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.
Для передачи сигналов между взаимодействующими системами в компьютерных сетях используются линии связи.
В узком смысле под терминомлиния связи (transmission link, link ) подразумевается физическая среда, по которой передаются сигналы между двумя конечными системами. Сигналы формируются специальными техническими средствами (передатчиками, усилителями, мультиплексорами и т.д.), относящимися к сетевому оборудованию.
Среда передачи (transmission medium ) или физическая среда - материальная субстанция, через которую осуществляется распространение сигналов.
В компьютерных сетях используют два типа сред передачи: кабельную и беспроводную.
Рис. 3.1 Типы сред передачи
Основой беспроводных сред передачи является земная атмосфера или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны. В кабельных средах передачи используются кабели различных типов: коаксиальные, волоконно-оптические, витая пара. Передача сигналов в них осуществляется с помощью электрических (электрический ток) или оптических (свет) сигналов.
В широком смысле под термином « линия связи» в области компьютерных сетей подразумевают канал связи .
Канал связи (channel, data link ) представляет собой совокупность одной или нескольких физических сред передачи и каналообразующего (сетевого) оборудования, которые обеспечивают передачу данных между взаимодействующими системами в виде сигналов, соответствующих типу физической среды.
В этом контексте термины «линия связи» и «канал связи» являются синонимами.
Рис. 3.2 Канал связи
Различают физические (physical link ) и логические (logical link ) каналы. Физический канал связи представляет собой средство передачи сигналов между взаимодействующими системами. В зависимости от типа передаваемых сигналов и физической среды, используемой для их распространения, физические каналы подразделяются на электрические (витая пара, коаксиальный кабель), оптические (волоконно-оптический кабель) и беспроводные (радиоканалы, инфракрасные каналы и т.д).
Логические каналы устанавливаются между протоколами любых уровней модели OSI взаимодействующих систем и определяют путь, по которому данные передаются от источника к приемнику через один или последовательность физических каналов.
При прокладке в физическом канале нескольких логических каналов, ресурсы физического канала распределяются между логическими каналами с помощью методов мультиплексирования .
Рис. 3.3 Физический и логический каналы связи
Каналы (линии) связи можно классифицировать на основе следующих признаков:
● по типу физической среды;
● по типу представления передаваемой информации;
● по направлению передачи данных;
● по времени существования;
● по способу подключения;
● по ширине полосы пропускания.
В зависимости от типа представления передаваемой информации каналы делятся на аналоговые , предназначенные для передачи аналоговых сигналов и дискретные , служащие для передачи дискретных (цифровых) сигналов.
В зависимости от направления передачи данных различают каналы:
● симплексные (simplex ), в которых передача осуществляется только в одном направлении;
● полудуплексные (half-duplex поочередно в прямом и обратном направлении;
● дуплексные (duplex ), в которых передача ведется одновременно в двух направлениях - прямом и обратном.
Рис. 3.4 Симплексный канал
Рис. 3.5 Полудуплексный канал
Рис. 3.6 Дуплексный канал
Также каналы можно классифицировать по времени доступности для абонента. Каналы между конечными системами, которые доступны для передачи данных на длительное время за счет постоянно существующего соединения с заданными характеристиками, называются выделенными или некоммутируемыми . Каналы связи, передача данных по которым возможна только после установления соединения между взаимодействующими системами, называются коммутируемыми или временными . При этом канал будет существовать только в течение сеанса связи, т.е. времени, требуемого для передачи данных.
По способу подключения каналы делятся на: «точка-точка» (point-to-point ), «точка-многоточка» (point-to-multipoint), «многоточка » (multipoint ). Канал «точка-точка» связывает только два узла или две взаимодействующих системы. Канал «точка-многоточка» обеспечивает соединение одной центральной системы (узла) с группой других систем (узлов). Канал «многоточка» обеспечивает подключение друг к другу группы узлов или систем.
Важной характеристикой канала связи является его полоса пропускания (bandwidth ). В зависимости от ширины полосы пропускания (разности между граничными частотами полосы пропускания) и способа передачи сигналов каналы делятся на основополосные (baseband channel ) и широкополосные (broadband channel ).
Основополосный канал характеризуется простотой и дешевизной реализации, в связи с чем, широко используется в локальных сетях (слово «BASE» в названиях спецификаций физического уровня Ethernet (например, 10BASE-T, 100BASE-FX, 1000BASE-SX), указывает на основополосную передачу). Сигнал по основополосному каналу передается в основной полосе частот, т.е. без модуляции несущей, при этом вся полоса пропускания используется для передачи только одного сигнала.
В отличие от основополосного канала, вся полоса пропускания широкополосного канала разделяется между несколькими логическими каналами с помощью методов мультиплексирования, что позволяет одновременно и независимо друг от друга выполнять передачу сигналов между несколькими парами взаимодействующих систем. Технологии широкополосного доступа (например, xDSL, PowerLine (PLC), 3G (UMTS), 4G (LTE)) используются при организации подключения к набору услуг, предлагаемых операторами связи.
Сигналы
Передача данных по каналам связи осуществляется с помощью их физического представления - электрических (электрический ток), оптических (свет) или электромагнитных сигналов.
Если рассматривать сигнал как функцию времени, то он может быть:
● аналоговым (непрерывным ) - его величина непрерывно изменяется во времени;
● цифровым (дискретным ) - имеющим конечное, обычно небольшое число значений.
Рис. 3.7 Аналоговый сигнал
Рис. 3.8 Цифровой сигнал
Сигналы, используемые для передачи потока данных должны быть информативными, т.е. иметь некоторые изменяющиеся параметры, которые позволят приемнику идентифицировать полученные данные. В качестве такого сигнала часто используется гармонический сигнал .
Гармонический сигнал - это гармонические колебания, со временем распространяющиеся в пространстве, которые несут в себе информацию или какие-то данные.Гармонические колебания - это колебания, при которых физическая (или любая другая) величина изменяется с течением времени по синусоидальному или косинусоидальному закону.
Гармонический сигнал несет в себе информацию в виде трех параметров: амплитуды , фазы и частоты и описывается формулой:
где А – амплитуда сигнала; ω – круговая частота: ω=2πf (f – линейная частота: f =1/T, величина обратная периоду Т); φ 0 – начальная фаза гармонического сигнала; t – время.
Рис. 3.9 Гармонический сигнал
Для обеспечения высокой скорости передачи данных важна частота: чем выше частота, тем больше скорость передачи.
Функция времени y(t) может быть произвольной и иметь различные частоты.
Вспомним теорию гармонического анализа и преобразование Фурье. Французский ученый Ж.Б. Фурье доказал, что любое изменение во времени некоторой функции можно аппроксимировать в виде конечной или бесконечной суммы ряда гармонических колебаний с разными амплитудами, частотами и начальными фазами.
Другими словами, любой периодический сигнал (аналоговый или цифровой), описываемый сложной функцией времени, может быть представлен в виде бесконечной или конечной суммы простых гармонических колебаний (гармоник) с частотами кратными основной частоте ω=2π/Т :
где i – номер гармоники; А i – амплитуда, φ i – начальная фаза, ω i – круговая частота i -й гармоники; t – время.
Первая гармоника ω 1 называется первой или основной гармоникой сигнала, все остальные гармоники называются высшими. При этом частота каждой последующей гармоники больше предыдущей ω 1 < ω 2 < ω 3 ….. < ω ∞.
Периодическим сигналом называют такой вид воздействия, когда форма сигнала повторяется через некоторый интервал времени T , который называется периодом.
Рис. 3.10 Формирование сигнала из суммы первых 4 гармоник и спектральная амплитудная диаграмма периодического сигнала
Набор гармонических колебаний, в сумме составляющий исходный сигнал, образует частотный спектр этого сигнала, т.е. область частот, составляющих данный сигнал.
Сигналов, которые обладали бы бесконечным спектром, в природе практически нет. Преобладающая часть энергии реальных сигналов сосредоточена в ограниченной области (полосе) частот, а сам сигнал представляется в виде конечной суммы гармонических колебаний. В этом случае спектр сигнала y(t) определяется как разность между частотами верхней и нижней гармоник: f n -f 1 , где n < ∞.
Из набора гармоник, составляющих сигнал, выделяют и различают амплитудный и фазовый спектр. Амплитудным спектром называют набор амплитуд всех гармоник, который обычно представляют диаграммой в виде набора вертикальных линий, длины которых пропорциональны (в выбранном масштабе) амплитудным значениям гармонических колебаний, а место на горизонтальной оси определяется частотой (номером гармоники) данной составляющей. Амплитудный и фазовый спектр однозначно определяют сигнал. Однако для многих практических задач достаточно ограничиться амплитудным спектром.
При передаче сигнала по каналу связи его форма искажается вследствие неодинаковой деформации гармоник различных частот. Это происходит из-за того, что физические параметры канала связи отличаются от идеальных. На сигнал влияют такие факторы, как затухание, шумы и помехи. Однако, основным фактором, оказывающим влияние на форму сигнала, является полоса пропускания канала связи. Для того чтобы передать сигнал без значительных искажений, канал связи должен иметь ширину полосы пропускания не менее ширины спектра частот передаваемого сигнала.
Рис. 3.11 Влияние физических параметров среды передачи на сигнал
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.
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.
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 произведениевремени 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.
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: , , , .
2.1 Дискретный канал связи без помех
Если помехи в канале связи отсутствуют, то входные и выходные сигналы канала связаны однозначной, функциональной зависимостью.
При этом условная энтропия равна нулю, а безусловные энтропии источника и приемника равны, т.е. среднее количество информации в принятом символе относительно переданного равно
I (X, Y) = H(X) = H(Y); H (X/Y) = 0.
Если Х Т – количество символов за время T , то скорость передачи информации для дискретного канала связи без помех равна
(6)где V = 1/ – средняя скорость передачи одного символа.
Пропускная способность для дискретного канала связи без помех
(7)Т.к. максимальная энтропия соответствует для равновероятных символов, то пропускная способность для равномерного распределения и статистической независимости передаваемых символов равна:
. (8)Первая теорема Шеннона для канала:Если поток информации, вырабатываемый источником, достаточно близок к пропускной способности канала связи, т.е.
то всегда можно найти такой способ кодирования, который обеспечит передачу всех сообщений источника, причем скорость передачи информации будет весьма близкой к пропускной способности канала.
Теорема не отвечает на вопрос, каким образом осуществлять кодирование.
Пример 1. Источник вырабатывает 3 сообщения с вероятностями:
p 1 = 0,1; p 2 = 0,2 и p 3 = 0,7.
Сообщения независимы и передаются равномерным двоичным кодом (m = 2 ) с длительностью символов, равной 1 мс. Определить скорость передачи информации по каналу связи без помех.
Решение: Энтропия источника равна
[бит/с].
Для передачи 3 сообщений равномерным кодом необходимо два разряда, при этом длительность кодовой комбинации равна 2t.
Средняя скорость передачи сигнала
V =1/2 t = 500 .
Скорость передачи информации
C = vH = 500 × 1,16 = 580 [бит/с].
2.2 Дискретный канал связи с помехами
Мы будем рассматривать дискретные каналы связи без памяти.
Каналом без памяти называется канал, в котором на каждый передаваемый символ сигнала, помехи воздействуют, не зависимо от того, какие сигналы передавались ранее. То есть помехи не создают дополнительные коррелятивные связи между символами. Название «без памяти» означает, что при очередной передаче канал как бы не помнит результатов предыдущих передач.
