость передачи 1 Гбит/с.

В средах 1–3 затухание в дБ линейно зависит от расстояния, т.е. мощность падает по экспоненте. Поэтому через определенное расстояние необходимо ставить регенераторы (усилители).

Радиолинии:

1. Радиоканал. Скорость передачи 100–400 Кбит/с. Использует радиочастоты до 1000 МГц. До 30 МГц за счет отражения от ионосферы возможно распространение электромагнитных волн за пределы прямой видимости. Но этот диапазон сильно зашумлен (например, любительской радиосвязью). От 30 до 1000 МГц – ионосфера прозрачна и необходима прямая видимость. Антенны устанавливаются на высоте (иногда устанавливаются регенераторы). Используются в радио и телевидении.

2. Микроволновые линии. Скорости передачи до 1 Гбит/с. Используют радиочастоты выше 1000 МГц. При этом необходима прямая видимость и остронаправленные параболические антенны. Расстояние между регенераторами 10–200 км. Используются для телефонной связи, телевидения и передачи данных.

3. Спутниковая связь. Используются микроволновые частоты, а спутник служит регенератором (причем для многих станций). Характеристики те же, что у микроволновых линий.

2. Пропускная способность дискретного канала связи

Дискретный канал представляет собой совокупность средств, предназначенных для передачи дискретных сигналов .

Пропускная способность канала связи – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины. Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени. Определим выражения для расчета скорости передачи информации и пропускной способности дискретного канала связи.

При передаче каждого символа в среднем по каналу связи проходит количество информации, определяемое по формуле

I (Y, X) = I (X, Y) = H(X) – H (X/Y) = H(Y) – H (Y/X), (2)

где: I (Y, X) – взаимная информация, т.е. количество информации, содержащееся в Y относительно X; H(X) – энтропия источника сообщений; H (X/Y) – условная энтропия, определяющая потерю информации на один символ, связанную с наличием помех и искажений.

При передаче сообщения X T длительности T, состоящего из n элементарных символов, среднее количество передаваемой информации с учетом симметрии взаимного количества информации равно:

I(Y T , X T) = H(X T) – H(X T /Y T) = H(Y T) – H(Y T /X T) = n . (4)

Скорость передачи информации зависит от статистических свойств источника, метода кодирования и свойств канала.

Пропускная способность дискретного канала связи

. (5)

Максимально-возможное значение, т.е. максимум функционала ищется на всем множестве функций распределения вероятности p(x).

Пропускная способность зависит от технических характеристик канала (быстродействия аппаратуры, вида модуляции, уровня помех и искажений и т.д.). Единицами измерения пропускной способности канала являются: , , , .


 

 
Это интересно: