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 Q_max_-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:

1. наведенные (фоновые) шумы в открытых каналах и каналах из ви­той пары проводников. Примером фоновых шумов является слышимость другого (фонового) разговора в телефонной связи,

2. 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,

3. 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: получимДалее, подставляяв 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 310⁸ м/с.

В физической среде, т.е. в витой паре проводников или коаксиаль­ном кабеле, скорость распространения составляет 210⁸ м/с, т.е. сигналу требуется 0,510^-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 Т_р - задержка распространения (l - рас­стояние (м), V_р - скорость распространения (м/с)),

T_п - задержка передачи (N – число бит в блоке, V_п -.скорость передачи (бит/ с)).

Пример. Блок из 1000 бит должен быть передан между двумя уст­ройствами аппаратуры. Определить Т_р, T_п, а для следу­ющих типов каналов связи:

а) витая пара проводников с l=100 м, V_п =10 Кбит/с,

б) коаксиальный кабель с l=10 км, V_п =1 Мбит/с,

в) открытый канал с l=60000 км, V_п =10 Мбит/с (спутниковая связь).

С учетом формулы (6.4) получим:

а) Т_р = 510^-7 с, T_п = 0,1с, а =510^-6;

б) Т_р = 510^-5 с, T_п =110^-3 с, а =510^-2;

в) Т_р = 210^-1 с, T_п = 110^-4 с, а =210³;

7. Порядок выполнения работы

В соответствии с таблицей вариантов (п.9) каждый студент инди­видуально по указанию преподавателя выполняет свой вариант зада­ния в следующей последовательности.

1. Нарисовать структурную схему своего варианта сети, описать особенности ее функционирования,

2. Дать краткое описание физической среды передачи, конструктивные особенности, ограничения на скорость передачи и протяженность канала связи,

3. Найти максимальную скорость передачи информации по каналу связи при заданной ширине полосы частот и отношении сигнал-шум,

4. Определить добротность канала связи сети при максимальной скорости передачи информации,

5. Найти время задержки распространения и передачи сигналов в канале связи своего варианта сети. Оценить их вклад в общую задержку сигналов при поблочной передаче информа­ции,

6. Определить производительность сети в течение 6 часов непрерывной работы в сутки,

7. 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

1. В.Н.Рогинский и др. Теория сетей связи.- М.: Радио и связь, 1981.

2. В.П.Волчков, В.А.Горохов, В.П. Дмитриев. Оценка эффективности оптоэлектронных каналов в системах связи. // Электронная про­мышленность, вып. 9/127/, 1984.

3. С.Т.Хвощ, В.В.Дорошенко, В.В.Горовой. Организация последовательных мультиплексных каналов систем автоматического управления. Ленинград; Машиностроение, Ленинградское отделение, 1989.

4. Фред Халсалл. Передача данных сети компьютеров и взаимосвязь открытых систем. М.: Радио и связь,1995.