Каналы связи: виды, характеристики. Понятие линии и канала связи Наибольшую скорость передачи данных обеспечивают каналы связи

Существует множество видов каналов связи, которые, в зависимости от типа среды распространения принято делить на проводные, акустические, инфракрасные и радиоканалы. В зависимости от видов сигналов каналы связи можно различают

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).

По времени существования выделяют коммутируемые и некоммутируемые каналы. Коммутируемые (временные), создаются только на время передачи информации. Некоммутируемые каналы (выделенные)- создаются на длительное время с определенными постоянными характеристиками. Каналы также можно классифицировать по скорости передачи информации, диапазону частот, изменению параметров во времени (с постоянными и переменными параметрами) и т.д.

В общем случае, канал связи- это система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). В состав канала связи входят линии связи (физический уровень передачи), основные параметры которых можно разделить на две группы/12/: параметры распространения, характеризуют процесс распространения полезного сигнала, и параметры влияния, описывающие степень влияния на полезный сигнал других сигналов и помех. В каждой из этих групп можно выделить первичные и вторичные параметры. Первичные параметры характеризуют физическую природу линии, например погонную емкость или индуктивность электрического кабеля, степень неоднородности оптического волокна, а вторичные отражают некоторый обобщенный результат прохождения сигнала по линии связи. На вторичные параметры оказывают влияние как первичные параметры, так и помехи. Например, при передаче по проводной линии сигналов различных частот из-за наличия распределенного комплексного сопротивления линии коэффициент передачи для гармонических колебаний с различными частотами будет различным. Это приводит к искажениям формы сигнала.

Основными вторичными характеристиками линии связи являются: -амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);

Полоса пропускания;

Затухание;

Помехоустойчивость;

Пропускная способность;

Достоверность передачи данных.

АЧХ показывает, как изменяется амплитуда сигнала на выходе линии связи по сравнение с амплитудой на входе для различных частот передаваемого сигнала (рис.9).

Рисунок 9- Амплитудно-частотная характеристика

АЧХ дает полную картину о линии связи с точки зрения прохождения сигналов различных частот, однако получить ее достаточно трудно. Для этого нужно провести тестирование линии эталонными синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит, количество экспериментов должно быть очень большим. Поэтому на практике вместо амплитудно-частотной характеристики применяются другие, упрощенные характеристики- полоса пропускания и затухание.

Полоса пропускания является производной характеристикой от АЧХ. Она представляет собой непрерывный диапазон частот, для которых отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел.

Фактически полоса пропускания определяет частотный диапазон сигнала, при котором он передается по каналу связи без значительных искажений. Обычно полоса пропускания отсчитывается на уровне 0,7 от максимального значения АЧХ. На рис.10 показаны полосы пропускания для различных линий связи.

Рисунок 10- Полосы пропускания различных линий связи

Затухание определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по каналу сигнала определенной частоты. Часто при эксплуатации канала заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по каналу сигналов. Более

точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала. Затухание вычисляется по следующей формуле:

где Рвых - мощность сигнала на выходе канала, Рвх - мощность сигнала на входе канала.

Затухание всегда рассчитывается для определенной частоты и соотносится с длиной канала. На практике пользуются понятием "погонное затухание", т.е. затухание сигнала на единицу длины канала, например, затухание 0.3 дБ/метр. Чем меньше затухание, тем выше качество линии связи. Обычно затухание определяют для пассивных участков линии связи, состоящих из кабелей и кроссовых секций, без усилителей и регенераторов. Например, кабель с витыми парами категории 5 для внутренней проводки в зданиях, применяемый для локальных сетей, характеризуется затуханием не ниже -23.6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м. У оптического кабеля затухание существенно более низкое, и обычно лежит в диапазоне от 0.2 до 3 дБ при длине кабеля в 1000 м. Следует отметить, что практически всем оптическим волокнам свойственна сложная зависимость затухания от длины волны, с тремя так называемыми «окнами прозрачности»- 850, 1300 и 1550 нм. Наименьшие потери

обеспечиваются на длине волны 1550 нм, что позволяет достичь максимальной дальности при фиксированной мощности передатчика и фиксированной чувствительности приемника. Многомодовый кабель обладает двумя первыми окнами прозрачности, т. е. 850 и 1300 нм, а одномодовый кабель- двумя окнами прозрачности на длинах волн 1310 и 1550 нм.

Помехоустойчивость линии определяет ее способность выполнять свои

функции под действием помех со стороны внешней среды или проводников

самого кабеля. Помехоустойчивость можно оценить максимальной

интенсивностью помех, при которой нарушение функций еще не превышает

допустимых пределов. Помехоустойчивость зависит от типа используемой

физической среды, от экранирующих и подавляющих помехи средств самой

линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, наиболее-

волоконно-оптические, малочувствительные к внешнему электромагнитному излучению. Помехоустойчивость может быть повышена за счет использования для передачи сигнала помехоустойчивых кодов и специальных алгоритмов обработки.

Пропускная способность линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду. Это связано с тем, что данные в линиях связи передаются последовательно, то есть побитно. Теоретически максимально возможная пропускная способность вне зависимости от способа кодирования определяется теоремой Шеннона-Хартли:

отношение мощностей сигнала к мощности белого гауссовского шума. SNR - определяет число уровней сигнала, которые может различить приемник. Так, если SNR >3, то единичный сигнал может переносить два бита информации. Типичные скорости передачи для наиболее распространенных линий связи приведены в таблице 1.

Таблица 1- Скорость передачи данных по каналам связи

Достоверность передачи определяется степенью искажения сигнала, т.е. тем, насколько принятый сигнал соответствует переданному. В цифровых системах передачи информации достоверность передачи данных характеризует

Для ускорения разработки телемедицинских систем и оценки влияния параметров канала на качество передачи сигнала удобно использовать для моделирования среду MATLAB и Simulink, которая, предоставляя готовые к использованию модели каналов, позволяет интегрировать их в модель системы для оценки влияния различных искажений на качество передачи сигнала. Входящий в состав Simulink Communication Blockset предлагает модели таких каналов, как канал с аддитивным белым гауссовским шумом, двоичный симметричный канал, многолучевой рэлеевский канал с замиранием, райсовский канал с замиранием и др. Меняя параметры канала можно оценивать погрешность передачи для различных видов модуляции, типа помехоустойчивого кодирования и способов обработки сигнала.

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.

КАНАЛЫ СВЯЗИ

1. Классификация и характеристики канала связи

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

Для анализа информационных процессов в канале связи можно использовать его обобщенную схему, приведенную на рис. 1.

На рис. 1 приняты следующие обозначения: X, Y, Z, W – сигналы, сообщения; f – помеха; ЛС – линия связи; ИИ, ПИ – источник и приемник информации; П – преобразователи (кодирование, модуляция, декодирование, демодуляция).

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 T к, ширины спектра частот, пропускаемых каналом F к и динамического диапазона D к. , который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов

V к = T к F к D к. (1)

Условие согласования сигнала с каналом:

V c £ V k ; T c £ T k ; F c £ F k ; V c £ V k ; D c £ D k .

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 = 0¸1).

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 (что частично подавляет электромагнитное излучение других источников). Скорость передачи до 1 Мбит/с. Используется в телефонных сетях и для передачи данных.

2. Коаксиальный кабель. Скорость передачи 10–100 Мбит/с – используется в локальных сетях, кабельном телевидении и т.д.

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

В средах 1–3 затухание в дБ линейно зависит от расстояния, т.е. мощность падает по экспоненте. Поэтому через определенное расстояние необходимо ставить регенераторы (усилители).

Радиолинии:

1. 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. Но этот диапазон сильно зашумлен (например, любительской радиосвязью). От 30 до 1000 МГц – ионосфера прозрачна и необходима прямая видимость. Антенны устанавливаются на высоте (иногда устанавливаются регенераторы). Используются в радио и телевидении.

2. 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.

3. Спутниковая связь. Используются микроволновые частоты, а спутник служит регенератором (причем для многих станций). Характеристики те же, что у микроволновых линий.

2. Пропускная способность дискретного канала связи

Дискретный канал представляет собой совокупность средств, предназначенных для передачи дискретных сигналов .

Пропускная способность канала связи – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины. Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени. Определим выражения для расчета скорости передачи информации и пропускной способности дискретного канала связи.

При передаче каждого символа в среднем по каналу связи проходит количество информации, определяемое по формуле

I (Y, X) = I (X, Y) = H(X) – H (X/Y) = H(Y) – H (Y/X), (2)

где: I (Y, X) – взаимная информация, т.е. количество информации, содержащееся в Y относительно X; H(X) – энтропия источника сообщений; H (X/Y) – условная энтропия, определяющая потерю информации на один символ, связанную с наличием помех и искажений.

При передаче сообщения X T длительности T, состоящего из n элементарных символов, среднее количество передаваемой информации с учетом симметрии взаимного количества информации равно:

I(Y T , X T) = H(X T) – H(X T /Y T) = H(Y T) – H(Y T /X T) = n . (4)

Скорость передачи информации зависит от статистических свойств источника, метода кодирования и свойств канала.

Пропускная способность дискретного канала связи

. (5)

Максимально-возможное значение, т.е. максимум функционала ищется на всем множестве функций распределения вероятности p(x).

Пропускная способность зависит от технических характеристик канала (быстродействия аппаратуры, вида модуляции, уровня помех и искажений и т.д.). Единицами измерения пропускной способности канала являются: , , , .

Сетевые технологии, каналы связи и их основные характеристики.

Ц ели:

Обучать основам сетевых технологий.

Развивать познавательный интерес.

Воспитывать информационную культуру.

П роверка домашнего задания.

Х од урока:

Сетевая технология - это согласованный набор стандартных протоколов и программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети.
Сегодня Интернет – это объединение большого количества сетей. Каждая сеть состоит из десятков и сотен серверов. Серверы соединены между собой напрямую различными линиями связи: кабельными, наземной радиосвязью, спутниковой радиосвязью. К каждому серверу подключается большое количество компьютеров и локальных компьютерных сетей, которые являются клиентами сети. Клиенты могут соединяться с сервером не только по прямым линиям, но и по обычным телефонным каналам.
Каналами связи называют технические средства, позволяющие осуществлять передачу данных на расстоянии. В рассматриваемом нами контексте каналами связи будем называть средства установления связи для передачи информации между удаленными компьютерами . В качестве технических средств передачи информации могут использоваться обычные каналы связи (телефонные, телеграфные, спутниковые и т. д.). Сейчас более прогрессивными средствами считаются каналы связи, построенные специально для передачи цифровой информации. К таковым относятся, например, оптоволоконные сети.

Основными характеристиками каналов связи являются пропускная способность и помехоустойчивость . Пропускная способность отражает способность канала передавать заданное количество сообщений за единицу времени. Данный параметр зависит от физических свойств канала связи. Другими словами, пропускная способность - это объем данных, передаваемых модемом в единицу времени, без учета дополнительной служебной информации, например стартового и стопового битов, начальных конечных записей Стоков и т. д.
Помехоустойчивость задает параметр уровня искажения передаваемой информации. Для того чтобы избежать изменения или потери информации при ее передаче, используют специальные методы, позволяющие сократить влияние шумов.

Классификация компьютерных каналов связи:

по способу кодирования: цифровые и аналоговые ;

по способу коммуникации: выделенные (постоянное соединение) и коммутируемые (временное соединение);

по способу передачи сигнала: кабельные (витая пара, коаксиальный кабель, оптико-волоконные, оптические (световоды), радиорелейные, беспроводные, спутниковые; телефонные , радио (радиорелейные, спутниковые).

Витая пара состоит из двух изолированных проводов, свитых между собой. Скручивание проводов уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые сигналы.

Коаксиальный кабель по сравнению с витой парой обладает более высокой механической прочностью, помехозащищённостью.

Оптоволоконный кабель - идеальная передающая среда, он не подвержен действию электромагнитных полей и сам практически не имеет излучения.

Линии связи:
Радиорелейные линии связи (РРЛ) предназначены для передачи сигналов в диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Передача ведется через систему ретрансляторов, расположенных на расстоянии прямой видимости.

Беспроводное сетевое оборудование предназначено для передачи по радиоканалам информации между компьютерами, сетевыми и другими специализированными устройствами.

Спутниковые линии связи работают в 9 - 11 диапазонах частот и, в перспективе, в оптических диапазонах. В этих системах сигнал с земной станции посылается на спутник, содержащий приемопередающую аппаратуру, там усиливается, обрабатывается и посылается обратно на Землю, обеспечивая связь на большие расстояния и перекрывая большие площади.

Каналы связи делятся на симплексные и дуплексные . В одном случае информация передается только в одном направлении, что является менее эффективным средством. В другом случае информация передается в двух направлениях, причем одновременно могут передаваться несколько сообщений.

В качестве физического процесса, осуществляющего передачу данных на расстоянии, используют сигналы . На этот процесс могут влиять различные явления, создающие помехи (например, это может быть напряжение постороннего происхождения, появляющееся в каналах связи и ограничивающее дальность передачи полезных сигналов).

В зависимости от источника возникновения и от характера их воздействия помехи делятся на:

собственные помехи канала связи;

взаимные , создаваемые влиянием каналов друг на друга;

внешние - от посторонних электромагнитных полей.

Практика показала, что избавление от шумов (помех) невозможно из-за естественных (неустранимых) причин их возникновения. Тогда была предложена идея поиска возможности защиты в самом передаваемом тексте (К.Э. Шеннон). Наилучшим способом стало использование избыточного кода. Функция защиты информации при передаче по каналам связи включает три компонента: подтверждение , обнаружение ошибок и уведомление о них, возврат в исходное состояние. Информация кодируется соответствующим образом, вместе с основным содержанием передается информация о размере передаваемой информации. При получении информации сверяется информация о длине сообщения с исходным состоянием, при несовпадении значений в пункт передачи информации передается сигнал о необходимости повторной пересылки.

Прокси-сервер - промежуточный, транзитный веб-сервер, используемый как посредник между браузером и конечным веб-сервером. Основная причина использования прокси-сервера - экономия объема передачи информации и увеличение скорости доступа за счет кэширования. Например, если большинство сотрудников компании часто пользуются одним и тем же веб-сервером, содержащим актуальный курс валют, то эта информация сохранится в прокси, и, таким образом, страницы будут запрошены с оригинального сервера всего 1 раз. При использовании прокси компании нужен всего один публичный IP-адрес.

Протокол (protocol) - совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры обмена информацией между двумя независимыми процессами или устройствами.

Протокол сетевой (network protocol) - совокупность правил и соглашений, использующихся при передаче данных.

Различают три основных типа протоколов, работающих в разных сетях и с разными операционными системами: Novell IPX (Inter Packet Exchange), TCP/IP, NetBEUI (Network BIOS User Interface).
Протокол управления передачей/межсетевой протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) - набор протоколов, разработанный для Интернета и ставший его основой. TCP гарантирует, что каждый посланный байт дойдет до получателя без потерь. IP присваивает локальные IP-адреса физическим сетевым адресам, обеспечивая тем самым адресное пространство с которым работают маршрутизаторы.

В семейство TCP/IP входят:

протокол Telnet, который позволяет удаленным терминалам подключаться к удаленным узлам (компьютерам);

система доменной адресации DNS, дающая возможность пользователям адресоваться к узлам сети по символьному доменному имени вместо цифрового IP-адреса;

протокол передачи файлов FTP, который определяет механизм хранения и передачи файлов;

протокол передачи гипертекста HTTP.

Вопросы и задания

Что называется сетевыми технологиями?

Что такое каналы связи?

Назовите основные характеристики каналов связи.

Приведите классификацию каналов связи.

Что такое прокси-сервер?

Что такое протоколы?

Какую функцию выполняет протокол TCP/IP?

Домашнее задание : конспект.

Контрольная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Канал связи - система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

Вопрос №3 «Каналы связи. Классификация каналов связи. Параметры каналов связи. Условие передачи сигнала по каналу связи».

Канал связи

Канал связи — система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи ), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

Канал связи предназначен для передачи сигналов между удаленными устройствами. Сигналы несут информацию, предназначенную для представления пользователю (человеку), либо для использования прикладными программами ЭВМ.

Канал связи включает следующие компоненты:

1. передающее устройство;
2. приемное устройство;
3. среду передачи различной физической природы (Рис.1) .

Формируемый передатчиком сигнал, несущий информацию, после прохождения через среду передачи поступает на вход приемного устройства. Далее информация выделяется из сигнала и передается потребителю. Физическая природа сигнала выбирается таким образом, чтобы он мог распространяться через среду передачи с минимальным ослаблением и искажениями. Сигнал необходим в качестве переносчика информации, сам он информации не несет.

Рис.1. Канала связи (вариант №1)

Рис.2 Канал связи (вариант №2)

Т.е. это (канал) — техническое устройство (техника+среда).

Классификация

Классификаций будет приведено ровно три типа. Выбирайте на вкус и цвет:

Классификация №1:

Существует множество видов каналов связи, среди которых наиболее часто выделяют каналы проводной связи (воздушные, кабельные, световодные и др.) и каналы радиосвязи (тропосферные, спутниковые и др.). Такие каналы в свою очередь принято квалифицировать на основе характеристик входного и выходного сигналов, а также по изменению характеристик сигналов в зависимости от таких явлений, происходящих в канале, как замирания и затухание сигналов.

По типу среды распространения каналы связи делятся на:

• проводные;
• акустические;
• оптические;
• инфракрасные;
• радиоканалы.

Каналы связи также классифицируют на:

• непрерывные (на входе и выходе канала – непрерывные сигналы),
• дискретные или цифровые (на входе и выходе канала – дискретные сигналы),
• непрерывно-дискретные (на входе канала–непрерывные сигналы, а на выходе–дискретные сигналы),
• дискретно-непрерывные (на входе канала–дискретные сигналы, а на выходе–непрерывные сигналы).

Каналы могут быть как линейными и нелинейными , временными и пространственно-временными .

Возможна классификация каналов связи по диапазону частот .

Системы передачи информации бывают одноканальные и многоканальные . Тип системы определяется каналом связи. Если система связи построена на однотипных каналах связи, то ее название определяется типовым названием каналов. В противном случае используется детализация классификационных признаков.

Классификация №2 (более подробная) :

1. Классификация по диапазону используемых частот

• Километровые (ДВ) 1-10 км, 30-300 кГц;
• Гектометровые (СВ) 100-1000 м, 300-3000 кГц;
• Декаметровые (КВ) 10-100 м, 3-30 МГц;
• Метровые (МВ) 1-10 м, 30-300 МГц;
• Дециметровые (ДМВ) 10-100 см, 300-3000 МГц;
• Сантиметровые (СМВ) 1-10 см, 3-30 ГГц;
• Миллиметровые (ММВ) 1-10 мм, 30-300 ГГц;
• Децимилимитровые (ДММВ) 0,1-1 мм, 300-3000 ГГц.
  1. По направленности линий связи
     • направленные (используются различные проводники):
• коаксиальные,
• витые пары на основе медных проводников,
• волоконнооптические.
  • ненаправленные (радиолинии);
• прямой видимости;
• тропосферные;
• ионосферные
• космические;
• радиорелейные (ретрансляция на дециметровых и более коротких радиоволнах).
  1. 
     По виду передаваемых сообщений:
• телеграфные;
• телефонные;
• передачи данных;
• факсимильные.
  1. По виду сигналов:
• аналоговые;
• цифровые;
• импульсные.
  1. По виду модуляции (манипуляции)
     • В аналоговых системах связи :
• с амплитудной модуляцией;
• с однополосной модуляцией;
• с частотной модуляцией.
• В цифровых системах связи :
• с амплитудной манипуляцией;
• с частотной манипуляцией;
• с фазовой манипуляцией;
• с относительной фазовой манипуляцией;
• с тональной манипуляцией (единичные элементы манипулируют поднесущим колебанием (тоном), после чего осуществляется манипуляция на более высокой частоте).
  1. По значению базы радиосигнала
• широкополосные (B>> 1);
• узкополосные (B»1).

7. По количеству одновременно передаваемых сообщений

• одноканальные;
• многоканальные (частотное, временное, кодовое разделение каналов);
  

8. По направлению обмена сообщений

• односторонние;
• двусторонние.
  9. По порядку обмена сообщения
• симплексная связь — двусторонняя радиосвязь, при которой передача и прием каждой радиостанции осуществляется поочередно;
• дуплексная связь — передача и прием осуществляется одновременно (наиболее оперативная);
• полудуплексная связь — относится к симплексной, в которой предусматривается автоматический переход с передачи на прием и возможность переспроса корреспондента.

10. По способам защиты передаваемой информации

• открытая связь;
• закрытая связь (засекреченная).

11. По степени автоматизации обмена информацией

• неавтоматизированные — управление радиостанцией и обмен сообщениями выполняется оператором;
• автоматизированные — вручную осуществляется только ввод информации;
• автоматические — процесс обмена сообщениями выполняется между автоматическим устройством и ЭВМ без участия оператора.

Классификация №3 (что-то может повторяться):

1. По назначению

Телефонные

Телеграфные

Телевизионные

- радиовещательные

2. По направлению передачи

- симплексные (передача только в одном направлении)

- полудуплексные (передача поочередно в обоих направлениях)

- дуплексные (передача одновременно в обоих направлениях)

3. По характеру линии связи

Механические

Гидравлические

Акустические

- электрические (проводные)

- радио (беспроводные)

Оптические

4. По характеру сигналов на входе и выходе канала связи

- аналоговые (непрерывные)

- дискретные по времени

- дискретные по уровню сигнала

- цифровые (дискретные и по времени и по уровню)

5. По числу каналов на одну линию связи

Одноканальные

Многоканальные

И еще рисунок сюда:

Рис.3. Классификация линий связи.

Характеристики (параметры) каналов связи

1. Передаточная функция канала : представляется в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе канала связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Нормированная амплитудно-частотная характеристика канала показана на рис.4. Знание амплитудно-частотной характеристики реального канала позволяет определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники. Для экспериментальной проверки амплитудно-частотной характеристики нужно провести тестирование канала эталонными (равными по амплитуде) синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит количество экспериментов должно быть большим.

—- отношение спектра выходного сигнала к входному
— полоса пропускания

Рис.4 Нормированная амплитудно-частотная характеристика канала

1. Полоса пропускания : является производной характеристикой от АЧХ. Она представляет собой непрерывный диапазон частот, для которых отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел, то есть полоса пропускания определяет диапазон частот сигнала, при которых этот сигнал передается по каналу связи без значительных искажений. Обычно полоса пропускания отсчитывается на уровне 0,7 от максимального значения АЧХ. Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по каналу связи.
2. Затухание : определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по каналу сигнала определенной частоты. Часто при эксплуатации канала заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по каналу сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.

Затухание обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по следующей формуле: , где

— мощность сигнала на выходе канала,

— мощность сигнала на входе канала.

Затухание всегда рассчитывается для определенной частоты и соотносится с длиной канала. На практике всегда пользуются понятием "погонное затухание", т.е. затухание сигнала на единицу длины канала, например, затухание 0.1 дБ/метр.

1. Скорость передачи : характеризует количество бит, передаваемых по каналу в единицу времени. Она измеряется в битах в секунду — бит/с , а также производных единицах: Кбит/c, Мбит/c, Гбит/с . Скорость передачи зависит от ширины полосы пропускания канала, уровня шумов, вида кодирования и модуляции.
2. Помехоустойчивость канала : характеризует его способность обеспечивать передачу сигналов в условиях помех. Помехи принято делить на внутренние (представляет собой тепловые шумы аппаратуры ) и внешние (они многообразны и зависят от среды передачи ). Помехоустойчивость канала зависит от аппаратных и алгоритмических решений по обработке принятого сигнала, которые заложены в приемо-передающее устройство. Помехоустойчивость передачи сигналов через канал может быть повышена за счет кодирования и специальной обработки сигнала.
3. Динамический диапазон : логарифм отношения максимальной мощности сигналов, пропускаемых каналом, к минимальной.
4. Помехозащищенность: это помехозащищенность, т. е. помехозащищенность.

Условие передачи сигналов по каналам связи.

Канал, по сути, это фильтр. Чтобы сигнал прошел через него без искажений, объем этого канала должен быть больше сигнала или равен ему (см. рис).

Математически условие можно записать так: , где

; (1)

В приведенных формулах

– полоса пропускания канала, или полоса частот, которую канал может пропустить при нормированном затухании сигнала;

– динамический диапазон, равный отношению максимально допустимого уровня сигнала в канале к уровню помех, нормированных для этого типов каналов;

– время, в течение которого канал используется для передачи данных;

– ширину спектра частот сигнала, т. е. интервал по шкале частотного спектра, занимаемый сигналом;

– динамический диапазон, равный отношению средней мощности сигнала к средней мощности помехи в канале;

– длительность сигнала, или время его существования.

Другая форма записи условия (развернутая):

P . S .: Параметр «Объем канала» в некоторых источниках так же указывается, как один из параметров канала связи, но не везде. Математическая формула приведена выше в (1).

Литература

1. http://edu.dvgups.ru/METDOC/ENF/BGD/BGD_CHS/METOD/ANDREEV/WEBUMK/frame/1.htm ;

2. http://supervideoman.narod.ru/index.htm .

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать
70747.		Статические характеристики и параметры полупроводниковых приборов	427.5 KB
	Цель работы изучить статические вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов и биполярных транзисторов рассчитать основные параметры биполярного транзистора. Если к переходам транзистора не приложено внешних разностей потенциалов то в pnпереходах существует...
70748.		Простейшие усилительные каскады и обратная связь в усилителях	848 KB
	Устройство осуществляющее увеличение энергии управляющего сигнала за счет энергии вспомогательного источника источника питаний называется усилителем Общая структурная схема усилителя электрических сигналов представлена на рис.
70749.		Операционный усилитель	456.5 KB
	В идеальном случае выходное напряжение ДУ не зависит от уровня каждого из входных сигналов а определяется только их разностью Это свойство ДУ обусловлено их применением в случаях когда измеряются очень слабые сигналы на фоне больших синфазных помех.
70750.		Генерирование электрических колебаний	414 KB
	Цель работы экспериментально изучить некоторые схемы RС-генераторов квазигармонических и релаксационных колебаний.Это условие можно отдельно записать в виде двух условий для амплитуд и для фаз...
70751.		Нелинейные ипараметрические преобразования сигналов	652.5 KB
	Сущность этого преобразования состоит о смещении спектра сигнала в ту или другую сторону по шкале частот. Вместе с тем в параметрический цепям возможны процессы связанные с возникновением новых частотных составляющих в спектре сигнала что существенно при переходе от линейных систем...
70752.		ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗМЕРЕНИИ	790 KB
	Физический эксперимент, проводимый с целью получения информации о количественной характеристике интересующего нас объекта или процесса; полученная информация содержит результат сравнения полученной величины с однородной величиной, принятой за единицу меры...
70753.		Изучение зависимости момента инерции точечных тел от их расстояния до оси вращения с помощью крестообразного маятника Обербека	147.5 KB
	Цель работы: Изучить основной закон динамики вращательного движения тел определить момент инерции ненагруженного маховика и проверить зависимость момент инерции нагруженного маховика от распределения его массы в пространстве относительно оси.
70754.		Изучение гармонических колебаний	170 KB
	Цель работы: Изучить гармоническое колебательное движение на примерах колебаний математического физического и оборотного маятников. Свойства гармонических колебаний: Частота колебаний не зависит от амплитуды.