
Качественные характеристики сред физических каналов
Таблица 2
Типы каналов |
Параметры каналов | ||||
Ширина полосы частот, МГц |
Длина линии, км |
Число подключенных абонентов, шт |
Помехозащищенность |
Стоимость | |
Витая пара проводов |
3..5 |
0,1 |
50 |
Средняя |
Низкая |
Коаксиальный кабель: |
|
|
|
|
|
узкополосный |
10..20 |
0,3 |
100 |
Высокая |
Средняя |
широкополосный |
200…300 |
1,0 |
1000 |
Высокая |
Средняя и высокая |
Волоконно-оптический кабель |
300 |
2..10 |
30 |
Очень высокая |
Высокая |
Тип используемой среды очень важен, поскольку он определяет максимальную скорость передачи информации. Так, например, двухпроводная открытая линия является простейшим типом среды передачи для соединения двух элементов аппаратуры, имеет скорость передачи меньше 19,2 Кбит/с при длине канала L≤50м, а емкостная связь между двумя проводами обуславливает ее низкую помехозащищенность, как от внешних помех, так и внутренних, вызванных взаимными наводками (рис. 5).
Витая пара проводников, в отличие от двухпроводной линии, значительно лучше защищена от ложных сигналов (помех), поскольку всякое внешнее воздействие влияет на оба провода и поэтому искажения (или изменения разности сигналов) снижается (рис. 6).
Витая
пара проводников, используемая совместно
со схемами приема и передачи, применяется
для скоростей до 1Мбит/с при длине каналаL<100
м, а с защитным экраном может иметь
скорость 3....5Мбит/с.
Основной фактор, сдерживающий увеличение скорости передачи информации по витой паре проводов, это “скин-эффект”, когда при увеличении скорости битов (частоты передачи) ток перераспределяется так, что большая его часть протекает по наружной поверхности, что приводит к повышению электрического сопротивления проводов и затуханию полезного сигнала.
Коаксиальный
кабель, где один проводник - центральная
жила, проходит концентрически
соосно внутри сплошного (или плетеного
внешнего кругового проводника)
предназначен для скоростей более
1Мбит/с. Пространство между проводниками
заполняется диэлектриком - изолирующим
материалом. Благодаря такой структуре
внутренний проводник эффективно защищен
от внешних помех (рис.7).Скорость
передачи в коаксиальном кабеле 10...20
Мбит/с при длине канала L
до 1км.
Волоконно-оптический кабель отличается от среды передачи описанных выше типов, тем что в нем носителем информации является пульсирующий световой луч, распространяемый по стекловолокну. Световые лучи имеют значительно большую полосу частот, чем электрические волны, и скорость передачи информации может достигать сотен Мбит/с, а теоретический предел скорости передачи световодных каналов - десятки триллионов бит/с. Волоконно-оптический кабель (рис.8) состоит из отдельного стекловолокна, содержащего жилу световода и оболочку с разными показателями преломления n1 и n2. Кроме того, этот кабель имеет еще защитную внешнюю оболочку, которая экранирует световод от внешних (фоновых) засветок.
Основная
характеристика световода – апертура
(А), которая определяется согласно
выражению
где Qmax_-максимально допустимый угол ввода излучения в световод,
n0, n1, n2 -показатели преломления внешней среды - воздуха, жилы, оболочки световода.
Апертура световода является основным параметром, характеризующим эффективность вводимой оптической мощности сигнала. Простейшим волоконно-оптическим кабелем является кабель, имеющий одну световодную жилу, однако он может быть и многожильным или с пучком волокон (жгутом).
Открытые радиоволневые каналы в качестве физической среды передачи используют электромагнитные волны в диапазоне 330....1010 Гц. Длина такого канала определяется мощностью передающего устройства, чувствительностью приемника, уровнем воздействия электромагнитных помех и может достигать десятков и сотен км.
6. Расчетные соотношения параметров сигналов в физических каналах связи
Максимальная скорость передачи информации
В реальных условиях сигнал в канале связи состоит из компонент различной частоты, а в приемник поступают только те компоненты, частоты которых находятся внутри полосы пропускания. С ростом частоты амплитуда каждой компоненты частот уменьшается. Поэтому чем шире полоса пропускания среды передачи, тем больше высокочастотных компонент проходит в канале связи, тем надежнее сигнал, полученный в приемном устройстве, воспроизводит исходный сигнал. Так, если система или канал связи обладает полосой пропускания, равной В Герц, то согласно формуле Найквиста максимальная скорость передачи информации равна 2В, в предположении, что каждый сигнальный элемент имеет два уровня. При М-уровнях максимальная скорость определяется общей формулой
Например.
Для сигнала с 8- ю уровнями модуляции
на каждый элемент, и при полосе частот,
равной 3100 Гц, максимальная скорость
передачи равна
Шумы в канале связи
В отсутствии передачи сигналов по линии связи в ней наблюдаются случайные всплески. Эти всплески называют уровнем шумов в линии, которые при большом затухании становятся соизмеримы с принимаемым полезным сигналом. В зависимости от физической природы возникновения в каналах связи различают три основных типа шумов:
наведенные (фоновые) шумы в открытых каналах и каналах из витой пары проводников. Примером фоновых шумов является слышимость другого (фонового) разговора в телефонной связи,
импульсные шумы связаны с влиянием на канал связи электрических явлений в атмосфере или внешних силовых установок, аппаратуры в виде щелчков длительностью полсекунды. При скорости передачи информации, равной 2400 бит/с, такие помехи могут привести к искажению 1200 бит,
тепловые шумы имеются во всех средах передачи. Они вызваны тепловым возбуждением электронов атомов среды передачи. Тепловые шумы образованы из компонент со случайными частотами и непрерывно меняющимися амплитудами, поэтому называются белым шумом.
Для оценки качества принимаемого сигнала информации по каналу связи весьма важным параметром является отношение сигнал-шум, который обычно измеряется в дБ согласно формуле
гдеS
- мощность
полезного сигнала,
N - мощность уровня шумов.
Чем больше отношение сигнал-шум, тем сигнал лучшего качества и наоборот. Теоретически максимальная скорость связана с отношением сигнал-шум формулой Шеннона-Хартли
где B - ширина полосы пропускания (Гц),
S - мощность сигнала (Вт),
N - мощность случайных шумов (Вт).
Например. Сигнал имеет полосу частот шириной 3000 Гц, отношение сигнал- шум равно 20 дБ, требуется найти максимальную скорость передачи информации.
Согласно
формуле (6.2) запишем:
получим
Далее, подставляя
в формулу (6.3), найдем:
Задержка распространения и задержка передачи сигналов
Для каждого вида среды передачи характерна конечная задержка времени, требуемая сигналу для распространения от одного конца передающей среды до другого. В свободном пространстве электрические сигналы имеют скорость света 3108 м/с.
В физической среде, т.е. в витой паре проводников или коаксиальном кабеле, скорость распространения составляет 2108 м/с, т.е. сигналу требуется 0,510-8 с, чтобы пройти 1м среды.
В каналах связи данные передаются в виде блоков или кадров и при поступлении блока отправителю возвращается извещение о правильном или неправильном получении блока. Время, протекающее между отправлением первого бита блока и получением последнего бита соответствующего извещения, определяется как задержка обращения. Очевидно, что эта задержка зависит не только от времени передачи кадра со скоростью битов, но и задержки распространения.
Относительное влияние этих двух факторов будет различным для различных физических каналов, вследствие чего эти факторы связаны соотношением
где
Тр
-
задержка
распространения (
l
-
расстояние
(м), Vр
-
скорость
распространения (м/с)),
Tп
- задержка
передачи (N
–
число
бит в
блоке,
Vп
-.скорость передачи (бит/ с)).
Пример. Блок из 1000 бит должен быть передан между двумя устройствами аппаратуры. Определить Тр, Tп, а для следующих типов каналов связи:
а) витая пара проводников с l=100 м, Vп =10 Кбит/с,
б) коаксиальный кабель с l=10 км, Vп =1 Мбит/с,
в) открытый канал с l=60000 км, Vп =10 Мбит/с (спутниковая связь).
С учетом формулы (6.4) получим:
а) Тр = 510-7 с, Tп = 0,1с, а =510-6;
б) Тр = 510-5 с, Tп =110-3 с, а =510-2;
в) Тр = 210-1 с, Tп = 110-4 с, а =2103;
7. Порядок выполнения работы
В соответствии с таблицей вариантов (п.9) каждый студент индивидуально по указанию преподавателя выполняет свой вариант задания в следующей последовательности.
Нарисовать структурную схему своего варианта сети, описать особенности ее функционирования,
Дать краткое описание физической среды передачи, конструктивные особенности, ограничения на скорость передачи и протяженность канала связи,
Найти максимальную скорость передачи информации по каналу связи при заданной ширине полосы частот и отношении сигнал-шум,
Определить добротность канала связи сети при максимальной скорости передачи информации,
Найти время задержки распространения и передачи сигналов в канале связи своего варианта сети. Оценить их вклад в общую задержку сигналов при поблочной передаче информации,
Определить производительность сети в течение 6 часов непрерывной работы в сутки,
Построить для своего варианта зависимость удельной стоимости сети от топологии каналов связи, условно приняв стоимость всей сети за единицу ее относительного значения.
8. Отчет должен содержать:
а) титульный лист с названием работы и номером варианта, шифр группы, Ф.И.О. студента, выполнившего работу;
б) результаты расчетов по пунктам индивидуального задания;
в) графический материал на отдельных листах, поясняющий ответы на вопросы задания.
9. Таблица вариантов расчетного задания
Таблица 3
Варианты №№ п/п |
Параметры и характеристики сети | ||||||
Топология сети |
Среда передачи |
Ширина полосы частот, МГц |
Отношение сигнал-шум, дБ |
Число бит в блоке, шт |
Количество абонентов, шт |
Максимальная протяженность канала между АП, м | |
1 |
К |
КК |
18 |
10 |
1000 |
800 |
200 |
2 |
К |
ВП |
0,25 |
20 |
300 |
25 |
15 |
3 |
Ш |
КК |
20 |
10 |
500 |
1000 |
100 |
4 |
Ш |
КК |
50 |
10 |
2000 |
160 |
400 |
5 |
Ш |
КК |
20 |
10 |
4000 |
200 |
1000 |
6 |
З |
КК |
120 |
20 |
800 |
100 |
250 |
7 |
К |
ВОК |
64 |
18 |
4000 |
10 |
2000 |
8 |
К |
ВП |
2 |
20 |
300 |
25 |
20 |
9 |
К |
ВОК |
100 |
8 |
1500 |
25 |
2000 |
10 |
К |
ВП |
1 |
20 |
1000 |
50 |
30 |
11 |
Ш |
ВОК |
128 |
16 |
1000 |
12 |
1500 |
12 |
З |
КК |
25 |
40 |
800 |
256 |
1000 |
13 |
З |
КК |
16 |
30 |
1200 |
16 |
700 |
14 |
К |
ВОК |
240 |
10 |
1500 |
24 |
3000 |
15 |
Ш |
ВП |
36 |
20 |
1800 |
10 |
30 |
16 |
Ш |
ВП |
2 |
20 |
1200 |
32 |
100 |
17 |
К |
ВП |
2 |
20 |
240 |
48 |
50 |
18 |
З |
КК |
300 |
10 |
800 |
150 |
300 |
19 |
З |
КК |
40 |
20 |
1400 |
640 |
900 |
20 |
К |
КК |
3 |
18 |
200 |
40 |
400 |
21 |
К |
ВП |
4 |
10 |
1400 |
12 |
50 |
22 |
Ш |
ВОК |
64 |
32 |
120 |
30 |
2000 |
23 |
К |
ВОК |
32 |
20 |
3000 |
16 |
1500 |
24 |
З |
КК |
48 |
18 |
1000 |
60 |
300 |
25 |
Ш |
ВП |
40 |
16 |
1500 |
20 |
100 |
Условные обозначения: К - “кольцо”,
Ш - “шина”,
З - “звезда”,
ВП- витая пара,
КК- коаксиальный кабель,
ВОК- волоконно-оптический кабель
10.Список литературы
В.Н.Рогинский и др. Теория сетей связи.- М.: Радио и связь, 1981.
В.П.Волчков, В.А.Горохов, В.П. Дмитриев. Оценка эффективности оптоэлектронных каналов в системах связи. // Электронная промышленность, вып. 9/127/, 1984.
С.Т.Хвощ, В.В.Дорошенко, В.В.Горовой. Организация последовательных мультиплексных каналов систем автоматического управления. Ленинград; Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989.
Фред Халсалл. Передача данных сети компьютеров и взаимосвязь открытых систем. М.: Радио и связь,1995.