<<
>>

Непрерывный и дискретный каналы

В зависимости от того, какие сигналы передаются по каналу связи, разли­чают аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные) каналы. В аналоговых каналах передатчик (см. рис. 2.1) выполняет роль устройства согласования источника сообщений с непрерывным каналом, т.е.
осуществля­ет преобразование непрерывного или дискретного сообщения в непрерывный по структурному параметру сигнал с такими характеристиками, которые обес­печивают его прохождение по данному каналу связи. В таких каналах для со­гласования параметров среды и сигналов применяют амплитудную, частот­ную, фазовую и квадратурно-амплитудную модуляции. В цифровых каналах на выходе передатчика и входе приемника действует дискретный по структурному параметру сигнал. В них для передачи данных используют самосинхронизирующиеся коды, а для передачи аналоговых сиг­налов - кодово-импульсную модуляцию. Обычно дискретным каналом называют комплекс технических средств, обеспечивающих передачу дискретного сигнала. Во многих системах переда­чи данных дискретный канал включает непрерывный канал связи.
Однако при анализе дискретного канала свойства непрерывного канала учитывают кос­венно через свойства источника ошибок. Основными характеристиками непрерывных каналов связи являются: амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания, затухание, помехоустойчивость, шумы, пропускная способность, достоверность передачи данных, удельная стоимость. Разработчика вычислительной сети в первую очередь интересуют пропуск­ная способность и достоверность передачи данных, поскольку эти характерис­тики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети. Пропускная способность и достоверность передачи данных - это характерис­тики как канала связи, так и способа передачи данных. Поэтому если способ передачи (протокол) уже определен, то известны и эти характеристики.
Напри­мер, пропускная способность цифрового канала всегда известна, так как на нем определен протокол физического уровня, который задает битовую ско­рость передачи данных - 64 кбит/с, 2 Мбит/с и т. п. Однако нельзя говорить о пропускной способности канала связи, до того как для него определен протокол физического уровня. Именно в таких случаях, когда только предстоит определить, какой из множества существующих прото­колов можно использовать для данного канала, очень важными являются ос­тальные характеристики, такие как полоса пропускания, перекрестные навод­ки, помехоустойчивость и др. Для определения характеристик канала связи часто используют анализ его реакций на некоторые эталонные воздействия. Такой подход позволяет доста­точно просто и однотипно определять характеристики линий связи любой при­роды, не прибегая к сложным теоретическим исследованиям. Чаще всего в качестве эталонных сигналов для исследования реакций линий связи использу­ют синусоидальные сигналы различных частот. Это связано с тем, что сигна­лы этого типа часто встречаются в технике и с их помощью можно предста­вить любую функцию времени - как непрерывный процесс колебаний звука, так и прямоугольные импульсы, генерируемые компьютером. Из теории гармонического анализа известно, что любой периодический про­цесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и амплитуд (рис. 2.3). Каждая составляющая синусоида называется гармоникой, а набор всех гармоник - спектральным разложением исходного сигнала. Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла сину­соидальных сигналов с непрерывным спектром частот. Например, спектраль­ное разложение идеального импульса (единичной мощности и нулевой длитель­ности) имеет составляющие всего спектра частот, от - оо до + оо (рис. 2.4).
Рис. 2.3. Представление периодического сигнала суммой синусоид

Рис.
2.4. Спектральное разложение идеального импульса

Техника определения спектра любого исходного сигнала известна. Для не­которых сигналов, которые хорошо описываются аналитически (например, для последовательности прямоугольных импульсов одинаковой длительности и ам­плитуды), спектр легко вычисляется по формулам Фурье. Для сигналов произ­вольной формы, встречающихся на практике, спектр можно найти с помощью специальных приборов - спектральных анализаторов, которые измеряют спектр реального сигнала и отображают амплитуды составляющих гармоник на экра­не или распечатывают их на принтере. Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо частоты приводит в конечном счете к искажению передаваемого сигнала любой формы, особен­но если синусоиды различных частот искажаются неодинаково. Если это ана­логовый сигнал, передающий речь, то изменяется тембр голоса за счет иска­жения обертонов - боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высоко­частотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоу­гольную форму. Воздействия на сигнал различных факторов в процессе пере­дачи изображены на рис. 2.5. Как видно, сигнал, передаваемый по любой среде передачи, подвергается воздействию затухания, ограниченности полосы про­пускания, задержки передачи и шумов. Хотя все эти факторы оказывают сово­купное воздействие, рассмотрим источник каждого из них в отдельности. Затухание (attenuation) определяется как относительное уменьшение амп­литуды или мощности сигнала при передаче по каналу сигнала определенной частоты. Таким образом, затухание представляет собой одну точку на амп­литудно-частотной характеристике. Амплитудно-частотная характеристи­ка (рис. 2.6) показывает, как затухает амплитуда синусоиды (или мощность) на выходе канала связи по сравнению с амплитудой (или мощностью) на его входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Часто при эксплуатации канала заранее известна основная частота переда­ваемого сигнала, т.

е. 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 известном затухании на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.
Ошибочный бит Рис. 2.5. Источники затухания и искажения сигнала

Рис. 2.6. Амплитудно-частотная характеристика

Затухание А (дБ) вычисляют по формуле: (2.20) где Р - мощность сигнала на выходе канала, Р - мощность сигнала на вхо- вых вх де канала. Так как мощность выходного сигнала среды передачи без промежуточных усилителей всегда меньше, чем мощность входного сигнала, затухание среды передачи всегда является отрицательной величиной. Например, витая пара - кабель категории 5 - характеризуется затуханием не ниже - 23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м. Частота 100 МГц выбрана потому, что кабель этой категории предназначен для высокоскорост­ной передачи данных, сигналы которых имеют значимые гармоники с частотой примерно 100 МГц. Кабель категории 3 предназначен для низкоскоростной передачи данных, поэтому для него определяется затухание на частоте 10 МГц (не ниже -11,5 дБ). Часто оперируют с абсолютными значениями затухания, без указания знака. Абсолютный уровень мощности, например, уровень мощности передатчи­ка, также измеряется в децибелах. При этом в качестве базового значения мощности сигнала, относительно которого измеряется текущая мощность, принимается значение в 1 мВт.

Таким образом, уровень мощности, дБм, (2.21) где Р - мощность сигнала, мВт; дБм {dBm) - единица измерения уровня мощ­ности (децибел на 1 мВт). Полоса пропускания (bandwidth) - непрерывный диапазон частот, для ко­торого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает неко­торый заранее заданный предел, обычно 0,5; т. е. полоса пропускания опреде­ляет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по каналу связи без значительных искажений.Так как любой дискретный сигнал состоит из компонент различной часто­ты, то на вход приемного устройства поступают только те компоненты, часто­ты которых находятся внутри полосы пропускания. Ограниченность полосы про­пускания приводит к частотным искажениям сигнала. Известно, что амплитуда каждой из частотных гармоник снижается с ростом частоты. Поэтому, чем шире полоса пропускания среды передачи, тем большее число высокочастот­ных компонент проходит по линии связи, а следовательно, тем надежнее будет полученный сигнал воспроизводить переданный сигнал. Искажение из-за задержки определяется тем, что скорость распростра­нения синусоидального сигнала по линии связи изменяется с изменением час­тоты. Следовательно, при передаче цифрового сигнала различные компоненты, из которых образован сигнал, достигают приемника с различными задержка­ми. Результатом этого является искажение сигнала, называемое искажением, вызванным задержкой. Степень искажения растет с увеличением скорости пе­редачи битов, что вызвано следующей причиной: по мере роста скорости битов некоторые частотные компоненты, связанные с передачей данного бита, за­держиваются и начинают влиять на частотные компоненты следующего бита. Поэтому искажения из-за задержки называют также межсимвольными взаим­ными помехами. В результате действия этого искажения в моменты измере­ния поступивший сигнал изменяется. Так как обычно поступивший сигнал из­меряется в номинальном центре каждого битового интервала, то, следовательно, при увеличении скорости битов искажение из-за задержки может привести к некорректной интерпретации полученного сигнала.
Шумы постоянно присутствуют в реальном канале. В отсутствие переда­ваемого сигнала в идеальной линии связи должен быть нулевой уровень элек­трического сигнала. Однако на практике в линии имеют место случайные всплес­ки даже тогда, когда никакой сигнал не передается. Эти всплески называют уровнем шумов в линии, и в пределе по мере затухания передаваемого сигнала его уровень становится сравнимым с уровнем шума. Важным параметром, связанным со средой передачи является отношение мощности полученного сигнала Ps к мощности уровня шумов PN: SNP = PS/ PN. Отношение SIN называ­ют отношением сигнал-шум и обычно выражают в децибелах: (2.22) Совершенно очевидно, что высокое значение отношения свидетельствует о высокой мощности сигнала по отношению к имеющемуся уровню шумов и по­этому характеризует сигнал хорошего качества. Наоборот, низкое значение отношения SIN свидетельствует о сигнале низкого качества. Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уро­вень помех, создаваемых внешней средой, на внутренних проводниках. Поме­хоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а так­же от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной - волоконно-оптические линии, малочувствитель­ные ко внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники эк­ранируют и/или скручивают. Перекрестные наводки NEXT (Near End Cross Talk) определяют помехоус­тойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводни­ков, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. Если ко второй паре будет подключен приемник, то он может принять наведенную внутреннюю помеху за полезный сигнал. Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен где Р - мощность выходного сигнала, Р - мощность наведенного сигнала. __ вых ____ нав Показатель NEXT обычно используют применительно к кабелю, состояще­му из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Пропускная способность (throughput) линии характеризует максималь­но возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способ­ность измеряется в битах в секунду - бит/с, а также в производных единицах: кбит/с, Мбит/с и т. д. Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характерис­тик, таких как амплитудно-частотная характеристика, но и от того, какие сиг­налы передаются-аналоговые или цифровые. Если значимые гармоники сиг­нала (т. е. те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сиг­нал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет пра­вильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком. Если же значимые гармоники выходят за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал будет значительно искажаться, приемник будет ошибаться при рас­познавании информации, а значит, информация не сможет передаваться с за­данной пропускной способностью. Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодирова­нием. От выбранного способа кодирования зависит спектр сигналов и, соот­ветственно, пропускная способность линии. Таким образом, для одного способа кодирования линия может характеризоваться одной пропускной способностью, а для другого - другой. Теория информации говорит, что любое различимое и непредсказуемое из­менение принимаемого сигнала несет в себе информацию. В соответствии с этим прием синусоиды, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неиз­менными, информации не несет, так как изменение сигнала хотя и происходит, но является хорошо предсказуемым. Большинство способов кодирования ис­пользуют изменение какого-либо параметра периодического сигнала: частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называ­ют несущим сигналом, сигналом-переносчиком или несущей частотой, если в качестве такого сигнала используется синусоида. Если сигнал изменяется так, что равновероятно можно различить только два состояния его информативного параметра, то в соответствии с оценкой Р. Хартли любое изменение сигнала, как отмечалось выше, будет соответ­ствовать наименьшей единице информации - биту. Если же сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение будет нести не­сколько бит информации. Количество изменений информативного параметра несущего периодичес­кого сигнала в секунду измеряется в бодах (baud). Период времени между соседними изменениями информативного параметра сигнала называется так­том работы передатчика или бодовым интервалом. Пропускная способность линии в бит/с в общем случае не совпадает с чис­лом бод. Она может быть как выше, так и ниже числа бод, что зависит от способа кодирования. Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная спо­собность в бит/с будет выше, чем число бод. Например, если информативны­ми параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются 4 состояния фазы в 0, 90, 180 и 270° и два значения амплитуды сигнала, то информационный сигнал может иметь 8 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 3 бита информации. При использовании сигналов с двумя различимыми состояниями может на­блюдаться обратная картина. Это часто происходит потому, что для надежно­го распознавания приемником пользовательской информации каждый бит в пос­ледовательности кодируется с помощью нескольких изменений информативного параметра несущего сигнала. Например, при кодировании единичного значения бита импульсом положительной полярности, а нулевого значения бита - им­пульсом отрицательной полярности, физический сигнал дважды изменяет свое состояние при передаче каждого бита. При таком кодировании пропускная спо­собность линии в два раза ниже, чем число бод, передаваемое по линии. На пропускную способность линии оказывает влияние не только физичес­кое, но и логическое кодирование. Логическое кодирование выполняется до физического кодирования и подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей, кроме этого, дополнительными свойствами, например возможностью для при­емной стороны обнаруживать ошибки в принятых данных. Сопровождение каж­дого байта исходной информации одним битом четности - это пример очень часто применяемого способа логического кодирования при передаче данных с помощью модемов. Другим примером логического кодирования может слу­жить шифрация данных, обеспечивающая их конфиденциальность при переда­че через общественные каналы связи. При логическом кодировании чаще всего исходная последовательность бит заменяется более длинной последователь­ностью, поэтому пропускная способность канала по отношению к полезной ин­формации при этом уменьшается. Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивностью битовых ошибок (BER - Bit Error Rate). Значение BER для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, са­мокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искажен­ных кадров) составляет, как правило, 1(Г4- КГ6 в оптоволоконных линиях связи - КГ9. Значение достоверности передачи данных, например, -1(Г4 говорит о том, что в среднем из 10000 бит искажается значение одного бита. Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по при­чине искажений формы сигнала ограниченной полосой пропускания линии. По­этому для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а также использовать более широкополосные линии связи.
<< | >>
Источник: В .А. Галкин, Ю .А. Григорьев. Телекоммуникации и сети. 2003

Еще по теме Непрерывный и дискретный каналы:

  1. V. 1. 1. Непрерывные функции дискретного аргумента.
  2. 9.13. Передне-срединный канал, VC (фр.), круглосуточно, канал "инь"
  3. 9.2. Канал толстой кишки, GI (франц.), 5-7 час., канал "ян"
  4. Рекомендации Крайона Магнитному Каналу и всем каналам Духа
  5. 9.6. Канал тонкой кишки, IG (фр.), 13-15 час., канал "ян"
  6. 9.4. Канал селезенки-поджелудочной железы, RP, 9-11 час., канал "ян"
  7. 9.8. Канал почек, R (фр.), 17-19 час., канал "инь"
  8. 9.12. Канал печени, F (фр.), 1-3 час., канал "инь"
  9. 9.14. Задне-срединный канал, VG, (фр.), круглосуточно, канал "ян"
  10. ТЕОРИЯ НЕПРЕРЫВНОСТИ РЯДА СЕНСОРНОГО КЛАССИЧЕСКАЯ
  11. Прием актуализации непрерывного самоконтроля.
  12. § 1. ПОНЯТИЕ О ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КАК ПРОЦЕССЕ НЕПРЕРЫВНОГО РЕШЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ ЗАДАЧ
  13. Психология личности в любом возрасте при всей ее устойчивости непрерывно меняется (принцип развития).
  14. Канал распространения
  15. § 26 Продолжение о давности. – Владение спокойное, бесспорное, непрерывное. – Перерыв давности
  16. Каналы коммуникации.