Основные понятия и характеристики каналов связи. Телекоммуникации и связь Какие бывают каналы связи по физической природе

Основной функцией информационной системы является хранение информации и ее перенос в пространстве. Совокупность технических средств для передачи сообщений от источника к потребителю называется системой связи. Этими средствами являются передающее устройство, линия связи и приемное устройство. Иногда в понятие система связи включаются источник и потребитель сообщений.

Структурная схема простейшей системы связи представлена на рисунке 2. Здесь исходным пунктом является источник сообщения. Источник может вырабатывать непрерывное или дискретное сообщения. Источником сообщений и получателем в одних системах связи может быть человек, в других - различного рода устройства (автомат, вычислительная машина и т. п.). Передача сообщений на расстояние осуществляется с помощью какого-либо материального носителя (бумага, магнитная лента и т.п.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн, тока и.т.п.).

Источник информации или сообщения - это физический объект, система или явление, формирующие передаваемое сообщение.

Сообщение - это значение или изменение некоторой физической величины, отражающие состояние объекта (системы или явления). Как правило, первичные сообщения - речь, музыка, изображения, измерения параметров окружающей среды и т.д., представляют собой функции времени - f (t) или других аргументов - f (x, y, z) неэлектрической природы (акустическое давление, температура, распределение яркости на некоторой плоскости и т.п.).

Рис.2. Структурная схема системы связи.

Каждое i - ое сообщение источника есть произвольная последовательность элементов алфавита
(
,
, ...,) длиной m , где верхний индекс у элементов есть номер последовательности, а нижний индекс означает только место буквы в сообщении, но не ее вид.

При m = 1 сообщением является одна буква, то есть такое сообщение есть элементарное сообщение . В общем случае при m > 1 одна и та же буква может появиться в сообщении несколько раз. Общим свойством элементарного сообщения является его неделимость на более мелкие сообщения.

Конечное множество сообщений X c заданным на нем распределением вероятностей p ( x ) называется дискретным ансамблем сообщений и обозначается { X , p ( x )}.

Устройство, преобразующее сообщение в сигнал, называют передающим устройством, а устройство, преобразующее принятый сигнал в сообщение, - приемным устройством.

С помощью преобразователя в передающем устройстве сообщение а , которое может иметь любую физическую природу (изображение, звуковое колебание и т.п.), преобразуется в первичный электрический сигнал b (t ). В телефонии, например, эта операция сводится к превращению звукового давления в пропорционально изменяющийся электрический ток микрофона. В телеграфии сначала производится кодирование, в результате которого последовательность элементов сообщения (букв) заменяется последовательностью кодовых символов (0, 1 или точка, тире), которая затем с помощью телеграфного аппарата преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока.

В передатчике первичный сигнал b (t ) (обычно низкочастотный) превращается во вторичный (высокочастотный) сигнал u (t ), пригодный для передачи по используемому каналу. Это осуществляется посредством модуляции.

Преобразование сообщения в сигнал должно быть обратимым. В этом случае по выходному сигналу можно, в принципе, восстановить входной первичный сигнал, т. е. получить всю информацию, содержащуюся в переданном сообщении. В противном случае часть информации будет потеряна при передаче, даже если сигнал доходит до приемного устройства без искажений.

Физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение, называется сигналом.

Сигнал – это материально-энергетическая форма представления информации. Другими словами, сигнал – это переносчик информации, один или несколько параметров которого, изменяясь, отображают сообщение.

Цепь “информация – сообщение – сигнал” – это пример процесса обработки, необходимой там, где находится источник информации. На стороне потребителя информации осуществляется обработка в обратном порядке: “сигнал – сообщение – информация”.

Любое преобразование сообщения в определенный сигнал путем установления между ними однозначного соответствия называют в широком смысле кодированием.

Кодирование может включать в себя процессы преобразования и дискретизации непрерывных сообщений (аналого-цифровое преобразование), модуляцию (манипуляцию в цифровых системах связи) и непосредственно кодирование в узком смысле слова. Обратная операция называется декодированием.

Линией связи называется среда, используемая для передачи сигналов от передатчика приемнику.

В системах электрической связи - это кабель или волновод, в системах радиосвязи - область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны от передатчика к приемнику. При передаче сигнал может искажаться и на него могут накладываться помехи n (t ).

Приемное устройство обрабатывает принятое колебание z (t )=u (t )+n (t ), представляющее собой сумму пришедшего искаженного сигнала u (t ) и помехи n (t ), и восстанавливает по нему сообщение , которое с некоторой погрешностью отражает переданное сообщение a . Другими словами, приемник должен на основе анализа колебания z (t ) определить, какое из возможных сообщений передавалось. Поэтому приемное устройство является одним из наиболее ответственных и сложных элементов системы связи.

Каналом связи называется совокупность средств, обеспечивающих передачу сигнала от некоторой точки А системы до точки В (рис. 3).

Точки А и В могут быть выбраны произвольно, лишь бы между ними проходил сигнал. Часть системы связи, расположенная до точки А , является источником сигнала для этого канала.

Рис. 3. Канал связи.

Канал как источник помех, оказывает на передаваемый сигнал некоторое влияние. Задачами приемника является выделение из зашумленного сигнала переданного сообщения и отправка его потребителю.

Классифицируют каналы связи по различным признакам, в том числе по математическому описанию (непрерывные и дискретные каналы, непрерывного и дискретного времени).

Если сигналы, поступающие на вход канала и принимаемые с его выхода, являются дискретными по состояниям, то канал называется дискретным. Если же эти сигналы являются непрерывными, то канал называется непрерывным. Встречаются также дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы, на вход которых поступают дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные, или наоборот. Из сказанного видно, что канал может быть дискретным или непрерывным независимо от характера передаваемых сообщений. Более того, в одной и той же системе связи можно выделить как дискретный, так и непрерывный каналы. Все зависит от того, каким образом выбраны точки А и В входа и выхода канала.

В данном пособии будем рассматривать дискретный канал связи .

Если вредным действием помех в канале можно пренебречь, то для анализа используется модель в виде идеализированного канала, называемого каналом без помех . В идеальном канале каждому сообщению на входе однозначно соответствует определенное соотношение на выходе и наоборот. Когда требования к достоверности велики и пренебрежение неоднозначностью связи между сообщениями x и y недопустимо, используется более сложная модель – канал с помехами.

Простейший класс моделей каналов образуют дискретные каналы без памяти; они определяются следующим образом. Входом является последовательность букв (элементов) из конечного алфавита, пусть
, выходом – последовательность букв того же самого или другого алфавита, скажем
. Наконец, каждая буква выходной последовательности зависит статистически только от буквы, стоящей на соответствующей позиции во входной последовательности, и определяется заданной условной вероятностью
, определенной для всех буквалфавита на входе и всех буквна выходе. Примером может служить двоичный симметричный канал (рис.4), который представляет собой дискретный канал без памяти с двоичными последовательностями на входе и выходе, в котором каждый символ последовательности на входе с некоторой вероятностью 1-q воспроизводится на выходе канала правильно и с вероятностью q изменяется шумом на противоположный символ. В общем случае, в дискретном канале без памяти переходные вероятности исчерпывают собой все известные сведения о том, как сигнал на входе, взаимодействуя с шумом, образует сигнал на выходе.

Рис. 4. Двоичный симметричный канал.

Намного более широкий класс каналов – каналов с памятью, образуют каналы, в которых сигналами на входе являются последовательности букв из конечных алфавитов, но в которых каждая буква на выходе может статистически зависеть не только от соответствующей буквы входной последовательности.

"

Характеристики

Используют следующие характеристики канала

Помехозащищённость

Помехозащищённость . Где - минимальное отношение сигнал/шум ;

Объём канала

Объём канала определяется по формуле: ,

где - время, в течение которого канал занят передаваемым сигналом;

Для передачи сигнала по каналу без искажений объём канала должен быть больше либо равен объёму сигнала , т.е. . Простейший случай вписывания объёма сигнала в объём канала - это достижение выполнения неравенств , > и . Тем не менее, может выполняться и в других случаях, что даёт возможность добиться требуемых характеристик канала изменением других параметров. Например, с уменьшением диапазона частот можно увеличить полосу пропускания.

Классификация

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 и 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.

Модели канала связи

Канал связи описывается математической моделью , задание которой сводится к определению математических моделей выходного и входного и , а также установлению связи между ними, характеризующейся оператором , т.е.

.

Модели непрерывных каналов

Модели непрерывных каналов можно классифицировать на модель канала с аддитивным гауссовским шумом, модель канала с неопределенной фазой сигнала и аддитивным шумом и модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом.

Модель идеального канала

Модель идеального канала используется тогда, когда можно пренебречь наличием помех. При использовании этой модели выходной сигнал является детерминированным, т.е.

где γ – константа, определяющая коэффициент передачи, τ – постоянная задержка.

Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом

Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом отличается от модели идеального канала тем, что является случайной величиной . Например, если входной сигнал является узкополосным, то сигнал на выходе канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом определяется следующим образом:

,

где учтено, что входной сигнал может быть представлен в виде:

,

где - преобразование Гильберта , - случайная фаза, распределение которой считается обычно равномерным на интервале .

Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом

Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом учитывает появление рассеяния сигнала во времени из-за нелинейности фазо-частотной характеристики канала и ограниченности его полосы пропускания, т.е. например, при передаче дискретных сообщений через канал на значение выходного сигнала будут влиять отклики канала не только на переданный символ, но и на более ранние или более поздние символы. В радиоканалах на возникновение межсимвольной интерференции влияет многолучёвое распространение радиоволн.

Модели дискретных каналов связи

Для задания модели дискретного канала необходимо определить множество входных и выходных кодовых символов, а также множество условных вероятностей выходных символов при заданных входных .

Модели дискретно-непрерывных каналов связи

Также существуют модели дискретно-непрерывных каналов связи

См. также

Примечания

Литература

• Зюко А. Г., Кловский Д.Д., Коржик В. И., Назаров М.В., Теория электрической связи / Под ред. Д. Д. Кловского. - Учебник для ВУЗов. - М .: Радио и связь, 1999. - 432 с. -

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

Линия связи и канал связи - это не одно и то же.

Линия связи (ЛС) - этофизическая среда , по которой передаются информационные сигналы. В одной линии связи может быть организовано несколько каналов связи путем временного, частотного кодового и других видов разделения - тогда говорят о логических (виртуальных) каналах. Если канал полностью монополизирует линию связи, то он может называться физическим каналом и в этом случае совпадает с линией связи. Хотя можно, например, говорить об аналоговом ил л цифровом канале связи, но абсурдно говорить об аналоговой или цифровой линии связи, ибо линия - лишь физическая среда, в которой могут быть образованы каналы связи разного типа. Тем не менее, даже говоря о физической многоканальной линии, ее часто называют каналом связи. Л С являются обязательным звеном любой системы передачи информации.

Рис. 15. 2. Классификация каналов Связи

Классификация каналов связи (КС) показана на рис. 15. 2. По физической природе ЛС и КС на их основе делятся на:

механические - используются для передачи материальных носителей информации

акустические - передают звуковой сигнал;

оптические - передают световой сигнал;

электрические - передают электрический сигнал.

Электрические и оптические КС могут быть:

проводными, использующими для передачи сигналов проводниковые линии связи (электрические провода, кабели, световоды и т. д.);

беспроводными (радиоканалы, инфракрасные каналы и т. д.), использующими для передачи сигналов электромагнитные волны, распространяющиеся по эфиру.

По форме представления передаваемой информации КС делятся на:

аналоговые - по аналоговым каналам передается информация, представленная в непрерывной форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины;

цифровые - по цифровым каналам передается информация, представленная в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов той или иной физической природы.

В зависимости от возможных направлений передачи информации различают:

симплексные КС, позволяющие передавать информацию только в одном направлении;

полудуплексные КС, обеспечивающие попеременную передачу информации в прямом и обратном направлениях;

дуплексные КС, позволяющие вести передачу информации одновременно и в прямом, и в обратном направлениях.

Каналы связи могут быть, наконец:

коммутируемыми;

некоммутируемыми.

Коммутируемые каналы создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации; по окончании передачи такой канал ликвидируется (разъединяется).

Некоммутируемые (выделенные) каналы создаются на длительное время и имеют постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности.

По пропускной способности их можно разделить на:

низкоскоростные КС, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бит/с; это телеграфные КС, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;

среднескоростные КС, например аналоговые (телефонные) КС; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах V 90-V. 92 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и до 56 000 бит/с

высокоскоростные (широкополосные) КС, обеспечивающие скорость передачи информации выше 56 000 бит/с.

Следует особо отметить, что телефонный КС является более узкополосным, нежели телеграфный, но скорость передачи данных по нему выше благодаря обязательному наличию модема, существенно снижающего F с передаваемого сигнала. При простом кодировании максимально достижимая скорость передачи данных по аналоговым каналам не превосходит 9600 бод = 9600 бит/с. Применяемые в настоящее время сложные протоколы кодирования передаваемых данных используют не два, а несколько значений параметра сигнала для отображения элемента данных и позволяют достичь скорости передачи данных по аналоговым телефонным линиям связи 56 кбит/с = 9600 бод.

По цифровым КС, организованным на базе телефонных линий, скорость передача данных благодаря уменьшению F с и увеличению Н с оцифрованного сигнала также: может быть выше (до 64 кбит/с), а при мультиплексировании нескольких цифровых каналов в один в таком составном КС скорость передачи может удваиваться, утраиваться и т. д. ; существуют подобные каналы со скоростями десятки и сотни мегабит в секунду.

Физической средой передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных ("витая пара") проводов.

Для организации широкополосных КС используются различные кабели, в частности:

неэкранированные с витыми парами из медных проводов (Unshielded Twisted Pair - UTP);

экранированные с витыми парами из медных проводов (Shielded Twisted Pair - STP);

волоконно-оптические (Fiber Optic Cable - FOC);

коаксиальные (Coaxial Cable - CC);

беспроводные радиоканалы.

Витая пара - это изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения перекрестных наводок между проводниками. Такой кабель, состоящий обычно из небольшого количества витых пар (иногда даже двух), характеризуется меньшим затуханием сигнала при передаче на высоких частотах и меньшей чувствительностью к электромагнитным наводкам, чем параллельная пара проводов.

UTP-кабели чаще других используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях. Выделяют пять категорий витых пар UTP: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая - при скоростях передачи соответственно до 16, 25 и 155 Мбит/с (а при использовании стандарта технологии Gigabit Ethernet на витой паре, введенного в 1999 году, и до 1000 Мбит/с). При хороших технических характеристиках эти кабели сравнительно недороги, они удобны в работе, не требуют заземления.

STP-кабели обладают хорошими техническими характеристиками, но имеют высокую стоимость, жестки и неудобны в работе, требуют заземления экрана. Они делятся на типы: Туре 1, Туре 2, Туре 3, Туре 5, Туре 9. Из них Туре 3 определяет характеристики неэкранированного телефонного кабеля, а Туре 5 - волоконно-оптического кабеля. Наиболее популярен кабель Туре 1 стандарта IBM, состоящий из двух пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которую положено заземлять. Его характеристики примерно соответствуют характеристикам UTP-кабеля категории 5.

Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оболочкой. 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 достаточно высокая (до 50 Мбит/с), но, учитывая определенное неудобство работы с ним и его значительную стоимость, рекомендовать его для использования в сетях передачи данных можно далеко 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 (передает сигнал с допустимым затуханием на меньшее расстояние) и механические характеристики. Рекомендуемые скорости передачи данных по "тонкому" коаксиалу не превышают 10 Мбит/с.

Основу волоконно-оптического кабеля составляют "внутренние подкабели" - стеклянные или пластиковые волокна диаметром от 5 (одномодовые) до 100 (многомодовые) микрон, окруженные твердым заполнителем и помещенные в защитную оболочку диаметром 125-250 мкм. В одном кабеле может содержаться от одного до нескольких сотен таких "внутренних подкабелей". Кабель, в свою очередь, окружен заполнителем и покрыт более толстой защитной оболочкой, внутри которой проложен один или несколько силовых элементов, принимающих на себя обеспечение механической прочности кабеля.

По одномодовому волокну (диаметр их 5-15 мкм) оптический сигнал распространяется, почти не отражаясь от стенок волокна (входит в волокно параллельно его стенкам), чем обеспечивается очень широкая полоса пропускания (до сотен гигагерц на километр). По многомодовому волокну (диаметр его 40-100 мкм) распространяются сразу много сигналов, каждый из которых входит в волокно под своим углом (своей модой) и, соответственно, отражается от стенок волокна в разных местах (полоса пропускания многомодового волокна 500-800 МГц/км).

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 очень высока и достигает величины 1000 Мбит/с, но он очень дорогой и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи. Такой кабель связывает столицы и крупные города большинства стран мира, а проложенный по дну Атлантического океана кабель связывает Европу с Америкой. Оптоволоконный кабель соединяет Санкт-Петербург с Москвой, прибалтийскими и скандинавскими странами, кроме того, он проложен в тоннелях метро и связывает все районы города. В вычислительных сетях оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных их участках, в частности в сети Интернет. 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.

Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Система передачи данных (СПД) 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. Часто такую СПД называют просто радиоканалом. Скорости передачи данных по радиоканалу практически не ограничены (они ограничиваются полосой пропускания приемо-передающей 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. В табл. 15. 1 представлены названия радиоволн и соответствующие им частотные полосы.

Таблица 15. 1 . Диапазоны радиоволн

Для коммерческих телекоммуникационных систем чаще всего используются частотные диапазоны 902-928 МГц и 2, 4-2, 48 ГГц (в некоторых странах, например США, при малых уровнях мощности излучения - до 1 Вт - разрешено использовать эти диапазоны без государственного лицензирования).

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 радиоканалам на короткие расстояния, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии даже в тех случаях, когда нарушается требование прямой видимости.

Общеупотребительными и уже достаточно известными являются соединения электронной аппаратуры между собой при помощи инфракрасного канала связи. Но эти соединения требуют прямой видимости. Например, пультом дистанционного управления телевизором невозможно воспользоваться, если между вами и телевизором оказался хотя бы лист газетной бумаги.

Первоначально Bluetooth рассматривалась исключительно как альтернатива использованию инфракрасных соединений между различными портативными устройствами. Но сейчас специалисты предсказывают уже два направления широкого использования Bluetooth. Первое направление - 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 может прийти на смену традиционным проводным технологиям.

Недостатком Bluetooth является сравнительно низкая скорость передачи данных - она не превышает 720 кбит/с, поэтому эта технология не способна обеспечить передачу видеосигнала.

Телефонные линии связи являются наиболее разветвленными и широко используемыми. По телефонным линиям связи осуществляется передача звуковых (тональных) и факсимильных сообщений, они являются основой построения информационно-справочных систем, систем электронной почты и вычислительных сетей.

По телефонным линиям могут быть организованы и аналоговые, и цифровые каналы передачи информации. Рассмотрим этот вопрос, ввиду его высокой актуальности, несколько подробнее.

"Простая старая телефонная система", в англоязычной аббревиатуре POTS (Primitive Old Telephone System), состоит из двух частей: магистральной системы связи и сети доступа абонентов к ней. Наиболее простой вариант доступа абонентов к магистральной системе - использование абонентского аналогового канала связи. Большинство телефонных аппаратов подключаются к автоматической телефонной станции (АТС), являющейся уже элементом магистральной системы, именно так.

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, в диапазоне от 300 Гц до 3, 3 кГц. При снятии телефонной трубки формируется сигнал "off-hook", сообщающий АТС о вызове, и, если телефонная станция не занята, набирается нужный телефонный номер, который передается в АТС в виде последовательности импульсов (при импульсном наборе) или в виде комбинации сигналов звуковой частоты (при тональном наборе). Завершается разговор сигналом "on-hook", формируемым при опускании трубки. Такой тип процедуры вызова называется "in band", поскольку передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи.

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

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

1. По типу линий связи : проводные; кабельные; оптико-волоконные; линии электропередачи; радиоканалы и т.д.

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

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

Каналы связи характеризуются:

1. Емкость канала определяется как произведение времени использования канала Tк, ширины спектра частот, пропускаемых каналом Fк и динамического диапазона Dк., который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов Vк = Tк Fк Dк. (1) Условие согласования сигнала с каналом: Vc Vk; Tc Tk; Fc Fk; Vc Vk; Dc Dk.

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

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

4. Избыточность - обеспечивает достоверность передаваемой информации (R = 01).

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. Скорость передачи до 1 Мбит/с.

2. Коаксиальный кабель . Скорость передачи 10-100 Мбит/с

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

Радиолинии :

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.

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.

Спутниковая связь. Используются микроволновые частоты, а спутник служит регенератором.

Теорема Шеннона для каналов без помех всегда можно создать систему эффективного кодирования дискретных сообщений, у которой среднее количество двоичных кодовых сигналов на один символ сообщения будет приближаться как угодно близко к энтропии источника сообщений.

Пусть источник сообщений имеет производительность H ¢(U) = u C ×H(U), а канал имеет пропускную способность C = u K ×log M. Тогда можно закодировать сообщения на выходе источника таким образом, чтобы получить среднее число кодовых символов приходящихся на элемент сообщения h = u K /u C = (H(U)/ log M)+e (2.2), где e - сколь угодно мало (прямая теорема). Получить меньшее значение h невозможно (обратная теорема). Обратная часть теоремы утверждающая, что невозможно получить значение h = u K / u C < H(U)/ log M (2.3), может быть доказана если учесть, что неравенство (2.3) эквивалентно неравенству u C × H(U) > u K × log M, H¢ (U) > C. Последнее неравенство не может быть выполнено т.к. рассматриваемое кодирование должно быть обратимым преобразованием (т.е. без потерь информации). Энтропия в секунду на входе канала или производительность кодера не может превышать пропускную способность канал. А энтропия принимаемых сигналов определяется из условия максимального значения H’(y)= log m.

Теорема Шеннона для дискретного канала с шумом называется так же основной теоремой кодирования Шеннона. Если производительность источника сообщений H¢ (U) меньше пропускной способности канала С т.е. H¢(U)< C, то существует такая система кодирования которая обеспечивает возможность передачи сообщений источника со сколь угодно малой вероятностью ошибки (или со сколь угодно малой ненадежностью).

Если H¢(U) > C, то можно закодировать сообщение таким образом, что ненадежность в единицу времени будет меньше чем H¢(U)-C+ e, где e ®0 (прямая теорема).

Не существует способа кодирования обеспечивающего ненадежность в единицу времени меньшую, чем H¢(U)-C (обратная теорема).

В такой формулировке эта теорема была дана самим Шенноном. В литературе часто вторая часть прямой теоремы и обратная теорема объединяются в виде обратной теоремы сформулированной так: если H¢(U) > C, то такого способа кодирования не существует.

2. Типы сигналов, их дискретизация и восстановление. Спектральная плотность сигналов. Частота Найквиста, теорема Котельникова. Частотное представление дискретных сигналов. Ортогональные преобразования дискретных сигналов. Задачи интерполяции и прореживания сигналов.

Типы сигналов, их дискретизация и восстановление

По видам (типам) сигналов выделяются следующие:

1. аналоговый

2. дискретный

3. цифровой

Аналоговый сигнал (analog signal) является непрерывной функцией непрерывного аргумента, т.е. определен для любого значения аргументов. Источниками аналоговых сигналов , как правило, являются физические процессы и явления, непрерывные в динамике своего развития во времени, в пространстве или по любой другой независимой переменной, при этом регистрируемый сигнал подобен (―аналогичен‖) порождающему его процессу. Пример математической записи сигнала: y(t) = 4.8 exp /2.8]. При этом как сама функция, так и ее аргументы, могут принимать любые значения в пределах некоторых интервалов y J , t J . Если интервалы значений сигнала или его независимых переменных не ограничиваются, то по умолчанию они принимаются равными от -Ґ до +Ґ . Множество возможных значений сигнала образует континуум - непрерывное пространство, в котором любая сигнальная точка может быть определена с точностью до бесконечности. Примеры сигналов, аналоговых по своей природе - изменение напряженности электрического, магнитного, электромагнитного поля во времени и в пространстве.

Дискретный сигнал (discrete signal) по своим значениям также является непрерывной функцией, но определенной только по дискретным значениям аргумента. По множеству своих значений он является конечным (счетным) и описывается дискретной последовательностью отсчетов (samples) y(nDt), где y Ј , Dt - интервал между отсчетами (интервал или шаг дискретизации, sample time), n = 0, 1, 2,...,N. Величина, обратная шагу дискретизации: f = 1/Dt, называется частотой дискретизации (sampling frequency). Если дискретный сигнал получен дискретизацией (sampling) аналогового сигнала, то он представляет собой последовательность отсчетов, значения которых в точности равны значениям исходного сигнала по координатам nDt.

Цифровой сигнал (digital signal) квантован по своим значениям и дискретен по аргументу. Он описывается квантованной решетчатой функцией yn = Qk, где Qk - функция квантования с числом уровней квантования k, при этом интервалы квантования могут быть как с равномерным распределением, так и с неравномерным, например - логарифмическим. Задается цифровой сигнал, как правило, в виде дискретного ряда (discrete series) числовых данных - числового массива по последовательным значениям аргумента при Dt = const, но в общем случае сигнал может задаваться и в виде таблицы для произвольных значений аргумента.

Дискретизация, восстановление (интерполяция) сигналов.

Процесс дискретизации - это процесс получения значений величин преобразуемого сигнала в определенные промежутки времени (отсчеты ).

Под дискретизацией сигналов понимают преобразование функций непрерывных переменных в функции дискретных переменных, по которым исходные непрерывные функции могут быть восстановлены с заданной точностью. Роль дискретных отсчетов выполняют, как правило, квантованные значения функций в дискретной шкале координат. Под квантованием понимают преобразование непрерывной по значениям величины в величину с дискретной шкалой значений из конечного множества разрешенных, которые называют уровнями квантования. Если уровни квантования нумерованы, то результатом преобразования является число, которое может быть выражено в любой числовой системе. Округление с определенной разрядностью мгновенных значений непрерывной аналоговой величины с равномерным шагом по аргументу является простейшим случаем дискретизации и квантования сигналов при их преобразовании в цифровые сигналы.

Принципы дискретизации . Сущность дискретизации аналоговых сигналов заключается в том, что непрерывность во времени аналоговой функции s(t) заменяется последовательностью коротких импульсов, амплитудные значения которых определяются с помощью весовых функций, либо непосредственно выборками (отсчетами) мгновенных значений сигнала s(t) в моменты времени .Представление сигнала s(t) на интервале Т совокупностью дискретных значений записывается в виде:

(с1, с2, ... , cN) = А,

где А - оператор дискретизации. Запись операции восстановления сигнала s(t):

s"(t) = В[(с1, с2, ... , cN)].

Выбор операторов А и В определяется требуемой точностью восстановления сигнала. Наиболее простыми являются линейные операторы. В общем случае:

(5.1.1)

Где - система весовых функций.

Отсчеты в выражении (5.1.1) связаны с операцией интегрирования, что обеспечивает высокую помехоустойчивость дискретизации. Однако в силу сложности технической реализации "взвешенного" интегрирования, последнее используется достаточно редко, при высоких уровнях помех. Более широкое распространение получили методы, при которых сигнал s(t) заменяется совокупностью его мгновенных значений s() в моменты времени . Роль весовых функций в этом случае выполняют гребневые (решетчатые) функции. Отрезок времени Dt между соседними отсчетами называют шагом дискретизации. Дискретизация называется равномерной с частотой F=1/Dt, если значение Dt постоянно по всему диапазону преобразования сигнала. При неравномерной дискретизации значение Dt между выборками может изменяться по определенной программе или в зависимости от изменения каких-либо параметров сигнала.

Восстановление сигналов

Восстановление непрерывного сигнала по выборкам может проводиться как на основе ортогональных, так и неортогональных базисных функций. Воспроизводящая функция s"(t) соответственно представляется аппроксимирующим полиномом:

Где система базисных функций. Ортогональные базисные функции обеспечивают сходимость ряда к s(t) при n Ю Ґ . Оптимальными являются методы дискретизации, обеспечивающие минимальный числовой ряд при заданной погрешности воспроизведения сигнала. При неортогональных базисных функциях используются, в основном, степенные алгебраические полиномы вида:

Если значения аппроксимирующего полинома совпадают со значениями выборок в моменты их отсчета, то такой полином называют интерполирующим. В качестве интерполирующих полиномов обычно используются многочлены Лагранжа. Для реализации интерполирующих полиномов необходима задержка сигнала на интервал дискретизации, что в системах реального времени требует определенных технических решений. В качестве экстраполирующих полиномов используют, как правило, многочлены Тейлора.

Естественным требованием к выбору частоты дискретизации является внесение минимальных искажений в динамику изменения сигнальных функций. Логично полагать, что искажения информации будут тем меньше, чем выше частота дискретизации F. С другой стороны также очевидно, что чем больше значение F, тем большим количеством цифровых данных будут отображаться сигналы, и тем большее время будет затрачиваться на их обработку. В оптимальном варианте значение частоты дискретизации сигнала F должно быть необходимым и достаточным для обработки информационного сигнала с заданной точностью, т.е. обеспечивающим допустимую погрешность восстановления аналоговой формы сигнала (среднеквадратическую в целом по интервалу сигнала, либо по максимальным отклонениям от истинной формы в характерных информационных точках сигналов).

Квантование сигнала .

Дискретизация аналоговых сигналов с преобразованием в цифровую форму связана с квантованием сигналов. Сущность квантования состоит в замене несчетного множества возможных значений функции, в общем случае случайных, конечным множеством цифровых отсчетов, и выполняется округлением мгновенных значений входной функции s(ti) в моменты времени ti до ближайших значений si(ti) = niDs, где Ds- шаг квантования шкалы цифровых отсчетов. Квантование с постоянным шагом Ds называется равномерным. Математически операция квантования может быть выражена формулой:

где скобки [..] означают целую часть значения в скобках.

При квантовании сигналов в большом динамическом диапазоне значений шаг квантования может быть и неравномерным, например, логарифмическим, т.е. пропорциональным логарифму значений входного сигнала. Установленный диапазон шкалы квантования от smin до smax и шаг квантования Ds определяют число делений шкалы Ns = (smax-smin)/Ds и соответственно цифровую разрядность квантования. В результате дискретизации и квантования непрерывная функция s(t) заменяется числовой последовательностью {s(kDt)}. Погрешность округления ei = s(kDt)-si(kDt) заключена в пределах -Ds/2

При достаточно малом шаге квантования любое значение в его пределах можно считать равновероятным, при этом значения e распределены по равномерному закону:

p(e) = 1/Ds, -Ds/2 Ј e Ј Ds/2.

Соответственно, дисперсия и среднее квадратическое значение шума квантования:

e2 = Ds2/12, » 0.3 Ds. .1)

При задании уровня шума квантования с использованием выражения (5.5.1) нетрудно определить допустимое значение шага квантования.

Входной сигнал содержит, как правило, аддитивную смесь собственно сигнала s(t) и помехи q(t) с дисперсией соответственно sq2. Если помехи не коррелированны с сигналом, то после квантования суммарная дисперсия шумов:

На практике шаг квантования выбирают обычно таким, чтобы не происходило заметного изменения отношения сигнал/шум, т.е. e2<