Укажите основную характеристику каналов связи кратко
Обновлено: 02.07.2024
Основная функция телекоммуникационных сетей (ТКС) заключается в обеспечении информационного обмена между всеми абонентскими системами сети ЭВМ. Обмен осуществляется по каналам связи, которые составляют один из основных компонентов телекоммуникационных сетей [10].
Каналом связи называют совокупность физической среды (линии связи) и аппаратуры передачи данных (АПД), осуществляющих передачу информационных сигналов от одного узла коммутации ТКС к другому либо между узлом коммутации и абонентской системой.
Таким образом, канал связи и физическая линия связи ‑ это не одно и то же. В общем случае на основе одной линии связи может быть организовано несколько логических каналов путем временного, частотного, фазового и других видов разделения.
Функциональный состав канала связи ТКС приведен на рис. 2.1.
Каналы связи современных телекоммуникационных сетей характеризуются следующими особенностями:
- разнотипностью физической среды передачи данных (проводные, кабельные, радиоканалы наземной и спутниковой связи);
- ограниченной пропускной способностью.
Рис. 2.1. Функциональный состав канала связи
Пропускная способность канала связи ‑ это максимально возможная скорость передачи данных по каналу. Пропускная способность измеряется в битах в секунду (бит/с), а также в производных единицах ‑ (Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с, и т.д.).
Пропускная способность канала оказывает наиболее существенное влияние на общую эффективность функционирования ТКС и определяется характеристиками как самого канала, так и передаваемых по нему информационных сигналов.
Характеристики канала связи:
- Fkc ‑ полоса пропускания канала, т.е. полоса частот, которую канал может пропустить, не внося существенного затухания сигнала;
- Нкс ‑ динамический диапазон канала, равный отношению максимально допустимого уровня полезного сигнала в канале к уровню помех, нормированного для этого типа каналов;
- Ткс ‑ время, в течение которого канал используется для передачи данных.
Характеристики информационного сигнала:
- Fq ‑ ширина спектра частот сигнала, под которой понимается интервал по шкале частотного спектра, занимаемый сигналом;
- Не ‑ динамический диапазон, представляющий собой отношение средней мощности сигнала к средней мощности помехи в канале;
- Тс ‑ длительность сигнала, то есть время его существования.
Произведения трех названных параметров определяют, соответственно объем канала связи (2.1) и объем сигнала (2.2):
VКС = FКС * HКС * TКС ‑ объем канала связи (2.1)
VКС ≥ VС – необходимое условие неискаженной
передачи сигнала (2.3)
HКС ≥ HС – достаточные условия неискаженной
TКС≥ TСпередачи сигнала (2.4)
Рис. 2.2, а графически иллюстрирует случай неискаженной передачи по каналу связи информационного сигнала, а рис. 2.2, б ‑ случай передачи сигнала со значительными искажениями.
Один из создателей теории информации Клод Шеннон показал, что количество информации на синтаксическом уровне (по Шеннону), которое несет сигнал, пропорционально объему этого сигнала; с другой стороны, выполнение неравенства (2.3) является необходимым условием возможности неискаженной передачи данного сигнала по данному каналу, т.е. в этом случае принципиально возможна такая передача. Для непосредственной реализации этой возможности необходимо выполнение достаточных условий (2.4).
Выражение (2.5), также предложенное К. Шенноном, позволяет рассчитать непосредственно максимально возможную скорость передачи данных по каналу:
где С ‑ максимально возможная скорость передачи данных по каналу в битах в секунду (бит/с); F ‑ ширина полосы пропускания канала связи в герцах (Гц); PС ‑ мощность сигнала; PШ ‑мощность шума.
Рис. 2.2. Соответствие между полосой пропускания канала связи и спектром сигнала
Из этого соотношения (так же как из предыдущих) следует, что увеличить скорость передачи данных в канале связи можно или увеличив мощность сигнала? или уменьшив мощность помех. Увеличение мощности сигнала ограничено величиной допустимого уровня мощности сигнала в канале и мощностью передатчика (мощные передатчики имеют большие габариты и стоимость). Уменьшения мощности помех можно достигнуть, применяя хорошо экранированные и защищенные от помех кабели (что также требует больших затрат). Но главная трудность в том, что скорость зависит от логарифма соотношения сигнал/шум, поэтому, например, увеличение мощности передатчика в два раза при типичном соотношении РС/РШ = 100 даст увеличение максимально возможной скорости только на 15%.
В инженерных расчетах отношение РС/РШ обычно выражается в децибелах (дБ) и определяется формулой (2.6):
Так, например, при РС/РШ = 100 мощность полезного сигнала превышает мощность шумовой помехи в 100 раз. В этом случае отношение сигнал/шум в децибелах составит:
Таким образом, отношение РС/РШ = 20 дБ означает, что мощность полезного сигнала в 100 раз превышает мощность шума.
В более общем виде, если PС/PШ (дБ) = А дБ, то PС/PШ = 10 А/10 .
Пример: Необходимо определить максимально возможную скорость передачи данных (С) по телефонному каналу связи, если передаваемый по нему сигнал занимает полосу частот от 300 Гц до 3400 Гц, а соотношение сигнал-шум РС/РШ = 35 дБ
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Для того чтобы передавать различную информацию, изначально должна быть создана среда ее распространения, которая представляет собой совокупность линий, или же каналов передачи данных со специализированным приемо-передающим оборудованием.
Линии, или же каналы связи, представляют собой связующее звено в любой современной системе передачи данных, и с точки зрения организации подразделяются на два основных типа – это линии и каналы. Линия связи представляет собой множество кабелей или же проводов, при помощи которых объединяются пункты связи между собой, а абоненты объединяются с ближайшими узлами. При этом каналы связи могут быть созданы самым разным образом в зависимости от особенностей определенного объекта и схемы.
Целью данного исследования является изучение каналов связи и принципа их работы
Для достижения поставленной цели нужно выполнить следующие задачи:
· Дать понятие канал связи
· Рассмотреть основные характеристики каналов связи
· Рассмотреть классификацию каналов связи
· Сделать сравнительный анализ
Сегодня, в эру информационных технологий, когда вокруг происходит передача большого количества данных от одного источника к другому, данный вопрос актуален как никогда.
Канал связи - это та среда, при помощи которой и передается информация.
Канал связи всегда состоит из трех компонентов:
1. Передающее устройство
2. Приемное устройство
3. Среда передачи информации
Сейчас, когда из-за карантина, всем мы вынуждены заниматься дистанционно, то это все происходит тоже благодаря каналам связи.
Но большинство из нас даже и не задумывалось о том, что представляют из себя каналы связи, как они работают, какие бывают, какие имеют характеристики.
Для начала, рассмотрим основные характеристики каналов связи.
Пропускная способность канала — максимальная скорость передачи информации по каналу связи в единицу времени. Пропускная способность канала равна количеству информации, которое может передаваться по нему в единицу времени. Обычно пропускная способность измеряется в битах в секунду (бит/с) и кратных единицах Кбит/с и Мбит/с. Однако иногда в качестве единицы используется байт в секунду (байт/с) и кратные ему единицы Кбайт/с и Мбайт/с.
Надежность канала связи заключается в том, как долго прослужит тот или иной канал связи. Какова его защищенность от внешних факторов, например, от погоды, какова его защищенность от вандализма и других разрушений.
Стоимость каналов связи напрямую зависит от его типа и используемых материалов.
Возможность развития каналов связи заключается в их возможности к расширению, усовершенствованию и увеличению.
Классифицировать каналы связи можно по множеству различных критериев. В данном исследовании остановимся на классификации по трем критериям:
· По способу кодирования информации (цифровые и аналоговые)
· По способу коммуникации (выделенные и коммутируемые)
· По способу передачи информации
По способу кодирования информации каналы связи делятся на цифровые и аналоговые.
Многие сети общего пользования традиционных операторов (фиксированная телефонная связь) являются в основном аналоговыми. Сети связи, создаваемые новыми операторами — цифровые, что обеспечивает внедрение современных служб и гарантирует перспективность этих сетей.
Тремя главными типами таких каналов передачи данных являются радиосвязь, связь в микроволновом диапазоне и инфракрасная связь.
Технологии радиосвязи (Radio Waves) пересылают данные на радиочастотах и практически не имеют ограничений по дальности. Она используется для соединения локальных сетей на больших географических расстояниях.
Связь в микроволновом диапазоне
Передача данных в микроволновом диапазоне (Microwaves) использует высокие частоты и применяется как на коротких расстояниях, так и в глобальных коммуникациях. Их главное ограничение заключается в том, что передатчик и приемник должны быть в зоне прямой видимости друг друга.
Инфракрасная связь
Инфракрасные технологии (infrared transmissions), функционирующие на очень высоких частотах, приближающихся к частотам видимого света, могут быть использованы для установления двусторонней или широковещательной передачи на близких расстояниях.
Сигнал радиостанции телецентра или мобильной связи может передаваться в цифровой и аналоговой форме. Например, звук и изображение, это аналоговые сигналы. Микрофон и камера воспринимают окружающую действительность и преобразуют в электромагнитные колебания. Частота колебаний на выходе зависит от частоты звука и света, а амплитуда передачи от громкости и яркости.
Изображение и звук, преобразованные в электромагнитные колебания, распространяются в пространство передаточной антенной. В приемнике идёт обратный процесс – электромагнитных колебаний в звук и видео.
Рисунок 1 – принцип работы аналогового и цифрового сигнала
Распространению электромагнитных колебаний в эфире препятствуют облака, грозы, рельеф местности, промышленные электронаводки, солнечный ветер и прочие помехи. Частота и амплитуда нередко искажаются, и сигнал от передатчика к приемнику приходит с изменениями.
Голос и изображение аналогового сигнала воспроизводятся с искажениями, вызванными помехами, а фоном воспроизводится шипение, хрипы и цветовое искажение. Чем хуже прием, тем отчетливее эти посторонние эффекты. Но если сигнал дошёл, его хоть как то видно и слышно.
Пример аналогового и цифрового сигнала
Наглядным примером отличия двух типов сигналов может служить сравнение старой проводной телефонной и современной сотовой связи.
Проводная телефония не всегда хорошо работает даже в пределах одного населённого пункта. Звонок на другой конец страны это испытание голосовых связок и слуха. Нужно докричаться и прислушаться к ответу. Шумы и помехи отфильтровываем ушами, недостающие и искаженные слова додумываем сами. Хоть и плохой звук, но есть.
Звук в сотовой связи отлично слышно даже с другого полушария. Оцифрованный сигнал передаётся и принимается без искажений. Но и он не без изъянов. Если случаются сбои, то звук не слышен вовсе. Выпадают буквы, слова и целые фразы. Хорошо, что это бывает редко.
Под коммутируемыми каналами понимают каналы, которые заводятся на местную или городскую АТС. До недавнего времени это были одни из самых распространенных каналов связи. Традиционно по ним работают через телефонные модемы. В наше время эти физические пары могут использоваться для передачи по Х – DSL технологиям.
На базе проложенных кабелей связи можно организовать выделенный канал. Это дорогое в техническом плане решение.
Содержание
Характеристики
Используют следующие характеристики канала
Помехозащищённость
Помехозащищённость \over P_>" width="" height="" />
. Где \over P_>" width="" height="" />
— минимальное отношение сигнал/шум;
Объём канала
Объём канала [1] определяется по формуле: ,
где — время, в течение которого канал занят передаваемым сигналом;
Для передачи сигнала по каналу без искажений объём канала должен быть больше либо равен объёму сигнала , т.е. . Простейший случай вписывания объёма сигнала в объём канала - это достижение выполнения неравенств , > и . Тем не менее, может выполняться и в других случаях, что даёт возможность добиться требуемых характеристик канала изменением других параметров. Например, с уменьшением диапазона частот можно увеличить полосу пропускания.
Классификация
Существует множество видов каналов связи, среди которых наиболее часто выделяют каналы проводной связи (воздушные, кабельные, световодные и др.) и каналы радиосвязи (тропосферные, спутниковые и др.). Такие каналы в свою очередь принято квалифицировать на основе характеристик входного и выходного сигналов, а также по изменению характеристик сигналов в зависимости от таких явлений, происходящих в канале, как замирания и затухание сигналов.
По типу среды распространения каналы связи делятся на проводные, акустические, оптические, инфракрасные и радиоканалы.
Каналы связи также классифицируют на [2]
- 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 [3] . Возможна классификация каналов связи по диапазону частот.
Модели канала связи
Канал связи описывается математической моделью [4] , задание которой сводится к определению математических моделей выходного и входного и , а также установлению связи между ними, характеризующейся оператором , т.е.
.
По типу замирания сигнала модели канала связи делятся на гауссовские, релеевские, райссовские и с замираниями, моделируемые с помощью распределения Накагами.
Модели непрерывных каналов
Модели непрерывных каналов можно классифицировать на модель канала с аддитивным гауссовским шумом, модель канала с неопределенной фазой сигнала и аддитивным шумом и модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом.
Модель идеального канала
Модель идеального канала используется тогда, когда можно пренебречь наличием помех. При использовании этой модели выходной сигнал является детерминированным, т.е.
где γ – константа, определяющая коэффициент передачи, τ – постоянная задержка.
Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом
Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом отличается от модели идеального канала тем, что является случайной величиной. Например, если входной сигнал является узкополосным, то сигнал на выходе канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом определяется следующим образом:
,
где учтено, что входной сигнал может быть представлен в виде:
,
где - преобразование Гильберта, - случайная фаза, распределение которой считается обычно равномерным на интервале .
Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом
Модели дискретных каналов связи
Для задания модели дискретного канала необходимо определить множество входных и выходных кодовых символов, а также множество условных вероятностей выходных символов при заданных входных [5] .
 |
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 произведениевремени использования канала Tк, ширины спектра частот, пропускаемых каналом Fк и динамического диапазона Dк., который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов
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.
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
.
При этом скорость передачи информации
[бит/с]. (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: [bit/s], [Kbit/s], [Mbit/s], [Gbit/s].
2.1 Дискретный канал связи без помех
Если помехи в канале связи отсутствуют, то входные и выходные сигналы канала связаны однозначной, функциональной зависимостью.
При этом условная энтропия равна нулю, а безусловные энтропии источника и приемника равны, т.е. среднее количество информации в принятом символе относительно переданного равно
2.2 Дискретный канал связи с помехами
p(x1)=0,1; p(x2)=0,2; p(x3)=0,3; p(x4)=0,4.
Канальная матрица, определяющая потери информации в канале связи имеет вид:
Условная энтропия для симметричного канала равна
Пропускная способность для двоичного, симметричного канала
(12)
Это уравнение Шеннона для симметричного двоичного канала.
Наличие ошибки приводит к уменьшению пропускной способности.
Так при pош = 0,01 пропускная способность равна C = 0,9/t = 0,9Cmax.
Основная теорема Шеннона о кодировании для дискретного канала с помехами: Для дискретного канала с помехами существует такой способ кодирования, который позволяет осуществлять безошибочную передачу информации, если производительность источника ниже пропускной способности
Решение:
Составим таблицу вероятностей:
p(x0) = 0,5; p(y0/ x0) = 0,96;
p(x1) = 0,5; p(y1/ x0) = 0,04;
p(y0) = 0,5; p(y0/ x1) = 0,04;
p(y1) = 0,5; p(y1/ x1) = 0,96.
Пропускная способность для двоичного, симметричного канала
| |
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 произведениевремени использования канала Tк, ширины спектра частот, пропускаемых каналом Fк и динамического диапазона Dк., который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов
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.
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
.
При этом скорость передачи информации
[бит/с]. (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: [bit/s], [Kbit/s], [Mbit/s], [Gbit/s].
2.1 Дискретный канал связи без помех
Если помехи в канале связи отсутствуют, то входные и выходные сигналы канала связаны однозначной, функциональной зависимостью.
При этом условная энтропия равна нулю, а безусловные энтропии источника и приемника равны, т.е. среднее количество информации в принятом символе относительно переданного равно
2.2 Дискретный канал связи с помехами
p(x1)=0,1; p(x2)=0,2; p(x3)=0,3; p(x4)=0,4.
Канальная матрица, определяющая потери информации в канале связи имеет вид:
Условная энтропия для симметричного канала равна
Пропускная способность для двоичного, симметричного канала
(12)
Это уравнение Шеннона для симметричного двоичного канала.
Наличие ошибки приводит к уменьшению пропускной способности.
Так при pош = 0,01 пропускная способность равна C = 0,9/t = 0,9Cmax.
Основная теорема Шеннона о кодировании для дискретного канала с помехами: Для дискретного канала с помехами существует такой способ кодирования, который позволяет осуществлять безошибочную передачу информации, если производительность источника ниже пропускной способности
Решение:
Составим таблицу вероятностей:
p(x0) = 0,5; p(y0/ x0) = 0,96;
p(x1) = 0,5; p(y1/ x0) = 0,04;
p(y0) = 0,5; p(y0/ x1) = 0,04;
p(y1) = 0,5; p(y1/ x1) = 0,96.
Пропускная способность для двоичного, симметричного канала
Читайте также: