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