№8. Основные характеристики канала связи

Основные характеристики канала связи (рис. 5.2) – пропускная способность и достоверность передачи данных. Пропускная способность каналаоценивается предельным числом бит данных, передаваемых по каналу за единицу времени, и измеряется в бит/с (с^-1). Достоверность передачи данных характеризуется вероятностью искажения бита, которая для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок составляет, как правило, 10^-4– 10^-6. Основная причина искажений – воздействие помех на линию связи и, отчасти, наличие шумов в АПД. Помехи носят импульсный характер и имеют тенденцию к группированию – образованию пачек помех, искажающих сразу группу соседних бит в передаваемых данных.

Линии связи.Для передачи данных используются линии связи различных типов: проводные (воздушные), кабельные, радиорелейные, волоконно-оптические и радиоканалы наземной и спутниковой связи. Кабельные линии состоят из скрученных пар проводов или коаксиальных кабелей. Основные характеристики линий связи – полоса частот, удельная стоимость и помехоустойчивость. Полоса частот определяет диапазон частот , гдеf_ниf_в– нижняя и верхняя граница частот, эффективно передаваемых по линии. Полоса частот зависит от типа линии и ее протяженности. Проводные линии связи имеют полосу частот примерно 10 кГц, кабельные – 10²кГц, коаксиальные – 10²МГц, радиорелейные – 10³МГц и волоконно-оптические – 10²МГц. Для передачи данных используется коротковолновая радиосвязь с диапазоном частот от 3 до 30 МГц. Удельная стоимость линии определяется затратами на создание линии протяженностью 1 км. Для передачи данных на небольшие расстояния используются в основном низкочастотные проводные линии, на большие расстояния – высокочастотные линии: коаксиальные кабели, волоконно-оптические и радиорелейные линии. Радиосвязь применяется для организации как местной, так и дальней связи. Помехоустойчивость линии зависит от мощности помех, создаваемых в линии внешней средой или возникающих из-за шумов в самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей помехоустойчивостью обладают кабельные липни и отличной – волоконно-оптические линии, не восприимчивые к электромагнитному излучению.

Рис. 5.4. Последовательность двоичных сигналов

 

Пропускная способность канала.Пропускная способность канала зависит от полосычастот линии связи и отношения мощностей сигнала и шума. Максимальная пропускная способность канала, настроенного на основе линии с полосой частотFи отношением сигнал-шумР_с/Р_ш, составляет (бит в секунду)

(4.1)

Значение (1+ Р_с/Р_ш) определяет число уровней сигнала, которое может быть воспринято приемником. Так, если отношениеР_с/Р_ш>3, то единичный сигнал может переносить четыре значения, т. е. бита информации.

При передаче данных широко используются двоичные сигналы, принимающие значения 0 и 1. Временная диаграмма последовательности таких сигналов, передаваемых по линии связи, изображена на рис. 5.4, где сверху указаны значения, переносимые сигналом. Минимальная длительность такта, с которым могут передавался сигналы по каналу с полосой частот F, равна . Если вероятность искажения символов 0 и 1 из-за помех одинакова и равнар, то число двоичных символов, которые можно безошибочно передать по каналу в секунду,

(4.2)

Это выражение определяет пропускную способность двоичного канала. Величина в квадратных скобках определяет долю двоичных символов, которые передаются по каналу с частотой 2Fбез искажений. Если помехи отсутствуют, вероятность искажения символа и пропускная способность ; если вероятность искаженияр=0,5, то пропускная способностьС=0. Если по каналу передается сообщение длинойnдвоичных символом, то вероятность появления в нем точноlошибок , среднее число ошибок и среднее квадратическое отклонение .

Наиболее распространенный тип капала – телефонный с полосой пропускания 3,1 кГц и диапазоном частот от f_Н =0,3 кГц доf_Н = 3,4 кГц. Коммутируемый телефонный канал обеспечивает скорость передачи данных С=1200 бит/с, а некоммутируемый – до 9600 бит/с.

Эффективность использования канала связи для передачи данных принято характеризовать удельной пропускной способностью , т. е. пропускной способностью на 1 Гц полосы частот канала. Для коммутируемых телефонных каналов удельная пропускная способность не превышает 0,4 бит/(сГц), а для некоммутируемых составляет, как правило. 3–5 бит/(сГц).

Стандартизированы следующие скорости передачи данных по каналам связи: 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 12000, 24000, 48000 и 96000 бит/с. Каналы с пропускной способностью до 300 бит/с называются низкоскоростными, от 600 до 4800 бит/с – среднескоростными и с большей пропускной способность – высокоскоростными.

 

Способы передачи данных.Для передачи данных по каналам с различными характеристиками используются разные способы, обещающие максимальное использование свойств каналов для повышения скорости и достоверности передачи данных при умеренной стоимости аппаратуры.

Данные первоначально предоставляются последовательностью прямоугольных импульсов (рис. 5.4). Для их передачи без искажения требуется полоса частот от нуля до бесконечности. Реальные каналы имеют конечную полосу частот, с которой необходимо согласовать передаваемые сигналы. Согласование обеспечивается, во-первых, путем модуляции – переноса сигнала на заданную полосу частот и, во-вторых, путем кодирования – преобразовании данных в вид, позволяющий обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие из-за помех в канале связи.

При использовании высокочастотных проводных и кабельных линий, полоса частот которых начинается примерно от нуля, сигналы можно передавать в их естественном виде – без модуляции (в первичной полосе частот). Каналы, работающие без модуляции, называются телеграфными и обеспечивают передачу данных со скоростью, как правило, 50-200 бит/с.

 

Рис. 5.5. Канал с модуляцией

 

Когда канал имеет резко ограниченную полосу частот, как, например, радиоканал, передача сигналов должна выполняться в этой полосе и перенос сигнала в заданную полосу производится посредством модуляции по схеме, изображенной на рис. 5.5. В этом случае между оконечным оборудованием данных, работающим с двоичными сигналами, и каналом устанавливается modem– модулятор и демодулятор.Модуляторперемещает спектр первичного сигнала в окрестность несущей частотыf₀.Демодуляторвыполняет над сигналом обратное преобразование, формируя из модулированного сигнала импульсный двоичный сигнал.

Рис. 5.6. Способы модуляции

 

Способы модуляции подразделяются на аналоговыеидискретные. К аналоговым относятся амплитудная, частотная и фазовая модуляция (рис. 5.6). Приамплитудной(рис. 5.6,б) производится модуляция амплитуды несущей частоты первичным сигналом (рис. 5.6,а). Причастотной модуляции(рис. 5.6,в) значения 0 и 1 двоичного сигнала передаются сигналами с различной частотой –f₀иf₁. Прифазовой модуляции(рис. 5.6,г) значениям сигнала 0 и 1 соответствуют сигналы частотыf₀с разной фазой. Дискретные способы модуляции применяются для преобразования аналоговых сигналов, например речевых, в цифровые. Для этих целей наиболее широко используются амплитудно-импульсная, кодово-импульсная и времяимпульсная модуляция.

Кодирование передаваемых данных производится в основном для повышения помехоустойчивости данных. Так, первичные коды символов могут быть представлены в помехозащищенной форме – с использованием кодов Хемминга, обеспечивающих обнаружение и исправление ошибок в передаваемых данных. В последнее время функция повышения достоверности передаваемых данных возлагается на оконечное оборудование данных и обеспечивается за счет введения информационной избыточности в передаваемые сообщения.

 

Аппаратура передачи данных.Основное назначение АПД – преобразование сигналов, поступающих с оконечного оборудования, для передачи их в полосе частот канала связи и обратное преобразование сигналов, поступающих из канала. При работе с телеграфным каналом, сигналы по которому передаются без модуляции (в первичной полосе частот), указанные функции реализуются устройством преобразования телеграфных сигналов, а при работе с телефонным и высокочастотным каналом – модемом. Основные элементы модулятора и демодулятора представлены на рис. 5.7. В рассматриваемом случае передача данных в канал производится синхронно с частотой, соответствующей скорости работы канала, например с частотой 1200 Гц. Сигналы синхронизацииS_Тформируются в модуляторе тактовым генераторомТГ. По каждому сигналу синхронизацииS_Tв блок модуляции БМ вводится двоичный сигналТ, представляющий собой бит данных. Несущая частота формируется генераторомГНЧ. Модулированный сигнал поступает на полосовой фильтрПФ, ограничивающий полосу частот сигнала в соответствии с нижней и верхней границей полосы канала. Затем сигнал с заданной полосой частот передается по каналу в демодулятор, проходит через полосовой фильтр, выделяющий заданную полосу частот, и поступает в блок демодуляции.