Каналы связи (КС) служат для передачи сигнала и являются общим звеном любой системы передачи информации.
По физической природе каналы связи подразделяются на механические, используемые для передачи материальных носителей информации, акустические , оптические и электрические , передающие соответственно звуковые, световые и электрические сигналы.
Электрические и оптические каналы связи в зависимости от способа передачи сигналов можно подразделить на проводные, использующие для передачи сигналов физические проводники (электрические провода, кабели, световоды), и беспроводные, использующие для передачи сигналов электромагнитные волны (радиоканалы, инфракрасные каналы).
По форме представления передаваемой информации каналы связи делятся на аналоговые , по которым информация передается в непрерывной форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины, и цифровые, передающие информацию, представленную в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов различной физической природы.
В зависимости от возможных направлений передачи информации каналы связи подразделяются на симплексные, позволяющие передавать информацию только в одном направлении; полудуплексные , обеспечивающие попеременную передачу информации как в прямом, так и в обратном направлениях; дуплексные , позволяющие вести передачу информации одновременно в прямом и обратном направлениях.
Каналы связи бывают коммутируемые , которые создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации, а по окончании передачи такой канал ликвидируется (разъединяется), и некоммутируемые (выделенные), создаваемые на длительное время и имеющие постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности.
Широко используемые в автоматизированных системах обработки информации и управления электрические проводные каналы связи различаются по пропускной способности:
низкоскоростные, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бит/с. Это телеграфные каналы связи, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;
среднескоростные, использующие аналоговые (телефонные) каналы связи; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах V.32 - V.34 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и от 14400 до 56 000 бит/с;
высокоскоростные (широкополосные), обеспечивающие скорость передачи информации свыше 56 000 бит/с.
Для передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС физической средой обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных проводов, называемых витая пара. Она представляет собой изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения как перекрестных электромагнитных наводок, так и затухания сигнала при передаче на высоких частотах.
Для организации высокоскоростных (широкополосных) КС используются различные кабели:
Экранированные с витыми парами из медных проводов;
Неэкранированные с витыми парами из медных проводов;
Коаксиальные;
Оптоволоконные.
STP-кабели (экранированные с витыми парами из медных проводов) имеют хорошие технические характеристики, но неудобны в работе и дороги.
UTP-кабели (неэкранированные с витыми парами из медных проводов) довольно широко используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях.
Выделяют пять категорий витых пар: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая - при скоростях передачи соответственно до 16,25 и 155 Мбит/с. Эти кабели обладают хорошими техническими характеристиками, сравнительно недороги, удобны в работе, не требуют заземления.
Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оболочкой. Скорость передачи данных по коаксиальному кабелю довольно высокая (до 300 Мбит/с), но он недостаточно удобен в работе и имеет высокую стоимость.
Оптоволоконный кабель (рис. 8.2) состоит из стеклянных или пластиковых волокон диаметром несколько микрометров (свето-ведущая жила) с высоким показателем преломления п с, окруженных изоляцией с низким показателем преломления n 0 и помещенных в защитную полиэтиленовую оболочку. На рис. 8.2, а показано распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля, а на рис. 8.2, б - схема распространения лучей. Источником излучения, распространяемого по оптоволоконному кабелю, является светодиод или полупроводниковый лазер, приемником излучения - фотодиод, который преобразует световые сигналы в электрические. Передача светового луча по волокну основана на принципе полного внутреннего отражения луча от стенок световедущей жилы, за счет чего обеспечивается минимальное затухание сигнала.
Рис. 8.2. Распространение лучей по оптоволоконному кабелю:
а - распределение показателя преломления по сечению оптоволоконного кабеля;
б - схема распространения лучей
Кроме того, оптоволоконные кабели обеспечивают защиту передаваемой информации от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи до 1000 Мбит/с. Кодирование информации осуществляется с помощью аналоговой, цифровой или импульсной модуляции светового луча. Оптоволоконный кабель достаточно дорогой и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи, например, проложенный по дну Атлантического океана кабель связывает Европу с Америкой. В вычислительных сетях оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных участках, в частности, в Internet. По одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сотен тысяч телефонных, несколько тысяч видеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов связи.
Высокоскоростные КС организуются на базе беспроводных радиоканалов.
Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Для формирования радиоканала используются радиопередатчик и радиоприемник. Скорости передачи данных по радиоканалу практически ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры. Радиоволновый диапазон определяется используемой для передачи данных частотной полосой электромагнитного спектра. В табл. 8.1 представлены диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы.
Для коммерческих телекоммуникационных систем чаще всего используются частотные диапазоны 902 - 928 МГц и 2,40 - 2,48 ГГц.
Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и быстроту реакции.
Телефонные линии связи наиболее разветвлены и распространены. Они осуществляют передачу звуковых (тональных) и факсимильных сообщений. На базе телефонной линии связи построены информационно-справочные системы, системы электронной почты и вычислительных сетей. На базе телефонных линий могут быть созданы аналоговые и цифровые каналы передачи информации.
В аналоговых телефонных линиях телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который и передается по абонентской линии в АТС. Требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот составляет примерно 3 кГц (диапазон 300 Гц -3,3 кГц). Передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи.
В цифровых каналах связи аналоговый сигнал перед вводом дискретизируется - преобразуется в цифровую форму: каждые 125 мкс (частота дискретизации равна 8 кГц) текущее значение аналогового сигнала отображается 8-разрядным двоичным кодом.
Таблица 8.1
Диапазоны радиоволн и соответствующие им частотные полосы
На сегодняшний день информация так быстро распространяется, что не всегда хватает времени ее осмыслить. Большинство людей редко задумываются о том, как и с помощью каких средств она передается, а уж тем более не представляют себе схему передачи информации.
Основные понятия
Передачей информации принято считать физический процесс перемещения данных (знаков и символов) в пространстве. С точки зрения передачи данных - это спланированное заранее, технически оснащенное мероприятие по перемещению информационных единиц за установленное время от так называемого источника к приемнику посредством информационного канала, или канала передачи данных.
Канал передачи данных - совокупность средств или среда распространения данных. Другими словами, это та часть схемы передачи информации, которая обеспечивает движение информации от источника к получателю, а при определенных условиях и обратно.
Классификаций каналов передачи данных много. Если выделить основные из них, то можно перечислить следующие: радиоканалы, оптические, акустические или беспроводные, проводные.
Технические каналы передачи информации
Непосредственно к техническим каналам передачи данных относятся радиоканалы, оптоволоконные каналы и кабельные. Кабель может быть коаксиальный или на основе витых пар. Первые представляют собой электрический кабель с медным проводом внутри, а вторые - витые пары медных проводов, изолированные попарно, находящиеся в диэлектрической оболочке. Эти кабели довольно гибкие и удобные в использовании. Оптоволокно состоит из оптоволоконных нитей, передающих световые сигналы посредством отражения.
Основными характеристиками являются пропускная способность и помехоустойчивость. Под пропускной способностью принято понимать тот объем информации, который можно передать по каналу за определенное время. А помехоустойчивостью называют параметр устойчивости канала к воздействию внешних помех (шумов).
Общее представление о передаче данных
Если не конкретизировать область применения, общая схема передачи информации выглядит несложно, включает в себя три компонента: «источник», «приемник» и «канал передачи».
Схема Шеннона
Клод Шеннон, американский математик и инженер, стоял у истоков теории информации. Им была предложена схема передачи информации по техническим каналам связи.
Понять эту схему несложно. Особенно если представить её элементы в виде знакомых предметов и явлений. Например, источник информации - человек, говорящий по телефону. Телефонная трубка будет являться кодирующим устройством, которое преобразует речь или звуковые волны в электрические сигналы. Каналом передачи данных в этом случае является узлы связи, в общем, вся телефонная сеть, ведущая от одного телефонного аппарата к другому. Декодирующим устройством выступает трубка абонента. Она преобразует электрический сигнал обратно в звук, то есть в речь.
В этой схеме процесса передачи информации данные представлены в виде непрерывного электрического сигнала. Такая связь называется аналоговой.
Понятие кодирования
Кодированием принято считать преобразование информации, посылаемой источником, в форму, пригодную для передачи по используемому каналу связи. Самый понятный пример кодирования - это азбука Морзе. В ней информация преобразуется в последовательность точек и тире, то есть коротких и длинных сигналов. Принимающая сторона должна декодировать эту последовательность.
В современных технологиях используется цифровая связь. В ней информация преобразуются (кодируется) в двоичные данные, то есть 0 и 1. Существует даже бинарный алфавит. Такая связь называется дискретной.
Помехи в информационных каналах
В схеме передачи данных также присутствует шум. Понятие "шум" в данном случае означает помехи, из-за которых происходит искажение сигнала и, как следствие, его потеря. Причины помех могут быть различные. Например, информационные каналы могут быть плохо защищены друг от друга. Для предотвращения помех применяют различные технические способы защиты, фильтры, экранирование и т. д.
К. Шенноном была разработана и предложена к использованию теория кодирование для борьбы с шумом. Идея заключается в том, что раз под воздействием шума происходит потеря информации, значит, передаваемые данные должны быть избыточны, но в то же время не настолько, чтобы снизить скорость передачи.
В цифровых каналах связи информация делится на части - пакеты, для каждого из которых вычисляется контрольная сумма. Эта сумма передается вместе с каждым пакетом. Приемник информации заново вычисляет эту сумму и принимает пакет, только если она совпадает с первоначальной. В противном случае пакет отправляется снова. И так до тех пор, пока отправленная и полученная контрольные суммы не совпадут.
Каналом передачи информации называют совокупность технических средств, обеспечивающую передачу электрических сигналов от одного пункта к другому. Входы канала подключаются к передатчику, а выходы - к приемнику. В современных цифровых системах связи основные функции передатчика и приемника выполняет модем. Одной из главных характеристик канала является скорость передачи информации. Максимально возможная скорость передачи информации (данных) по каналу связи при фиксированных ограничениях называется емкостью канала, обозначается через С и имеет размерность бит/с. В общем случае емкость канала можно определить по формуле: (8.22) где I- количество переданной за время Т информации. В качестве меры количества информации возьмем меру Р. Хартли определяемую как логарифм возможных состояний объекта Ь. (8.23) Для нахождения I воспользуемся теоремой Котельникова, которая доказывает, что сигнал, не содержащий в своем спектре частот выше Р, может представляться 2Р независимыми значениями в секунду, совокупность которых полностью определяет этот сигнал. Данная процедура, называемая аналого-цифровым преобразованием, была рассмотрена в гл. 6. Она состоит из двух этапов - дискретизации по времени, т. е. представлении сигнала в виде п отсчетов, взятых через интервал времени 1 = 1/(2Р), и квантования по уровню, т. е. представления амплитуды сигнала одним из т возможных значений. Определим количество различных сообщений, которое можно составить из п элементов, принимающих любые из т различных фиксированных состояний. Из ансамбля п элементов, каждый из которых может находиться в одном из т фиксированных состояний, можно составить т а различных комбинаций, т. е. 1= т". Тогда: (8.24) За время Тчисло отсчетов п= Г/1=2РГ. Если бы шума не существовало, то число т дискретных уровней сигнала было бы бесконечным. В случае наличия шума последний определяет степени различимости отдельных уровней амплитуды сигнала. Так как мощность является усредненной характеристикой амплитуды, число различимых уровней сигнала по мощности равно (Р е +Р ш)/Р ш), а по амплитуде соответственно: 
Тогда емкость канала: 
(8.25) Итак, емкость канала ограничивается двумя величинами: шириной полосы канала и шумом. Соотношение (8.25) известно как формула Хартли-Шеннона и считается основной в теории информации. Полоса частот и мощность сигнала входят в формулу таким образом, что для С= const при сужении полосы необходимо увеличивать мощность сигнала, и наоборот. К основным характеристикам каналов связи относятся: ■ амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); ■ полоса пропускания; ■ затухание; * пропускная способность; ■ достоверность передачи данных; ■ помехоустойчивость. Для определения характеристик канала связи применяется анализ его реакции на некоторое эталонное воздействие. Чаще всего в качестве эталона используются синусоидальные сигналы разных частот. АЧХ показывает, как изменяется амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех частот передаваемого сигнала. Полоса пропускания - это диапазон частот, для которых отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заданный предел (для мощности 0.5). Эта полоса частот определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Ширина полосы пропускания влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Затухание - определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии связи сигнала определенной частоты. Затухание I обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по формуле: где Р вых - мощность сигнала на выходе линии; Р вх - мощность сигнала на входе линии. Пропускная способность линии (throughput) характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи и измеряется в битах в секунду (бит/с), а так же в производных единицах Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с. На пропускную способность линии оказывает влияние физическое и логическое кодирование. Способ представления дискретной информации в виде сигналов, передаваемых на линию связи, называется физическим линейным кодированием. От выбранного способа кодирования зависит спектр сигнала и соответственно пропускная способность линии. Таким образом, для одного или другого способа кодирования линия может иметь разную пропускную способность. Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации - биту. Если сигнал изменяется так, что можно различить более двух состояний, то любое его изменение несет несколько бит информации. Количество изменений информационного параметра несущего колебания (периодического сигнала) в секунду измеряется в бодах. Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод. Она может быть как выше, так и ниже числа бод, и это соотношение зависит от способа кодирования. Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в бит/с будет выше, чем число бод. Например, если информационными параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различают 4 состояния фазы (О, 90, 180 и 270) и два значения амплитуды, то информационный сигнал имеет восемь различимых состояний. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (с тактовой частотой 2400 Гц), передает информацию со скоростью 7200 бит/с, так как при одном изменении сигнала передается три бита информации. При использовании сигнала с двумя различными состояниями может наблюдаться обратная картина. Это происходит, когда для надежного распознавания приемником информации каждый бит в последовательности кодируется с помощью нескольких изменений информационного параметра несущего сигнала. Например, при кодировании единичного значения бита импульсом положительной полярности, а нолевого значения бита - импульсом отрицательной полярности, сигнал дважды меняет свое состояние при передаче каждого бита. При таком способе кодирования пропускная способность линии в два раза ниже, чем число бод, передаваемое по линии. На пропускную способность оказывает влияние логическое кодирование, которое выполняется до физического и подразумевает замену бит исходной информации новой последовательности бит, несущей ту же информацию, но обладающей при этом дополнительными свойствами (обнаруживающие коды, шифрование). При этом искаженная последовательность бит заменяется более длинной последовательностью, поэтому пропускная способность канала уменьшается. В общем случае связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью определяется соотношением (8.25). Из этого соотношения следует, что хотя теоретического предела увеличения пропускной способности линии (с фиксированной полосой пропускания) нет, на практике такой предел существует. Повысить пропускную способность линии можно, увеличив мощность передатчика или уменьшая мощность помех. Однако увеличение мощности передатчика приводит к росту его габаритов и стоимости, а уменьшение шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами и снижения шума в аппаратуре связи. Емкость канала представляет собой максимальную величину скорости. Чтобы достигнуть такой скорости передачи, информация должна быть закодирована наиболее эффективным образом. Утверждение, что такое кодирование возможно, является важнейшим результатом созданной Шенноном теории информации. Шеннон доказал принципиальную возможность такого эффективного кодирования, не определив, однако, конкретных путей его реализации. (Отметим, что на практике инженеры часто говорят о емкости канала, подразумевая под этим реальную, а не потенциальную скорость передачи.) Эффективность систем связи характеризуется параметром, равным скорости передачи информации Я на единицу ширины полосы Г, т. е. Я/Р. Для иллюстрации существующих возможностей по созданию эффективных систем связи на рис. 8.12 приведены графики зависимости эффективности передачи информации при различных видах М-ичной дискретной амплитудной, частотной и фазовой модуляции (кроме бинарной модуляции используется также модуляция с 4, 8, 16 и даже с 32 положениями модулируемого параметра) от отношения энергии одного бита к спектральной плотности мощности шума (Ео/Мо). Для сравнения показана также граница Шеннона. Сравнение кривых показывает, в частности, что наиболее эффективной оказывается передача с фазовой дискретной модуляцией, однако при неизменном отношении сигнал-шум наиболее популярный вид модуляции 4ФМн в три раза хуже потенциально достижимого. Достовернсть передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Показателем достоверности является вероятность ошибочного приема информационного символа - Р. 1 ОШ 
Рис. 8.12. Эффективность цифровых систем связи: 1 - граница Шеннона; 2 - М-ичная ФМн; 3 - М-ичная АМн; 4 - М-ичная ЧМн Величина Р ош для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок составляет, как правило, 10 4 ... 10 6 . В оптоволоконных линиях связи Р ош составляет 10" 9 . Это значит, что при Р ош = 10 4 в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита. Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и из-за искажений формы сигнала, ограниченной полосой пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных необходимо повышать степень помехозащищенности линий, а также использовать более широкополосные линии связи. Непременной составной частью любого канала является линия связи - физическая среда, обеспечивающая поступление сигналов от передающего устройства к приемному. В зависимости от среды передачи данных линии связи могут быть: ■ проводные (воздушные); ■ кабельные (медные и волоконно-оптические); ■ радиоканалы наземной и спутниковой связи (беспроводные каналы связи). Проводные линии связи представляют собой проложенные между опорами провода без каких-либо экранирующих или изолирующих оплеток. Помехозащищенность и скорость передачи данных в этих линиях низкая. По таким линиям связи передаются, как правило, телефонные и телеграфные сигналы. 8.3.1.
Передача информации происходит от источника к получателю (приемнику) информации. Источником информации может быть все, что угодно: любой объект или явление живой или неживой природы. Процесс передачи информации протекает в некоторой материальной среде, разделяющей источника и получателя информации, которая называется каналом передачи информации. Информация передается через канал в форме некоторой последовательности сигналов, символов, знаков, которые называются сообщением . Получатель информации - это объект, принимающий сообщение, в результате чего происходят определенные изменения его состояния. Все сказанное выше схематически изображено на рисунке.
Передача информации
Человек получает информацию от всего, что его окружает, посредством органов чувств: слуха, зрения, обоняния, осязания, вкуса. Наибольший объем информации человек получает через слух и зрение. На слух воспринимаются звуковые сообщения - акустические сигналы в сплошной среде (чаще всего - в воздухе). Зрение воспринимает световые сигналы, переносящие изображение объектов.
Не всякое сообщение информативно для человека. Например, сообщение на непонятном языке хотя и передается человеку, но не содержит для него информации и не может вызвать адекватных изменений его состояния.
Информационный канал может иметь либо естественную природу (атмосферный воздух, через который переносятся звуковые волны, солнечный свет, отраженный от наблюдаемых объектов), либо быть искусственно созданным. В последнем случае речь идет о технических средствах связи.
Технические системы передачи информации
Первым техническим средством передачи информации на расстояние стал телеграф, изобретенный в 1837 году американцем Сэмюэлем Морзе. В 1876 году американец А.Белл изобретает телефон. На основании открытия немецким физиком Генрихом Герцем электромагнитных волн (1886 г.), А.С. Поповым в России в 1895 году и почти одновременно с ним в 1896 году Г.Маркони в Италии, было изобретено радио. Телевидение и Интернет появились в ХХ веке.
Все перечисленные технические способы информационной связи основаны на передаче на расстояние физического (электрического или электромагнитного) сигнала и подчиняются некоторым общим законам. Исследованием этих законов занимается теория связи , возникшая в 1920-х годах. Математический аппарат теории связи - математическую теорию связи , разработал американский ученый Клод Шеннон.
Клод Элвуд Шеннон (1916–2001), США
Клодом Шенноном была предложена модель процесса передачи информации по техническим каналам связи, представленная схемой.
Техническая система передачи информации
Под кодированием здесь понимается любое преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи. Декодирование - обратное преобразование сигнальной последовательности .
Работу такой схемы можно пояснить на знакомом всем процессе разговора по телефону. Источником информации является говорящий человек. Кодирующим устройством - микрофон телефонной трубки, с помощью которого звуковые волны (речь) преобразуются в электрические сигналы. Каналом связи является телефонная сеть (провода, коммутаторы телефонных узлов, через которые проходит сигнал). Декодирующим устройством является телефонная трубка (наушник) слушающего человека - приемника информации. Здесь пришедший электрический сигнал превращается в звук.
Современные компьютерные системы передачи информации - компьютерные сети, работают по тому же принципу. Есть процесс кодирования, преобразующий двоичный компьютерный код в физический сигнал того типа, который передается по каналу связи. Декодирование заключается в обратном преобразовании передаваемого сигнала в компьютерный код. Например, при использовании телефонных линий в компьютерных сетях функции кодирования-декодирования выполняет прибор, который называется модемом.
Пропускная способность канала и скорость передачи информации
Разработчикам технических систем передачи информации приходится решать две взаимосвязанные задачи: как обеспечить наибольшую скорость передачи информации и как уменьшить потери информации при передаче. Клод Шеннон был первым ученым, взявшимся за решение этих задач и создавшим новую для того времени науку - теорию информации .
К.Шеннон определил способ измерения количества информации, передаваемой по каналам связи. Им было введено понятие пропускной способности канала , как максимально возможной скорости передачи информации. Эта скорость измеряется в битах в секунду (а также килобитах в секунду, мегабитах в секунду).
Пропускная способность канала связи зависит от его технической реализации. Например, в компьютерных сетях используются следующие средства связи:
Телефонные линии,
Электрическая кабельная связь,
Оптоволоконная кабельная связь,
Радиосвязь.
Пропускная способность телефонных линий - десятки, сотни Кбит/с; пропускная способность оптоволоконных линий и линий радиосвязи измеряется десятками и сотнями Мбит/с.
Шум, защита от шума
Термином “шум” называют разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации. Такие помехи прежде всего возникают по техническим причинам: плохое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемых по одним и тем же каналам. Иногда, беседуя по телефону, мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на наш разговор накладывается разговор совсем других людей.
Наличие шума приводит к потере передаваемой информации. В таких случаях необходима защита от шума.
В первую очередь применяются технические способы защиты каналов связи от воздействия шумов. Например, использование экранированного кабеля вместо “голого” провода; применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума, и пр.
Клодом Шенноном была разработана теория кодирования , дающая методы борьбы с шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным . За счет этого потеря какой-то части информации при передаче может быть компенсирована. Например, если при разговоре по телефону вас плохо слышно, то, повторяя каждое слово дважды, вы имеете больше шансов на то, что собеседник поймет вас правильно.
Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам и удорожанию связи. Теория кодирования позволяет получить такой код, который будет оптимальным. При этом избыточность передаваемой информации будет минимально возможной, а достоверность принятой информации - максимальной.
В современных системах цифровой связи для борьбы с потерей информации при передаче часто применяется следующий прием. Все сообщение разбивается на порции - пакеты . Для каждого пакета вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая передается вместе с данным пакетом. В месте приема заново вычисляется контрольная сумма принятого пакета и, если она не совпадает с первоначальной суммой, передача данного пакета повторяется. Так будет происходить до тех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут.
Рассматривая передачу информации в пропедевтическом и базовом курсах информатики, прежде всего следует обсудить эту тему с позиции человека как получателя информации. Способность к получению информации из окружающего мира - важнейшее условие существования человека. Органы чувств человека - это информационные каналы человеческого организма, осуществляющее связь человека с внешней средой. По этому признаку информацию делят на зрительную, звуковую, обонятельную, тактильную, вкусовую. Обоснование того факта, что вкус, обоняние и осязание несут человеку информацию, заключается в следующем: мы помним запахи знакомых объектов, вкус знакомой пищи, на ощупь узнаем знакомые предметы. А содержимое нашей памяти - это сохраненная информация.
Следует рассказать ученикам, что в мире животных информационная роль органов чувств отличается от человеческой. Важную информационную функцию для животных выполняет обоняние. Обостренное обоняние служебных собак используется правоохранительными органами для поиска преступников, обнаружения наркотиков и пр. Зрительное и звуковое восприятие животных отличается от человеческого. Например, известно, что летучие мыши слышат ультразвук, а кошки видят в темноте (с точки зрения человека).
В рамках данной темы ученики должны уметь приводить конкретные примеры процесса передачи информации, определять для этих примеров источник, приемник информации, используемые каналы передачи информации.
При изучении информатики в старших классах следует познакомить учеников с основными положениями технической теории связи: понятия кодирование, декодирование, скорость передачи информации, пропускная способность канала, шум, защита от шума. Эти вопросы могут быть рассмотрены в рамках темы “Технические средства компьютерных сетей”.
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 однополосной модуляцией;
Ø с частотной модуляцией.
- В цифровых системах связи :
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 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.
