Организация каналов связи

1 байт равен 8 битам.

Полоса пропускания канала связи напрямую должна согласовываться со спектром передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть, те частотные составляющие сигнала, которые вносят основной вклад в его временную форму и заключают в себе более 90% его энергии) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет без значительных искажений передаваться данному каналу (если частотные характеристики канала при этом обладают достаточным качеством). Приемник в этом случае сможет правильно распознать информацию, отправленную передатчиком (рисунок 4.1, а). Если же значимые гармоники выходят за диапазон полосы пропускания канала, то сигнал будет очень сильно искажаться. Приемник будет допускать значительно больше ошибок при декодировании информации, а значит, качество передачи данных будет значительно хуже (рисунок 4.1 б).

Рисунок 4.

1. — Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала

Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых в канал, называется физическим или линейным кодированием. От него зависит спектр сигналов и, соответственно, пропускная способность канала.

Как гласит теория информации, любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала может нести в себе информацию. В соответствии с этим прием синусоидального сигнала, например, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации нести не может! Это объясняется тем, что, хоть изменение сигнала и происходит, но оно является предсказуемым. Аналогично, не несут в себе информации и импульсы на тактовой шине компьютера, так как их изменения опять же детерминированы во времени. А вот если на импульсы наложить данные, то такой поток уже предсказать заранее нельзя; именно поэтому он переносит информацию между отдельными блоками или устройствами.

Все способы передачи информации основаны на изменении какого-либо параметра сигнала — частоты, амплитуды и фазы синусоиды, например, или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются под воздействием передаваемого информационного потока, называют несущим сигналом или несущей частотой, если в качестве такого сигнала используется синусоида.

Если сигнал изменяется таким образом, что можно различить только два его равновероятных состояния, то любое его изменение 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 информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах. Период времени между соседними изменениями информационного сигнала называется тактом работы передатчика.

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 битах в секунду будет выше, чем число бод. Например, если информационными параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются 4 состояния фазы в 0, 90, 180 и 270 градусов 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 информационного 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.

Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии и тем выше пропускная способность линии при фиксированном способе физического кодирования. Однако, с другой стороны, с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается и ширина спектра этого сигнала, то есть разность между максимальной и минимальной частотами того набора синусоид, которые в сумме дадут выбранную для физического кодирования последовательность сигналов. Линия передает этот спектр синусоид с теми искажениями, которые определяются ее полосой пропускания. Чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации на самом деле оказывается меньше, чем можно было предположить.

Связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон:

где С — максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F — ширина полосы пропускания линии в герцах, РС — мощность сигнала, РШ — мощность шума. Из этого соотношения видно, что хотя теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания не существует, на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность линии можно за счет увеличения мощности передатчика или же уменьшения мощности шума (помех) на линии связи. Обе эти составляющие поддаются изменению с большим трудом. Повышение мощности передатчика ведет к значительному увеличению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума на пропускную способность ограничено логарифмической зависимостью, которая растет далеко не так быстро, как прямо-пропорциональная. Так, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15% увеличения пропускной способности линии.

Близким по сути к формуле Шеннона является следующее соотношение, полученное Найквистом, которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи, но без учета шума на линии:

где М — количество различимых состояний информационного параметра.

Если сигнал имеет 2 различимых состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи (Рисунок 4.2 а). Если же передатчик использует более чем 2 устойчивых состояния сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных, например 2 бита при наличии четырех различимых состояний сигнала (рисунок 4.2 б).

Рисунок 4.2 — Повышение скорости передачи за счет

дополнительных состояний сигнала

Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличить это количество до значительных величин, но на практике мы не можем этого сделать из-за шума на линии. Например, для примера, приведенного на Рисунок 4.2б, можно увеличить пропускную способность линии еще в два раза, использовав для кодирования данных не 4, а 16 уровней. Однако если амплитуда шума часто превышает разницу между соседними 16-ю уровнями, то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником.

Приведенные соотношения дают предельное значение пропускной способности линии, а степень приближения к этому пределу зависит от конкретных методов физического кодирования.

Заключение

В работе рассмотрены основные понятия и принципы каналообразования теории связи, которыми необходимо владеть при проектировании и эксплуатации телекоммуникационных объектов.

Множество классификаций каналов связи говорит о различных задачах и способах передачи через них информации. Сложнейшие на первый взгляд выражения, описывающие физические процессы в каналах, оказываются логически понятными, если понять их суть, а не пытаться механически запомнить.

Все это говорит о необходимости применения квалифицированного и высокоинтеллектуального персонала в телекоммуникациях, поскольку только в этом случае можно достичь эффективного использования ресурсов, а, значит, и достичь успеха на рынке услуг связи.

Список использованных источников

1 Берлин А. Н. Телекоммуникационные сети и устройства: учебное пособие [Текст] / А. Н. Берлин. — М.: Интернет-Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.

— 319 с. — ISBN 978−5-94 774−896−3. 2 Гаранин М. В. и др. Системы и сети передачи информации: учеб. пособие для вузов [

Текст] / М. В. Гаранин, В. И. Журавлев, С. В. Кунегин. — М.: Радио и связь, 2001. — 336 с. — ISBN 5−256−1 475−7. 3 Ершов В. А., Кузнецов Н. А. Мультисервисные телекоммуникационные сети [Текс] / В. А. Ершов, Н. А. Кузнецов.

— М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. — 432 с. — ISBN 5−7038−2133−9. 4 Зюко А. Г. и др.

Теория электрической связи: учебник вызов [Текст] / А. Г. Зюко, Д. Д. Кловский, В. И. Коржик, М. В. Назаров. — М.: Радио и связь, 1999. — 432 с.

— ISBN 5−256−1 288−6. 5 Крук Б. И. и др. Телекоммуникационные системы и сети: учебное пособие в 3 томах. Том 1 — Современные технологии [Текс] / Б. И. Крук, В. Н. Попантонопуло, В. П. Шувалов; под ред. профессора

В.П. Шувалова. — Изд. 3-е. — М.: горячая линия — Телеком, 2003. -

647 с. — ISBN 5−93 517−088−4. 6 Крухмалев В. В. и др. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: учебник для вузов [Текст] / В. В. Крухмалев, В. Н. Гордиенко, А. Д. Моченов, В. И. Иванов, В. А. Бурдин, А. В. Крыжановский, Л. А. Марыкова. -

М.: Горячая линия — Телеком, 2004. — 510 с. — ISBN

5−93 517−202-Х. 7 Ломовицкий В. В. и др. Основы построения систем и сетей передачи информации: учебное пособие для вызов [Текст] / В. В. Ломовицкий, А. И. Михайлов, К. В. Шестак, В. М. Щекотихин. — М.: Горячая линия — Телеком, 2005. — 382 с. — ISBN 5−93 517−201−1. 8 Прокис Д.

Цифровая вязь [Текст] / Под ред. Д. Д. Кловского. — М.: Радио и связь, 2000. — 800 с. — ISBN

5−256−1 434-Х. 9 Рид Р. Основы теории передачи информации [Текст]. / Р. Рид. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2005.

— 320 с. — ISBN 5−8459−0715−2. 10 Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение [Текст] / Б.

Скляр. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. — 1104 с. — ISBN 5−8459−0497−8. Список сокращений АХ — амплитудная характеристика АЧХ — амплитудно-частотная характеристика ВРК — временное разделение каналов ГГ — генератор гармоник ГНЧ — генератор несущей частоты ДЧ — делитель частоты ЗГ — задающий генератор КОО — каналообразующее оборудование КРК — кодовое разделение каналов МКС — многоканальная связь ОЗ — остаточное затухание ОЛТ — оборудование линейного тракта ОС — оборудование сопряжения ПД — передача данных СО — сервисное оборудование СП — система передачи ТЧ — тональная частота УГО — унифицированное генераторное оборудование ФЧХ — фазочастотная характеристика ЧРК — частотное разделение каналов