Основні характеристики та параметри систем зв'язку. Оцінка якості передачі сигналів звукового мовлення на основі використання МКС Основні характеристики систем зв'язку
Характеристики ліній зв'язку можна поділити на дві групи:
- параметри розповсюдження характеризують процес розповсюдження корисного сигналу в залежності від власних параметрів лінії, наприклад, погонної індуктивності мідного кабелю;
- Параметри впливу описують рівень впливу на корисний сигнал інших сигналів - зовнішніх перешкод, наведень від інших пар провідників у мідному кабелі.
У свою чергу, у кожній із цих груп можна виділити первинні та вторинні параметри. Первинні - характеризують фізичну природу лінії зв'язку: наприклад, погонний активний опір, погону індуктивність, погону ємність і провідність ізоляції мідного кабелю або залежність коефіцієнта заломлення оптичного волокна від відстані від оптичної осі. Вторинні параметри висловлюють певний узагальнений результат процесу поширення сигналу лінії зв'язку і залежить від її природи - наприклад, ступінь ослаблення потужності сигналу під час проходження ним певного відстані вздовж лінії зв'язку, так зване згасання сигналу. Для мідних кабелів не менш важливий і такий вторинний параметр впливу, як ступінь ослаблення перешкод від сусідньої кручений пари.
Вторинні параметри визначаються по відгуку лінії передачі деякі еталонні впливу. Подібний підхід дозволяє досить просто і однотипно визначати характеристики ліній зв'язку будь-якої природи, не вдаючись до складних теоретичних досліджень та побудови аналітичних моделей. Для дослідження реакції ліній зв'язку найчастіше як еталонні використовуються синусоїдальні сигнали різних частот.
СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ СИГНАЛІВ НА ЛІНІЯХ ЗВ'ЯЗКУ
Будь-який періодичний процес можна у вигляді суми синусоїдальних коливань різних частот і різних амплітуд (див. Рисунок 1). Кожну складову синусоїду називають також гармонікою, а набір всіх гармонік – спектральним розкладанням вихідного сигналу. Неперіодичні сигнали можна як інтеграла синусоїдальних сигналів з безперервним спектром частот.
При передачі лінії зв'язку форма сигналу спотворюється внаслідок неоднакової деформації синусоїд різних частот. Якщо це аналоговий сигнал, що передає мову, змінюється тембр голосу внаслідок неточного відтворення обертонів - бічних частот. При передачі імпульсних сигналів, притаманних комп'ютерних мереж, спотворюються низькочастотні і високочастотні гармоніки, у результаті фронти імпульсів втрачають свою прямокутну форму (див. малюнок 2). Тому на приймальному кінці лінії сигнали можуть погано розпізнаватись.
При передачі лінії зв'язку сигнали спотворюються через те, що її фізичні параметри відрізняються від ідеальних. Так, наприклад, мідні дроти завжди є деякою розподіленою по довжині комбінацією активного опору, ємнісного та індуктивного навантаження. В результаті для синусоїд різних частот лінія матиме різний повний опір, а значить, і передаватимуться вони по-різному. Волоконно-оптичний кабель також має відхилення від ідеального середовища для передачі світла – вакууму. Якщо лінія зв'язку включає проміжну апаратуру, то вона може вносити додаткові спотворення.
Не тільки неоднорідність внутрішніх фізичних параметрів лінії зв'язку стає причиною неточних сигналів, свій внесок у спотворення форми сигналів на виході лінії вносять зовнішні перешкоди. Їх створюють різні електричні двигуни, електронні пристрої, атмосферні явища і т. д. Незважаючи на захисні заходи, що вживаються розробниками кабелів та підсилювально-комутувальної апаратури, повністю компенсувати вплив зовнішніх перешкод не вдається. Крім того, у кабелі існують і внутрішні перешкоди – так звані наведення однієї пари провідників на іншу. В результаті сигнали на виході лінії зв'язку зазвичай мають складну форму (як і показано на Рисунку 2), за якою іноді важко зрозуміти, яка дискретна інформація була подана на вхід лінії.
Якість вихідних сигналів (крутість фронтів, загальна форма імпульсів) залежить від якості передавача, що генерує сигнали у лінію зв'язку. Один із найважливіших параметрів передавача - спектральна, тобто. спектральне розкладання сигналів, що генеруються ним. Для генерації якісних прямокутних імпульсів необхідно, щоб спектральна характеристика передавача була якомога вужчою смугою. Наприклад, лазерні діоди мають значно меншу ширину спектра випромінювання (1-2 нм) у порівнянні зі світлодіодами (30-50 нм) при генерації імпульсів, тому частота модуляції лазерних діодів може бути набагато вищою, ніж світлодіодів.
Згасання і хвильовий опір
Ступінь спотворення синусоїдальних сигналів лініями зв'язку оцінюється за допомогою таких характеристик, як згасання та смуга пропускання.
Згасання показує, наскільки зменшується потужність еталонного синусоїдального сигналу на виході лінії зв'язку щодо потужності сигналу на вході цієї лінії. Згасання А зазвичай вимірюється в децибелах (дБ) і обчислюється за такою формулою:
А = 10 lg Р вих / Р вх,
де P вих – потужність сигналу на виході лінії, а Р вх – потужність сигналу на її вході.
За відсутності проміжних підсилювачів потужність вихідного сигналу кабелю завжди менша за потужність вхідного, тому загасання кабелю, як правило, має негативну величину.
Ступінь згасання потужності синусоїдального сигналу при проходженні ним по лінії зв'язку зазвичай залежить від частоти синусоїди, тому повну характеристику дає лише залежність згасання від частоти у всьому діапазоні, що використовується на практиці (Малюнок 3).
 |
| 3. Залежність загасання від частоти. |
Згасання є узагальненою характеристикою лінії зв'язку, оскільки дозволяє судити не про точну форму сигналу, а про його потужність (інтегральну результуючу від форми сигналу). Насправді згасання є важливим атрибутом опису ліній зв'язку: зокрема, у стандартах на кабель цей параметр вважається однією з основних.
Найчастіше в описах параметрів лінії зв'язку наводяться значення згасання лише у кількох точках загальної залежності, у своїй кожна їх відповідає певної частоті, де вимірюється згасання. Окреме значення згасання називають коефіцієнтом згасання. Застосування всього кількох значень замість повної характеристики пов'язане, з одного боку, з прагненням спростити вимірювання при перевірці якості лінії, а з іншого, основна частота сигналу, що передається часто заздалегідь відома - це та частота, гармоніка якої має найбільшу амплітуду і потужність. Тому достатньо знати рівень загасання на даній частоті, щоб приблизно оцінити спотворення сигналів, що передаються по лінії. Точніші оцінки можливі при знанні згасання на різних частотах, що відповідають декільком основним гармонікам сигналу, що передається.
Чим менше загасання, тим вище якість лінії зв'язку або кабелю, яким вона прокладена. Зазвичай згасання визначають для пасивних ділянок лінії зв'язку, що складаються з кабелів та кросових секцій, без підсилювачів та регенераторів. Наприклад, кабель з крученими парами Категорії 5 для внутрішньої проводки в будівлях, що застосовується практично для всіх технологій локальних мереж, характеризується загасанням не нижче -236 дБ для частоти 100 МГц при довжині кабелю 100 м.
Частота 100 МГц обрана тому, що кабель цієї категорії призначений для високошвидкісної передачі даних, сигнали яких мають значні гармоніки з частотою приблизно 100 МГц. Більш якісний кабель Категорії 6 вже має на частоті 100 МГц загасання не нижче -20,6 дБ, тобто потужність сигналу знижується меншою мірою. Часто в документації наводяться абсолютні значення згасання, тобто його знак опускається, так як згасання завжди негативно для пасивного, що не містить підсилювачі та регенератори, ділянки лінії, наприклад безперервного кабелю.
Оптичний кабель відрізняється істотно нижчими (за абсолютною величиною) розмірами згасання, зазвичай у діапазоні від 0,2 до 3 дБ при довжині кабелю в 1000 м. Практично всім оптичним волокнам властива складна залежність загасання від довжини хвилі, з трьома так званими вікнами прозорості ». Характерний приклад показаний на Рисунку 4. Як можна бачити, область ефективного використання сучасних волокон обмежена хвилями довжин 850, 1300 і 1550 нм, при цьому вікно 1550 нм забезпечує найменші втрати, а значить, максимальну дальність при фіксованій потужності передавача і фіксований. Випущений багатомодовий кабель має два перших вікна прозорості, тобто 850 і 1300 нм, а одномодовий кабель - двома вікнами прозорості в діапазонах 1310 і 1550 нм.
Потужність передавача часто характеризується абсолютним рівнем потужності сигналу. Рівень потужності, як і згасання, вимірюється у децибелах. При цьому як базове приймається значення 1 мВт. Таким чином, рівень потужності p обчислюється за такою формулою:
P = 10 lg P/1 мВт [дБм],
де P - потужність сигналу в міліватах, а дБм - одиниця виміру рівня потужності (дБ на 1 мВт).
Важливим вторинним параметром поширення мідної лінії зв'язку є хвильовий опір. Цей параметр є повним (комплексним) опором, який електромагнітна хвиля певної частоти зустрічає при поширенні вздовж однорідного ланцюга. Хвильовий опір вимірюється в Омах і залежить від таких первинних параметрів лінії зв'язку, як активний опір, погонна індуктивність і ємність погону, а також від частоти самого сигналу. Вихідний опір передавача повинен бути узгоджений з хвильовим опором лінії, інакше загасання сигналу буде надмірно великим.
ЗАМЕХОВОСТІЙНІСТЬ
Перешкодостійкість лінії визначає її здатність зменшувати рівень перешкод з боку зовнішнього середовища або провідників кабелю. Вона залежить від типу використовуваного фізичного середовища, від екрануючих та переважних перешкод засобів самої лінії. Найменш стійкими до перешкод є радіолінії, гарною стійкістю володіють кабельні лінії і відмінною - волоконно-оптичні, малочутливі до зовнішнього. електромагнітного випромінювання. Зазвичай зменшення перешкод від зовнішніх електромагнітних полів досягають екранування та/або скручування провідників. Величини, що характеризують стійкість до перешкод, відносяться до параметрів впливу лінії зв'язку.
Первинні параметри впливу мідного кабелю - електричний та магнітний зв'язок. Електричний зв'язок визначається ставленням наведеного струму в ланцюги, схильному до впливу, до напруги, що діє у ланцюгу, що впливає. Магнітний зв'язок - це відношення електрорушійної сили, наведеної в ланцюгу, схильному до впливу, до струму у ланцюгу, що впливає. Результатом електричного та магнітного зв'язку будуть наведені сигнали (наведення) в ланцюги, схильному до впливу. Стійкість кабелю до наведень характеризується кількома різними параметрами.
Перехідне згасання на ближньому кінці (Near End Cross Talk, NEXT) визначає стійкість кабелю в тому випадку, коли наведення утворюється в результаті дії сигналу, що генерується передавачем, підключеним до однієї з сусідніх пар на тому ж кінці кабелю, на якому працює підключений до впливу, що піддається. пари приймач. Показник NEXT, виражений в децибелах, дорівнює 10 lg Pвих/Pнав, де Pвих - потужність вихідного сигналу, Pнав - потужність наведеного сигналу. Що менше значення NEXT, то краще кабель. Так, для крученої пари Категорії 5 показник NEXT повинен бути кращим за -27 дБ на частоті 100 МГц.
Перехідне загасання на далекому кінці (Far End Cross Talk, FEXT) визначає стійкість кабелю до наведень випадку, коли передавач і приймач підключені до різних кінців кабелю. Очевидно, що цей показник повинен бути кращим, ніж NEXT, так як до далекого кінця кабелю сигнал приходить ослаблений внаслідок згасання в кожній парі.
Показники NEXT і FEXT зазвичай використовуються стосовно кабелю, що складається з декількох кручених пар, коли взаємні наведення однієї пари на іншу можуть досягати значних величин. Для одинарного коаксіального кабелю(Тобто що складається з однієї екранованої жили) подібний показник не має сенсу, не застосовується він і для подвійного коаксіального кабелю внаслідок високого ступеня захищеності кожної жили. Оптичні волокна також не створюють скільки-небудь помітних перешкод один одному.
У зв'язку з тим, що в деяких нових технологіях передача даних здійснюється одночасно за декількома витими парами, останнім часом стали застосовуватися сумарні показники (PowerSUM, PS) - PS NEXT і PS FEXT. Вони відбивають стійкість кабелю до сумарної потужності перехресних наведень однією з пар кабелю від решти передавальних пар.
Дуже важливою характеристикою передаючого середовища є показник захищеності кабелю (ACR), що є різницею між рівнями корисного сигналу та перешкод. Чим більше це значення, тим із потенційно вищою швидкістю можна передавати дані по вказаному кабелю.
ДОСТАВНІСТЬ
Достовірність передачі характеризує ймовірність спотворення кожному за переданого біта даних. Іноді цей показник називають інтенсивністю бітових помилок (Bit Error Rate, BER). Величина BER для каналів зв'язку без додаткових засобів захисту від помилок (наприклад, кодів, що самокоректуються або протоколів з повторною передачею спотворених кадрів) становить, як правило, 10-4-10-6, а в волоконно-оптичних лініях зв'язку - 10-9. Значення достовірності передачі даних, наприклад, у 10-4, говорить про те, що в середньому з 10000 біт неправильно інтерпретується значення одного біта.
Бітові помилки відбуваються як через наявність перешкод на лінії, так і через спотворення форми сигналу внаслідок обмеженої смуги пропускання лінії. Тому підвищення достовірності переданих даних потрібно підвищувати ступінь перешкоднозахищеності лінії, знижувати рівень перехресних наведень у кабелі, і навіть використовувати лінії зв'язку з ширшою смугою робочих частот.
СМУГА ПРОПУСКУ
Смуга пропускання – ще одна вторинна характеристика. З одного боку, вона безпосередньо залежить від згасання, з другого - прямо впливає такий найважливіший показник лінії зв'язку, як максимально можлива швидкість передачі.
Смуга пропускання (bandwidth) - це безперервний діапазон частот, котрій згасання вбирається у заздалегідь заданий певний ліміт. Іншими словами, смуга пропускання визначає діапазон частот синусоїдального сигналу, при яких цей сигнал передається по лінії зв'язку без значних спотворень (часто за граничні приймаються частоти, де потужність вихідного сигналу зменшується вдвічі по відношенню до вхідного, що відповідає загасанню -3 дБ) . Як побачимо нижче, ширина смуги пропускання найбільше впливає максимально можливу швидкість передачі з лінії зв'язку.
Таким чином, амплітудно-частотна характеристика, смуга пропускання та згасання є універсальними характеристиками, та їх знання дозволяє зробити висновок про те, як через лінію зв'язку будуть передаватися сигнали будь-якої форми.
ПРОПУСКНА СПРОМОЖНІСТЬ
Пропускна здатність (кількість біт інформації, що передаються в одиницю часу) і достовірність передачі даних (імовірність доставки неспотвореного біта або ймовірність його спотворення) цікавлять розробників комп'ютерної мережінасамперед, оскільки ці характеристики прямо впливають на продуктивність і надійність створюваної мережі.
Пропускна здатність та достовірність передачі даних залежать як від характеристик фізичного середовища, так і від способу передачі даних. Отже, не можна говорити про пропускну здатність лінії зв'язку до визначення протоколу фізичного рівня. Пропускна здатність (throughput) лінії характеризує максимально можливу швидкість передачі по лінії зв'язку. Вона вимірюється в бітах за секунду (біт/c), а також у похідних одиницях - кілобіт за секунду (Кбіт/c), мегабіт за секунду (Мбіт/с), гігабіт за секунду (Гбіт/с) і т.д.
Пропускна здатність ліній зв'язку та комунікаційного мережного обладнання зазвичай вимірюється в бітах за секунду, а не в байтах за секунду. Це з тим, що у мережах передаються послідовно, т. е. побитно, а чи не паралельно, байтами, як це відбувається між пристроями всередині комп'ютера. Такі одиниці виміру, як кілобіт, мегабіт або гігабіт, в мережевих технологіях суворо відповідають ступеням 10 (тобто кілобіт - це 1000 біт, а мегабіт - це 1000000 біт), як це прийнято у всіх галузях науки і техніки, до цих числам ступеням 2, як це прийнято у програмуванні, де приставка «кіло» дорівнює 210 = 1024, а «мега» - 220 = 1048576.
Пропускна здатність лінії зв'язку залежить не тільки від її характеристик, наприклад від згасання і смуги пропускання, але і від спектра сигналів, що передаються. Якщо значущі гармоніки сигналу (тобто гармоніки, амплітуди яких вносять основний внесок у результуючий сигнал) не виходять за смугу пропускання лінії, такий сигнал буде добре передаватися, і приймач зможе правильно розпізнати інформацію, відправлену по лінії передавачем. Якщо ж значні гармоніки виходять за межі смуги пропускання лінії зв'язку, то сигнал буде значно спотворюватися, приймач - помилятися при розпізнаванні інформації, а сама інформація зрештою не зможе передаватися із заданою пропускною здатністю.
СПОСІБ КОДИРУВАННЯ ІНФОРМАЦІЇ
Вибір способу представлення дискретної інформації у вигляді сигналів, що подаються на лінію зв'язку, називається фізичним, або лінійним, кодуванням.
Від обраного способу кодування залежать спектр сигналів та пропускна здатність лінії. Отже, різним способомкодування може відповідати різну пропускну здатність. Наприклад, кручена пара Категорії 3 здатна передавати дані з пропускною здатністю 10 Мбіт/c при способі кодування стандарту фізичного рівня 10BaseT і 33 Мбіт/с при способі кодування стандарту 100BaseT4.
Відповідно до теорії інформації, інформацію несе лише помітне і непередбачуване зміна сигналу, що приймається. Таким чином, прийом синусоїди, у якої амплітуда, фаза і частота залишаються незмінними, інформації не несе, оскільки зміна сигналу хоч і відбувається, але легко передбачувано. Аналогічно, імпульси на тактовій шині комп'ютера не несуть у собі інформації, оскільки зміни постійні у часі. А ось імпульси на шині даних передбачити не можна, тому вони переносять інформацію між окремими блоками або пристроями комп'ютера.
Більшість способів кодування використовує зміну будь-якого параметра періодичного сигналу - частоти, амплітуди та фази синусоїди або знак потенціалу послідовності імпульсів. Періодичний сигнал, параметри якого змінюються, називають несучим сигналом або несучою частотою, якщо як такий сигнал застосовується синусоїда.
Якщо сигнал змінюється так, що розрізняються лише два його стани, то будь-яка його зміна буде відповідати найменшій одиниці інформації – біту. Якщо сигнал може мати більше двох помітних станів, то будь-яка його зміна містить кілька біт інформації.
Кількість змін інформаційного параметра періодичного сигналу, що несе, в секунду вимірюється в бодах (baud). Період часу між сусідніми змінами інформаційного сигналу називається тактом роботи передавача.
Пропускна здатність лінії в бітах на секунду в загальному випадку не співпадає з числом бод. Вона може бути як вище, так і нижче від числа бод, і це співвідношення залежить від способу кодування.
Коли сигнал має більше двох помітних станів, пропускна здатність в бітах в секунду виявиться вище, ніж число бод. Наприклад, якщо інформаційними параметрами є фаза і амплітуда синусоїди (причому розрізняються чотири стани фази - 00, 900, 1800 і 2700 і два значення амплітуди сигналу), то інформаційний сигнал може мати вісім помітних станів. В цьому випадку модем, який працює зі швидкістю 2400 бод (з тактовою частотою 2400 Гц), передає інформацію зі швидкістю 7200 біт/с, тому що при одній зміні сигналу передається три біти інформації.
При використанні сигналів із двома помітними станами можлива зворотна картина. Це часто відбувається тому, що для надійного розпізнавання приймачем інформації користувача кожен біт в послідовності кодується за допомогою декількох змін інформаційного параметра несучого сигналу. Наприклад, при кодуванні одиничного значення біт імпульс позитивної полярності, а нульового значення біт - імпульс негативної полярності фізичний сигнал двічі змінює свій стан при передачі кожного біт. При такому кодуванні пропускна здатність лінії вдвічі нижче, ніж число бод, що передається лінією.
На пропускну здатність лінії впливає як фізичне, а й логічне кодування. Виконується до фізичного кодування, воно має на увазі заміну біт вихідної інформації новою послідовністюбіт, що несе ту ж інформацію, але має, крім цього, додатковими властивостями, зокрема можливістю для приймальної сторони виявляти помилки в прийнятих даних. Супровід кожного байта вихідної інформації одним бітом парності - часто застосовуваний спосіб логічного кодування при передачі даних за допомогою модемів. Іншим прикладом логічного кодування може бути шифрація даних, що забезпечує їх конфіденційність під час передачі через загальнодоступні канали зв'язку. При логічному кодуванні найчастіше вихідна послідовність біт замінюється довшою послідовністю, тому пропускна здатність каналу стосовно корисної інформаціїу своїй зменшується.
Наталія Оліфер – оглядач «Журналу мережевих рішень/LAN». З нею можна зв'язатися на адресу: [email protected]. Віктор Оліфер – головний спеціаліст «Корпорації Юні». З ним можна зв'язатися на адресу:
Структурна схема одноканальної системи зв'язку. Класифікація систем зв'язку
Сукупність технічних засобів та середовища розповсюдження, що забезпечує передачу повідомлень від джерела до одержувача, називається системою електрозв'язку.
При надсиланні повідомлень системою електрозв'язку виконуються такі операції:
Перетворення повідомлення, що надходить від джерела повідомлення (ІС) на первинний сигнал електрозв'язку (надалі просто «первинний сигнал»);
Перетворення первинних сигналів на лінійні сигнали з характеристиками, узгодженими з характеристиками середовища розповсюдження (лінією зв'язку);
Вибір маршруту передачі та комутація;
Передача сигналів за вибраним маршрутом;
Перетворення сигналів на повідомлення.
Узагальнена структурна схемасистеми
електрозв'язку
ІС - джерело повідомлення (інформації);
ПР 1 (ПР -1) – перетворювач (зворотний перетворювач) повідомлення первинний сигнал;
СК - станція комутації, що представляє сукупність комутаційної та керуючої апаратури, що забезпечує встановлення різного видуз'єднань (місцеві, міжміські, міжнародні, вхідні, вихідні та транзитні)
ОС 1 (ОС -1) - обладнання сполучення, що здійснює пряме (зворотне) перетворення первинних сигналів лінійні сигнали (вторинні сигнали).
Каналом електрозв'язкуназивається комплекс технічних засобів, що забезпечує передачу повідомлень між його джерелом та одержувачем.
Каналом передачіназивається комплекс технічних засобів та середовища поширення, що забезпечує передачу первинного сигналу електрозв'язку у певній смузі частот.
Системою передачіназивається комплекс технічних засобів та середовища поширення, що забезпечує передачу первинного сигналу у певній смузі частот або з певною швидкістю передачі між комутаційними станціями.
Основні характеристики систем зв'язку
Оцінюючи роботи системи зв'язку необхідно, передусім, врахувати, яку точність передачі повідомленнязабезпечує система та з якої швидкістюпередається інформація. Перше визначає якістьпередачі, друге – кількість.
Перешкодостійкість прийому повідомленьхарактеризує ступінь відповідності переданого та прийнятого повідомлення, виражену певною кількісною мірою. Перешкодостійкістю, називається здатність системи протистояти шкідливій дії перешкод Перешкодостійкість оцінюєтьсяза вірністю прийому повідомлень при заданому відношенні сигнал/перешкода (ОСП) і залежить як від властивостей сигналів, що передаються, так і від способу прийому. Вірністьприйому визначається ступенем подібності прийнятого та переданого повідомлень.
Якщо повідомлення описується безперервною функцією a(t), то відхилення ε (t) прийнятого повідомлення ậ(t)від переданого а(t) має безперервний характер:
(1.2.1)
і як міра відмінності часто використовується середньоквадратичне відхилення(СКО):
, (1.2.2)
де риса зверху позначає усереднення за безліччю реалізацій.
Швидкістю передачі інформації Rназивається середня кількість інформації I, що передається в цій системі в одиницю часу:
R[дв. од./сек.] = I/T, (1.2.4)
де Т- Тривалість передачі інформації.
Своєчасністьпередачі повідомлень визначається допустимою затримкою,обумовленої перетворенням повідомлень та сигналів, а також кінцевим часом поширення сигналу каналом зв'язку.
4 Основні параметри сигналів та каналів зв'язку. Необхідна умова неспотвореної передачі сигналів
Канал зв'язку характеризується як і, як і сигнал, трьома основними параметрами:
- часом T до, протягом якого можлива передача по каналу;
- динамічним діапазоном D до(відношення допустимої потужності сигналу, що передається до потужності перешкоди, виражене в децибелах);
- смугою пропускання каналу F.
Узагальненою характеристикоюканалу є його ємність (обсяг):
(1.5.1)
Необхідною умовою неспотвореної передачі каналом сигналів з об'ємом є:
У найпростішому разі сигнал узгодять з каналом за всіма трьома параметрами, тобто. домагаються виконання умов:
Нерівність (1.5.2) може виконуватись і тоді, коли одна або дві з нерівностей (1.5.3) не виконані. Це означає, що можна проводити "обмін" тривалості на ширину спектра або ширину спектра динамічний діапазон і т.д.
Поряд із наведеними вище основними параметрами каналу його частотні властивості характеризуються частотним коефіцієнтом передачі, а тимчасові – імпульсною характеристикою h до (t,τ). З п. 1.2.5 випливає, що ці характеристики дозволяють описати перетворення вхідних сигналів у часовій або частотній області, які здійснюються як каналом в цілому, так і окремими елементами.
Державний іспит
(State examination)
Запитання №3 «Канали зв'язку. Класифікація каналів зв'язку. Параметри каналів зв'язку. Умова передачі сигналу каналом зв'язку».
(Пляскін)
Канал зв'язку. 3
Класифікація. 5
Характеристики (параметри) каналів зв'язку. 10
Умова передачі сигналів каналами зв'язку. 13
Література. 14
Канал зв'язку
Канал зв'язку- система технічних засобів і середовище поширення сигналів передачі повідомлень (як даних) від джерела до одержувачу (і навпаки). Канал зв'язку, що розуміється у вузькому значенні ( тракт зв'язку), представляє лише фізичне середовище поширення сигналів, наприклад, фізичну лінію зв'язку.
Канал зв'язку призначений передачі сигналів між віддаленими пристроями. Сигнали несуть інформацію, призначену представлення користувачеві (людині), або використання прикладними програмами ЕОМ.
Канал зв'язку включає такі компоненти:
1) передавальний пристрій;
2) приймальний пристрій;
3) середовище передачі різної фізичної природи (рис.1).
Формований передавачем сигнал, що несе інформацію, після проходження через середовище передачі надходить на вхід приймального пристрою. Далі інформація виділяється із сигналу та передається споживачеві. Фізична природа сигналу вибирається таким чином, щоб він міг поширюватися через середовище передачі з мінімальним ослабленням та спотвореннями. Сигнал необхідний як переносник інформації, сам він інформації не несе.
Рис.1. Каналу зв'язку (варіант №1)
Рис.2 Канал зв'язку (варіант №2)
Тобто. це (канал) - технічний пристрій(техніка + середовище).
Класифікація
Класифікацій буде наведено рівно три типи. Вибирайте на смак та колір:
Класифікація №1:
Існує безліч видів каналів зв'язку, серед яких найчастіше виділяють канали провіднийзв'язку ( повітряні, кабельні, світловодніта ін) та канали радіозв'язку (тропосферні, супутниковіта ін.). Такі канали у свою чергу прийнято кваліфікувати на основі характеристик вхідного та вихідного сигналів, а також зміни характеристик сигналів залежно від таких явищ, що відбуваються в каналі, як завмирання і згасання сигналів.
За типом середовища поширення канали зв'язку поділяються на:
Провідні;
Акустичні;
Оптичні;
Інфрачервоні;
Радіоканали.
Канали зв'язку також класифікують на:
· безперервні (на вході та виході каналу – безперервні сигнали),
· дискретні або цифрові (на вході та виході каналу – дискретні сигнали),
· безперервно-дискретні (на вході каналу-безперервні сигнали, а на виході-дискретні сигнали),
· дискретно-безперервні (на вході каналу-дискретні сигнали, а на виході-безперервні сигнали).
Канали можуть бути як лінійнимиі нелінійними, тимчасовимиі просторово-часовими.
Можлива класифікація каналів зв'язку по діапазону частот .
Системи передачі бувають одноканальніі багатоканальні. Тип системи визначається каналом зв'язку. Якщо система зв'язку побудована на однотипних каналах зв'язку, її назва визначається типовою назвою каналів. Інакше використовується деталізація класифікаційних ознак.
Класифікація №2 (детальніше):
1. Класифікація за діапазоном використовуваних частот
Ø Кілометрові (ДВ) 1-10 км, 30-300 кГц;
Ø Гектометрові (СВ) 100-1000 м, 300-3000 кГц;
Ø Декаметрові (КВ) 10-100 м, 3-30 МГц;
Ø Метрові (МВ) 1-10 м, 30-300 МГц;
Ø Дециметрові (ДМВ) 10-100 см, 300-3000 МГц;
Ø Сантиметрові (СМВ) 1-10 см, 3-30 ГГц;
Ø Міліметрові (ММВ) 1-10 мм, 30-300 ГГц;
Ø Децимілімітрові (ДММВ) 0,1-1 мм, 300-3000 ГГц.
2. За спрямованістю ліній зв'язку
- спрямовані (використовуються різні провідники):
Ø коаксіальні,
Ø кручені пари на основі мідних провідників,
Ø волоконно-оптичні.
- ненаправлені (радіолінії);
Ø прямої видимості;
Ø тропосферні;
Ø іоносферні
Ø космічні;
Ø радіорелейні (ретрансляція на дециметрових та більш коротких радіохвилях).
3. По виду повідомлень, що передаються:
Ø телеграфні;
Ø телефонні;
Ø передачі даних;
Ø факсимільні.
4. З вигляду сигналів:
Ø аналогові;
Ø цифрові;
Ø імпульсні.
5. По виду модуляції (маніпуляції)
- В аналогових системах зв'язку:
Ø з амплітудною модуляцією;
Ø з односмуговою модуляцією;
Ø із частотною модуляцією.
- В цифрових системахзв'язку:
Ø з амплітудною маніпуляцією;
Ø із частотною маніпуляцією;
Ø з фазовою маніпуляцією;
Ø із відносною фазовою маніпуляцією;
Ø з тональною маніпуляцією (поодинокі елементи маніпулюють коливанням, що піднесуть (тоном), після чого здійснюється маніпуляція на більш високій частоті).
6. За значенням бази радіосигналу
Ø широкосмугові (B>> 1);
Ø вузькосмугові (B»1).
7. За кількістю повідомлень, що одночасно передаються
Ø одноканальні;
Ø багатоканальні (частотний, тимчасовий, кодовий поділ каналів);
8. У напрямку обміну повідомлень
Ø односторонні;
Ø
двосторонні.
9. По порядку обміну повідомлення
Ø симплексний зв'язок- двосторонній радіозв'язок, при якому передача та прийом кожної радіостанції здійснюється по черзі;
Ø дуплексний зв'язок- передача та прийом здійснюється одночасно (найбільш оперативна);
Ø напівдуплексний зв'язок- відноситься до симплексної, в якій передбачається автоматичний перехід з передачі на прийом та можливість перепиту кореспондента.
10. За способами захисту інформації, що передається
Ø відкритий зв'язок;
Ø закритий зв'язок (засекречений).
11. За ступенем автоматизації обміну інформацією
Ø неавтоматизовані - управління радіостанцією та обмін повідомленнями виконується оператором;
Ø автоматизовані - вручну здійснюється лише введення інформації;
Ø автоматичні - процес обміну повідомленнями виконується між автоматичним пристроєм та ЕОМ без участі оператора.
Класифікація №3 (щось може повторюватися):
1. По призначенню
Телефонні
Телеграфні
Телевізійні
Радіомовні
2. У напрямку передачі
Симплексні (передача лише в одному напрямку)
Напівдуплексні (передача по черзі в обох напрямках)
Дуплексні (передача одночасно в обох напрямках)
3. За характером лінії зв'язку
Механічні
Гідравлічні
Акустичні
Електричні (провідні)
Радіо (бездротові)
Оптичні
4. За характером сигналів на вході та виході каналу зв'язку
Аналогові (безперервні)
Дискретні за часом
Дискретні за рівнем сигналу
Цифрові (дискретні та за часом та за рівнем)
5. За кількістю каналів однією лінію зв'язку
Одноканальні
Багатоканальні
І ще малюнок сюди:
Рис.3. Класифікація ліній зв'язку.
Характеристики (параметри) каналів зв'язку
1. Передатна функція каналу: представляється у вигляді амплітудно-частотної характеристики (АЧХ)іпоказує, як згасає амплітуда синусоїди на виході каналу зв'язку в порівнянні з амплітудою на її вході для всіх можливих частот сигналу, що передається. Нормована амплітудно-частотна характеристика каналу показано на рис.4. Знання амплітудно-частотної характеристики реального каналу дозволяє визначити форму вихідного сигналу для будь-якого вхідного сигналу. Для цього необхідно знайти спектр вхідного сигналу, перетворити амплітуду складових гармонік відповідно до амплітудно-частотної характеристикою, а потім знайти форму вихідного сигналу, склавши перетворені гармоніки. Для експериментальної перевірки амплітудно-частотної характеристики потрібно провести тестування каналу еталонними (рівними по амплітуді) синусоїдами по всьому діапазону частот від нуля до деякого максимального значення, що може зустрітися у вхідних сигналах Причому міняти частоту вхідних синусоїд потрібно з невеликим кроком, а значить кількість експериментів має бути більшою.
- Відношення спектра вихідного сигналу до вхідного
- смуга пропуску
Рис.4 Нормована амплітудно-частотна характеристика каналу
2. Смуга пропуску: є похідною характеристикою АЧХ. Вона є безперервним діапазоном частот, для яких відношення амплітуди вихідного сигналу до вхідного перевищує деякий заздалегідь заданий межа, тобто смуга пропускання визначає діапазон частот сигналу, при яких цей сигнал передається по каналу зв'язку без значних спотворень. Зазвичай смуга пропускання відраховується лише на рівні 0,7 від максимального значення АЧХ. Ширина смуги пропускання найбільше впливає на максимально можливу швидкість передачі інформації по каналу зв'язку.
3. Згасання: визначається як відносне зменшення амплітуди або потужності сигналу під час передачі каналом сигналу певної частоти. Часто при експлуатації каналу заздалегідь відома основна частота сигналу, що передається, тобто та частота, гармоніка якої має найбільшу амплітуду і потужність. Тому достатньо знати загасання на цій частоті, щоб приблизно оцінити спотворення сигналів, що передаються по каналу. Точніші оцінки можливі при знанні згасання на декількох частотах, що відповідають декільком основним гармонікам сигналу, що передається.
Згасання зазвичай вимірюється в децибелах (дБ) і обчислюється за такою формулою: 
, де
Потужність сигналу на виході каналу
Потужність сигналу на вході каналу.
Згасання завжди розраховується для певної частоти та співвідноситься з довжиною каналу. Насправді завжди користуються поняттям " погонне згасання " , тобто. загасання сигналу на одиницю довжини каналу, наприклад, загасання 0.1 дБ/метр.
4. Швидкість передачі: характеризує кількість біт, що передаються каналом в одиницю часу. Вона вимірюється в бітах за секунду - біт/с, а також похідних одиницях: Кбіт/c, Мбіт/c, Гбіт/с. Швидкість передачі залежить від ширини смуги пропускання каналу, рівня шумів, виду кодування та модуляції.
5. Перешкодостійкість каналу: характеризує його здатність забезпечувати передачу сигналів за умов перешкод. Перешкоди прийнято ділити на внутрішні(являє собою теплові шуми апаратури) та зовнішні(вони різноманітні та залежать від середовища передачі). Перешкодостійкість каналу залежить від апаратних та алгоритмічних рішень з обробки прийнятого сигналу, які закладені в приймально-передавальний пристрій. Перешкодостійкістьпередачі сигналів через канал може бути підвищеназа рахунок кодування та спеціальної обробкисигналу.
6. Динамічний діапазон : логарифм відношення максимальної потужності сигналів, що пропускаються каналом, до мінімальної
7. Перешкодозахищеність: це схибленість, тобто. схибленість.
2. СИСТЕМИ ЗВ'ЯЗКУ ТА ЇХ ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
2.1. Основні поняття та визначення
Об'єктом передачі у будь-якій системі зв'язку є повідомлення, яке несе будь-яку інформацію.
У системах передачі повідомлень змістове поняття інформації та повідомлення є дуже близькими.
У загальному випадку під інформацією розуміють сукупність відомостей про будь-які події, явища або предмети. Для передачі або зберігання інформації використовуються різні знаки (символи), що дозволяють висловити (подати) інформацію в деякій формі. Це можуть бути літери, цифри, жести та малюнки, математичні чи музичні символи, слова та фрази людської мови, Різні реалізації форм електричних коливань і т.д.
Під повідомленням розуміється форма представлення інформації. Інакше висловлюючись, повідомлення – те, що підлягає передачі. Безліч можливих повідомленьз їх ймовірнісними характеристиками називається ансамблем повідомлень.Вибір повідомлень із ансамблю здійснює джерело повідомлень. Процес вибору є випадковим; заздалегідь не відомо, яке повідомлення надсилатиметься. Розрізняють дискретні та безперервні повідомлення.
Дискретні повідомлення формуються внаслідок послідовної видачі джерелом окремих елементів – знаків. Багато різних знаків називають алфавітом джерела повідомлень, А число знаків - обсягом алфавіту.Зокрема, знаками можуть бути літери природного або штучної мови, що задовольняють певним правилам взаємозв'язку
Повідомлення, призначені для обробки в комп'ютерних інформаційних системах, прийнято називати даними.
Повідомлення є послідовністю станів джерела інформації,що розгортається в часі. Залежно від того, чи є безліч станів джерела інформації рахунковим, кінцевим (з потужністю алфавіту М) або таким, що приймає свої стани з деякого континууму можливих значень, джерела ділять на
дискретні та безперервні (Аналогові). Піддискретним джерелом інформації розуміють деякий об'єкт, який у певні моменти часу приймає одне зМ станів дискретної множини. Безперервне джерело в кожний момент часу може приймати одне з нескінченної множини своїх станів. Відповідно вводиться поняття джерела повідомлень, у своїй всі можливі джерела можна розділити на дискретні і безперервні.
Для передачі повідомлення на відстань потрібна наявність якогось переносника, матеріального носія. Як такі застосовуються статичні чи динамічні кошти, фізичні процеси. Фізичний
процес, що використовується як переносник повідомлення і відображає повідомлення, що передається, називається сигналом.
Відображення повідомлення забезпечується зміною будь-якої фізичної величинихарактеризує процес. Ця величина є
інформаційним параметром сигналу
Сигнали, як і повідомлення, можуть бути безперервними та дискретними. Інформаційний параметр безперервного сигналу з часом може набувати будь-яких миттєвих значень у певних межах. Безперервний сигнал часто називають аналоговим. Дискретний сигнал характеризується кінцевою кількістю значень інформаційного параметра. Часто цей параметр набуває всього два значення.
У системах електрозв'язку як переносник, що використовується для передачі повідомлень на відстань, застосовують електричні сигнали, оскільки вони мають найбільшу швидкість поширення (наближається до швидкості світла у вакуумі – 3108 м/с).
Як сигнал можна використовувати будь-який фізичний процес, що змінюється відповідно до повідомлення, що передається. Істотно те, що сигналом не сам фізичний процес, а зміна окремих параметрів цього процесу. Зазначені зміни визначаються повідомленням, яке несе цей сигнал.
У багатьох випадках сигнал відображає часові процеси, що відбуваються в деякій системі. Тому описом конкретного сигналу може бути певна функція часу. Визначивши так чи інакше цю функцію, ми визначаємо сигнал. Однак такий повний опис сигналу не завжди потрібний. Для вирішення низки завдань досить більш загального опису у вигляді кількох узагальнених параметрів, що характеризують основні властивості сигналу, подібно до того, як це робиться в системах транспортування.
Техніка передачі є, по суті, техніка транспортування (передачі) сигналів каналами зв'язку. Тому доцільно визначити параметри сигналу, які є основними з погляду його передачі. Такими параметрами є тривалість сигналу, динамічний діапазон та ширина спектра.
Будь-який сигнал, який розглядається як тимчасовий процес, має початок і кінець. Тому тривалість сигналу Тє природним параметром, що визначає інтервал часу, в межах якого сигнал існує.
Характеристиками сигналу всередині інтервалу його існування є динамічний діапазон та швидкість зміни сигналу.
Динамічний діапазонвизначається як відношення найбільшої миттєвої потужності сигналу до найменшої:
Ä =10 lg P c max (дБ).
P cmin
Динамічний діапазон промови диктора дорівнює 25 ÷ 30 дБ, вокального
ансамблю – 45 ÷ 55 дБ, симфонічного оркестру – 65 ÷ 75 дБ.
В реальні умови завжди мають місце перешкоди. Для задовільної передачі потрібно, щоб найменша потужність сигналу перевищувала потужність перешкод. Ставлення сигналу до перешкод характеризує відносний рівень сигналу. Зазвичай визначається логарифм цього відношення, який називається перевищенням сигналу над перешкодою. Це перевищення і приймається як другий параметр сигналу. Третім параметром єширина діапазону сигналу F.Ця величина дає уявлення про швидкість зміни сигналу всередині інтервалу його існування. Спектр сигналу може сягати в межах дуже великої смуги частот. Однак для більшості сигналів можна вказати смугу частот, у межах якої зосереджено його основну енергію. Цією смугою визначається ширина спектра сигналу.
В техніки зв'язку спектр сигналу часто свідомо обмежується. Це зумовлено тим, що апаратура і лінія зв'язку мають обмежену смугу частот, що пропускаються. Обмеження спектра здійснюється виходячи з допустимих спотворень сигналу. Наприклад, при телефонному зв'язку потрібно виконати дві умови: щоб мова була перебірливою і кореспонденти могли впізнати один одного за голосом. Для цих умов спектр мовного сигналу можна обмежити смугою від 300 до 3400 Гц. Передача ширшого спектра мови у разі недоцільна, оскільки це веде до технічних ускладнень і збільшення витрат.
Більш загальною фізичною характеристикою сигналу є обсяг сигналу:
Якщо ? 1, то сигнали називають вузькосмуговими (простими). Якщо ν >> 1, то широкосмуговими (складними).
У природних умовах сигнали, створювані і прийняті живими істотами, поширюються серед їх проживання. Це середовище можна назвати каналом передачі повідомлень.Відзначимо відразу, що навіть
в такий найпростішою системіпередачі типовим є у каналі перешкод, тобто. сигналів, створюваних сторонніми джерелами. З виникненням потреби у швидкій передачі повідомлень великі відстані у людини виникла потреба у застосуванні різних пристосувань («технічних засобів»). В сучасних системахпередачі
в Як фізичні носії інформації використовують електричні струми або напруги, а також електромагнітні коливання.
При передачі повідомлень виникає необхідність використання таких технічних засобів, як датчиків - перетворювачів різних
фізичних процесів в низькочастотні електричні струми первинними сигналами(наприклад, мікрофон, відікон); пристроїв кодування дискретних повідомлень, використовуваних як з метою узгодження потужності алфавіту джерела М та числа використовуваних каналі передачі кодових символів, так і з метою забезпечення високої надійності передачі; пристроїв модуляції високочастотних переносників сигналів первинними сигналами. Оскільки одержувач сприймає повідомлення, як правило, у тій формі, яка представляється на виході вихідного джерела, в системі передачі виявляються необхідні такі технічні засоби, як демодулятор, декодер, які здійснюють зворотне перетворення високочастотних сигналів в аналоги первинних, низькочастотних сигналів аналоги вихідних повідомлень ( наприклад, за допомогою динаміка, кінескопа тощо).
2.2. Системи зв'язку
Сукупність технічних засобів (апаратно-програмних) та середовища поширення, необхідних передачі повідомлення від джерела до одержувача, називають системою зв'язку. У функціональних схемах та їх реалізаціях такі вузли, як кодер та модулятор, об'єднують у передавальному пристрої; аналогічно демодулятор і декодер поєднуються в єдиному пристрої - приймачі. Типова функціональна схема, куди входять основні вузли системи зв'язку, представлено рис. 1.2. Вказана тут лінія зв'язку, у багатьох випадках ототожнювана з каналом передачі, призначена передачі сигналів з мінімально можливою втратою їх інтенсивності від передавача до приймача. У системах електричного зв'язку, лінія зв'язку, зокрема, це пара проводів, кабель або хвилевод, у системах радіозв'язку – область простору, у якій поширюються електромагнітні хвилі від передавача до приймача.
У лінії зв'язку локалізована неминуче присутня в системі зв'язку перешкода w (t ), що призводить до випадкового непередбачуваного спотворення форми сигналу, що передається.
Мал. 2.1. Узагальнена структурна схема системи електрозв'язку
Приймач обробляє прийнятий сигнал x (t), спотворений перешкодою, і відновлює по ньому передане повідомлення u(t). Зазвичай у приймачі виконуються операції, обернені до тих, які були здійснені в передавачі.
Каналом зв'язку прийнято називати сукупність технічних засобів, що служать передачі повідомлення від джерела до споживача. Цими засобами є передавач, лінія зв'язку та приймач.
Канал зв'язку разом із джерелом та споживачем утворюють систему передачі та обробки інформації. Розрізняють системи передачі дискретних повідомлень(наприклад, система телеграфного зв'язку) та системи передачі безперервних повідомлень(Системи радіомовлення, телебачення, телефонії тощо). Існують також системи зв'язку змішаного типу, у яких безперервні повідомлення передаються дискретними сигналами. До таких систем відносяться, наприклад, системи імпульсно-кодової модуляції.
При передачі повідомлень в один бік від відправника до одержувача, або від точки до точки використовується двоточковий односторонній канал зв'язку. Якщо джерело та одержувач по черзі змінюються місцями, то для обміну сигналами необхідно використовувати почерговий двосторонній канал зв'язку, що дозволяє передачу як в одну, так і в протилежну сторону (напівдуплексний режим). Більші можливості для обміну надає одночасний двосторонній канал зв'язку, що забезпечує одночасну передачу сигналів протилежних напрямках(Дуплексний режим).
Система зв'язку називається багатоканальною, якщо вона забезпечує взаємонезалежну передачу кількох повідомлень по одному загальному каналу зв'язку.
При необхідності обміну повідомленнями між багатьма відправниками та одержувачами, які називаються користувачами або абонентами, потрібне створення систем передачі повідомлень (УПС) з великою кількістю каналів зв'язку. Це призводить до концепції системи передачі розподілу повідомлень (СПРС), тобто. системи зв'язку у сенсі. Таку систему зазвичай називають мережею зв'язку (електрозв'язку), мережею передачі або мережею передачі повідомлень. Прикладом СПРС є повна мережа (рис. 1.1), де кінцеві пункти (ВП) підключені один до одного за принципом «кожний з кожним».
Рис.2.2. Повнозв'язкова мережа передачі інформації
Дана мережа є некоммутируемой, і зв'язок між абонентами здійснюється по постійно закріпленим каналам. Розподіл інформації в таких мережах забезпечується спеціальними методами доступу або процедурами управління передачею інформації, що служать для повідомлення про те, які абоненти здійснюватимуть обмін повідомленнями. При збільшенні числа абонентів у багатоточковій мережі значно зростають затримки передачі інформації, а повнозв'язних мережах істотно збільшується кількість ліній зв'язку й обсяг апаратури. Вирішення цих проблем пов'язане з використанням комутованих мереж СПРС, де абоненти зв'язуються між собою не безпосередньо, а через один або кілька вузлів комутації (КК).
Таким чином, комутована СПРС являє собою сукупність ВП, вузлів комутації та ліній зв'язку, що їх з'єднують.
Основне завдання сучасних СПРС – забезпечення широкого кола користувачів (людей або організацій) різноманітними інформаційними послугами, до яких входить насамперед ефективна доставка повідомлень з одного пункту до іншого, що відповідає вимогам щодо швидкості, вірності, часу затримки, надійності та вартості.
Статистичні характеристики потоку викликів вивчаються методами теорії масового обслуговування, зокрема теорії телетрафіку.Ця теорія дозволяє встановити вимоги до пристроїв комутації та кількості ліній, за яких гарантується задовільна якість зв'язку при заданому відсотку відмов або часу очікування.
Так, наприклад, навантаження телефонної мережі залежить від кількості, часу виникнення та тривалості телефонних розмов.
Під інтенсивністю навантаження розуміється математичне очікування навантаження, що надходить, віднесене до одиниці часу (в телефонії - 1 година).
За одиницю вимірювання інтенсивності навантаження приймається Ерланг (1 година заняття). Протягом доби навантаження змінюється, годину найбільшого навантаження називають ЧПН. Кожен абонент у середньому дає навантаження в інтервалі 0,06.
0,15 Ерл. За цими значеннями розраховується телефонна мережа та її комутаційні системи.
Джерелом інформації у системі зв'язку (див. рис. 2.1) є відправник повідомлення, а споживачем – її одержувач. У одних системах передачі джерелом і споживачем інформації то, можливо людина, а інших - різноманітних автоматичні пристрої, комп'ютери тощо.
Перетворення повідомлення на сигнал включає три операції:
– перетворення з неелектричної форми на електричну;
– первинне кодування;
– перетворення з метою узгодження параметрів сигналу з параметрами каналу зв'язку.
Ці три операції може бути незалежними чи сполученими.
У першому етапі повідомлення з допомогою датчиків перетворюється на електричну величину – первинний сигнал.
Основними первинними сигналами електрозв'язку є: телефонний (мовленнєвий), звукового мовлення, факсимільний, телевізійний, телеграфний, передачі (наприклад, введення тексту з клавіатури).
Для того щоб прийняте повідомлення найбільш точно відповідало переданому, доцільно здійснювати передачу сигналів у дискретній формі. Аналогові сигналиперетворюються на дискретні у процесі квантування, у якому безперервна область значень сигналу підрозділяється на дискретні області отже всі значення сигналу, які у одну з цих областей, замінюються одним дискретним значенням. Квантування при цьому проходить не лише за якимось параметром сигналу, наприклад, амплітудою, але ще й за часом.
Другий етап перетворення повідомлення на сигнал – кодування – полягає у перетворенні букв, чисел, знаків у певні поєднання елементарних дискретних символів, званих кодовими комбінаціями чи словами. Правило цього перетворення називається кодом. Метою кодування, як правило, є узгодження джерела повідомлень з каналами зв'язку, що забезпечує максимально можливу швидкість передачі інформації, або задану перешкодостійкість. Узгодження здійснюється з урахуванням статистичних властивостей джерела повідомлень та характеру впливу на перешкоди.
На третьому етапі здійснюється перетворення первинних сигналів u (t ) на сигнали, зручні для передачі по лінії зв'язку (за формою, потужністю, частотою і т. д. Ці операції виконуються в передавачі. У найпростішому випадку передавач може містити підсилювач первинних сигналів або тільки фільтр , що обмежує смугу частот, що передаються У більшості випадків передавач – генератор переносника (несучої) і модулятор Процес модуляції полягає в керуванні параметрами переносника первинним сигналом u (t ) На виході передавача отримуємо модульований сигнал s (u, t ).
Система передачі інформації називається багатоканальною, якщо вона забезпечує взаємонезалежну передачу кількох повідомлень по одному загальному каналу зв'язку.
Канал зв'язку можна охарактеризувати так само, як і сигнал, трьома параметрами: часом, протягом якого каналом ведеться передача, динамічним діапазономта смугою пропускання каналу. Для неспотвореної передачі сигналів ємність каналу V k повинна бути не меншою за обсяг сигналу.
Спільними ознаками різних каналів є такі. По-перше, більшість каналів можна вважати лінійними. У таких каналах вихідний сигнал є просто сумою вхідних сигналів (принцип суперпозиції). По-друге, на виході каналу, навіть за відсутності корисного сигналу, завжди є перешкоди. По-третє, сигнал при передачі каналом зазнає затримки за часом і загасання за рівнем. І, нарешті, у реальних каналах завжди є спотворення сигналу, зумовлені недосконалістю каналу.
Сигнал на виході каналу можна записати у такому вигляді:
x (t ) = s (t − τ ) + w (t ),
де s (t) - Сигнал на вході каналу; w (t) - перешкода; µ та τ – величини, що характеризують згасання та час затримки сигналу.
2.3. Основні показники якості функціонування системи зв'язку
Виходячи з призначення будь-якої системи електрозв'язку – передача інформації від джерела до споживача – можна оцінити роботу системи за двома показниками: якістю та кількістю переданої інформації. Ці показники нерозривно пов'язані між собою.
Якість інформації, що передається прийнято оцінювати достовірністю (вірністю) передачі повідомлень. Кількісно достовірність характеризується ступенем відповідності прийнятого повідомлення переданому. Зниження достовірності в каналі зв'язку відбувається через вплив перешкод і спотворень. Але оскільки спотворення в каналі в принципі можна компенсувати і в правильно спроектованих каналах вони досить малі, то головною причиною зменшення достовірності є перешкоди. Таким чином, вірність передачі повідомлень найтіснішим чином пов'язана з завадостійкістюсистеми, тобто. її здатністю протистояти заважає впливу сторонніх сигналів. Система є тим більш завадостійкою, чим більш високу вірність передачі вона забезпечує при заданих характеристиках впливів, що заважають, і певної потужностіпереданих сигналів, що відображають стан джерела. Кількісну міру достовірності вибирають по-різному в залежності від характеру повідомлення.
Якщо повідомлення є дискретною послідовністю елементів з деякої кінцевої множини, вплив перешкоди проявляється в тому, що замість фактично переданого елемента може бути прийнятий будь-якої іншої. Така подія називається помилкою. Як кількісна міра достовірності можна прийняти ймовірність помилки p або будь-яку зростаючу функцію цієї ймовірності.
Непрямою мірою якості може бути оцінка ступеня спотворення форми прийнятих стандартних сигналів (крайові спотворення, дроблення, флуктуації фронтів тощо. буд.). Ці перекручування також нормуються для дискретних каналів. Є прості співвідношення для перерахунку спотворень форми сигналу на ймовірність помилки.
При передачі безперервних повідомлень ступенем відповідності прийнятого повідомлення v (t ) переданому u (t ) може бути деяка величина ε , що є відхилення v від u. Часто приймається критерій квадратичного відхилення, що виражається співвідношенням:
ε 2 = 1 T ∫ [v(t) − u(t)] 2 dt. T 0
Середньоквадратичне відхилення ε 2 враховує вплив на прийняте повідомлення ν (t ) як перешкод, і всіляких спотворень (лінійних, нелінійних).
Достовірність передачі залежить від відношення потужностей сигнал/перешкода. Чим більше це ставлення, тим менша ймовірність помилки (більше достовірність).
При даній інтенсивності перешкоди ймовірність помилки тим менша, чим сильніше розрізняються між собою сигнали, що відповідають різним елементам повідомлення. Завдання полягає в тому, щоб вибрати для передачі сигнали з великою відмінністю.
Достовірність залежить від способу прийому. Потрібно вибрати такий спосіб прийому, який найкраще реалізує різницю між сигналами при цьому відношенні сигналу до перешкоди. Правильно сконструйований приймач може збільшити ставлення сигналу до перешкод і до того ж дуже значно.
Непряма оцінка якості передачі безперервних повідомлень наводиться за характеристиками каналів (частотним, амплітудним, фазовим, рівнем перешкод тощо), за деякими параметрами сигналів та перешкод (коефіцієнт спотворень, відношення сигнал – перешкода тощо), суб'єктивного сприйняття повідомлень. Якість телефонного зв'язку, наприклад, можна оцінювати за розбірливістю мови.
Є суттєва різниця між системами передачі дискретних та безперервних повідомлень. У аналогових системах всяке, навіть скільки завгодно мале заважає вплив на сигнал, що викликає спотворення модулируемого параметра, завжди тягне у себе внесення відповідної помилки повідомлення. У системах передачі дискретних повідомлень помилка виникає лише тоді, коли сигнал відтворюється (розпізнається) неправильно, але це відбувається лише за порівняно великих спотвореннях.
Теоретично перешкодостійкості, розробленої В.А. Котельниковим, показується, що з заданому методі кодування і модуляції існує гранична (потенційна) завадостійкість, що у реальному приймачі може бути досягнуто, але може бути перевищена. Приймальний пристрій, що реалізує потенційну стійкість до перешкод, називається оптимальним приймачем.
Поряд з достовірністю (перешкодою) найважливішим показником роботи системи зв'язку є швидкість передачі.У системах передачі дискретних повідомлень швидкість вимірюється числом двійкових символів, що передаються в секунду R. Для одного каналу швидкість передачі визначається співвідношенням
R = 1 log 2 m,
де Т - Тривалість елементарної посилки сигналу; m – основа коду. При m = 2 маємо R = 1/T = v, Бод.
Максимально можливу швидкість передачі R макс прийнято називати
пропускною спроможністю системи. Пропускну здатність системи передачі аналогових повідомлень оцінюють кількістю телефонних розмов, що передаються, радіомовних або телевізійних програм і т.п.
Пропускну здатність системи R макс не слід плутати з
пропускною здатністю каналу зв'язку C (Див. гл. 4). Пропускна здатність системи зв'язку – поняття технічне, що характеризує устаткування, тоді як пропускна здатність каналу визначає потенційні можливості каналу з передачі інформації. У реальних системах швидкість передачі R завжди менше пропускної спроможності каналуЗ. У теорії інформації доводиться, що за R ≤ C можна знайти такі способи передачі та відповідні їм способи прийому, при яких достовірність передачі може бути зроблена як завгодно великий.
З розглянутого випливає, що кількість і якість інформації в каналі зв'язку в основному визначається перешкодами в каналі. Тому при проектуванні та експлуатації систем зв'язку необхідно домагатися не тільки малих спотворень прийнятого первинного сигналу, але й перевищення заданого сигналу над перешкодами. Зазвичай нормується ставлення сигнал – перешкода для первинних сигналів.
Важливою характеристикою системи є затримка. Під затримкою розуміється максимальний час, що минув між моментом подачі повідомлення від джерела на вхід передавального пристрою та моментом видачі відновленого повідомлення приймальним пристроєм. Затримка залежить, по-перше, від характеру та протяжності каналу, по-друге, від тривалості обробки в передавальному та приймальному пристроях.
Контрольні питання
1. Що розуміють під повідомленням та сигналом?
2. Намалюйте функціональну схему системи передачі.
3. Що називається каналом зв'язку? Які типи каналів ви знаєте?
4. Як відбувається перетворення безперервного повідомлення на сигнал?
5. Що таке достовірність передачі та як вона визначається кількісно?
6. Дайте визначення основних характеристик сигналу?
7. Що таке модуляція?
8. Яким чином відновлюється надіслане повідомлення в приймачі?
9. Якими параметрами визначається якість передачі інформації та кількість переданої інформації?
10. Що розуміють під пропускною спроможністю системи зв'язку?
Основні показники системи зв'язку:
1) достовірність передачі повідомлень.
Ступінь відповідності між прийнятим та відданим повідомленням – називають достовірністю передачі.
При передачі дискретних повідомлень достовірність визначається коефіцієнтом помилок.
Де - це число помилково прийнятих елементів повідомлення, загальна кількість елементів повідомлення.
Зокрема помилок, величина випадкова.
При передачі безперервних повідомлень, різницю між переданим та прийнятим повідомленням характеризується випадковою помилкою.
прийняте повідомлення, x(t) отримане повідомлення;
Випадкова завада на виході системи зв'язку.
Часто користуються критерієм середньоквадратичної помилки ().
Середньоквадратична помилка визначається:
Середня потужність перешкод;
Середня потужність корисного сигналу.
Р(- одномірна щільність імовірнісної перешкоди.
Заданий поріг перешкоди.
Фізично ця умова відповідає ймовірнісному відсутності так званої аномальної помилки, тобто. помилка, яка може мати невідповідність для одержувача.
Наприклад: коротко тимчасовий вихід із ладу системи, імпульсна перешкода і т.д.
2) завадостійкість.
Передача інформації з необхідною достовірністю передбачає надійну роботу системи зв'язку, це можливо якщо система зв'язку має високу надійність, тобто. здатність приладів та пристроїв довго виконувати покладені на них функції та забезпечувати необхідну завадостійкість - здатність протистояти дії перешкод.
Перешкодостійкість залежить від факторів:
1) способи практичної реалізації системи зв'язку;
2) елементної бази;
3) виготовлення, технологія апаратури;
4) умови експлуатації;
5) принципи побудови системи зв'язку тощо.
Надійність системи зв'язку кількісно оцінюється ймовірністю того, що апаратура виконуватиме свої функції протягом заданого часу.
Відношення сигнал - шум - фактор, що оцінює завадостійкість системи зв'язку:
Чим менше потрібне відношення сигнал-шум, тим вище завадостійкість системи зв'язку.
3) швидкість передачі.
Якщо надсилання безперервних повідомлень здійснюється в реальному масштабі часу. Однак, часто буває доцільно повідомлення записати, а потім передати зі швидкістю, що відрізняється у більшу або меншу сторону від часу створення. Це дозволяє ефективно використовувати канали зв'язку.
Чисельно швидкість передачі визначається кількістю інформації, що надійшла від відправника до одержувача за 1 секунду. Вимірюється біт за секунду.
Швидкість залежить:
1) від повідомлення та статистичних його властивостей;
2) характеристик каналу зв'язку;
3) спотворення та перешкод у каналі.
Найчастіше під час передачі дискретних повідомлень для параметрів апаратної частини системи зв'язку користуються поняттям технічної швидкості передачі.
Гранична можливість швидкості передачі оцінюють величиною пропускної спроможності каналу, чисельно визначається максимальною кількістю інформації, що передається по ньому за 1 секунду.
ефективна смуга частот каналу зв'язку;
середня потужність перешкод.
4) ефективність системи зв'язку.
Для оцінки якості роботи використовують показники, пов'язані з витратами.
1) енергетичні;
2) смуга частот;
3) вартість апаратури;
4) масогабаритні і т.д.
Сукупність властивостей, що характеризують економічність системи з точки зору витрат, називають ефективність системи зв'язку.
Для вибору системи зв'язку ефективності використовують критерії, при цьому враховують певні заздалегідь встановлені обмеження на деякі параметри та характеристики системи зв'язку.
Критерій питомих витрат-це такі критерії, у відповідність до якими системи зв'язку оцінюються величиною витрат на передачу 1 біта інформації при заданій достовірності.
Питома енергетична витрата, де
Енергія сигналу на вході приймача, витрачена на передачу 1 біта;
Спектральна густина перешкоди.
Питома витрата смуги, де
Еквівалентна смуга пропускання системи зв'язку;
R-швидкість передачі (біт * сек).
Значення можна розглядати як показники роботи системи зв'язку.
1.3.Класифікація систем та ліній передачі інформації.
Ознаки класифікації:
1) область застосування (телефонні системи, передача даних, телебачення, телеметрія);
2) формою повідомлення (дискретні, безперервні);
3) на вигляд лінійного сигналу(Безперервна, імпульсна);
4) по діапазону робочих частот та ширині смуги (вузькосмугові, широкосмугові);
5) за видом зв'язку (стаціонарні, мобільні);
6) за принципом ущільнення та поділу (тимчасове, частотне, за кодом).
Усі системи зв'язку поділяються на дві групи:
1) системи з вільним поширенням сигналів.
Рівень розсіювання сигналу пропорційний квадрату відстані між передавачем та приймачем (радіотехнічні).
2) системи з спрямованим поширенням сигналів.
Примусове поширення сигналу. Для цього використовується пристрій. Енергія в них не розсіюється, а поглинається напрямним пристроєм. Системи стабільні, є ідеальними з погляду достовірності. Ідеальне вирішення проблеми електромагнітної спільності - висока пропускна здатність. Однак ці системи дуже дорогі, вимагають створення підсилювальних ретрансляційних пунктів.
Проблеми:
1) проблеми електромагнітної сумісності, дія перешкод;
2) висока економічність, гнучкість, мобільність.
Системи з вільним поширенням сигналів поділяються на:
1) системи з постійними параметрами - системи, в яких параметри сигналу проходячи через середовище поширення не зазнають істотних випадкових змін, за винятком фази (системи радіорелейного зв'язку, супутникового зв'язку– вони працюють у діапазоні сантиметрових хвиль).
2)системы з довільними параметрами – параметри сигналу змінюються для проходження через середу. Ці зміни приймача або в системах з відбитою або прямою хвилею (короткохвильові системи-сигнали зазнають глибоких завмирань).
При довжині хвилі l = 3-10 метрів радіосигнали добре відбиваються від іоносфери, що дозволяє поширюватися їм на 2000 км.
При l<3 метров радиоволны распространяются в пределах видимости.
Класифікація хвиль: