Укажите основную характеристику каналов связи

Укажите основную характеристику каналов связи

Структурная схема системы коммуникаций.

Основные элементы системы коммуникации: отправитель сообщения, кодирующее устройство, сигнал, расшифровывающее устройство, получатель.

Процесс передачи сообщений можно разделить на три этапа:

преобразование сообщения в сигнал;

передача сигнала по линии связи;

преобразование полученного сигнала в сообщение.

Сообщение — это напряжение на выходе преобразователя.

Источник сообщения — это физический источник информации вместе с преобразователем.

Определение и основные характеристики линии связи.

Линией связи называется среда распространения электромагнитных волн, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Такой средой могут быть воздушная, кабельная, радиорелейная линии связи, волноводы и т.д.

Основные характеристики линий связи условно можно разделить на 2 подтипа:

· распространение рабочего сигнала от собственных параметров линии связи

· распространение рабочего сигнала в зависимости от влияния других сигналов

Иными словами, основные характеристики линий связи делят на те, которые непосредственно влияют на дальность сигнала, и те, которые непосредственно защищают распространение сигнала от других сигналов, которые уменьшают радиус распространения.

Основными характеристиками каналов линий связи в целом являются:

достоверность передачи данных

амплитудно-частотная характеристика (ЯЧХ)

Определение и основные характеристики канала связи.

Канал передачи данных — это средства двухстороннего обмена данными, которые включают в себя линии связи и аппаратуру передачи (приема) данных. Каналы передачи данных связывают между собой источники информации и приемники информации.

Основные характеристики канала связи:

· Скорость передачи данных-– это фактическая скорость потока данных, прошедшего через сеть.

· Емкость канала связи — называемая также пропускной способностью, представляет собой максимально возможную скорость передачи информации по каналу.

· Полоса пропускания – 1) он означает ширину полосы частот, которую линия передает без существенных искажений. 2) термин «полоса пропускания» используется как синоним термина «емкость канала связи».

Физические каналы связи делятся на несколько типов в зависимости от того, могут они передавать информацию в обоих направлениях или нет.

· Дуплексный канал обеспечивает одновременную передачу информации в обоих направлениях.

· Полудуплексный канал также обеспечивает передачу информации в обоих направлениях, но не одновременно, а по очереди.

· Симплексный канал позволяет передавать информацию только в одном направлении.

К основным характеристикам канала (линии) связи, существенно влияющим на качество передачи сигнала, можно отнести:

● достоверность передачи данных.

Полоса пропускания

Полоса пропускания(bandwidth) – диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) канала (линии) связи достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.

Ширина полосы пропускания F определяется как разность верхней fв и нижней fн граничных частот участка АЧХ, на котором мощность сигнала уменьшается не более чем в 2 раза по сравнению с максимальным значением: F=fв — fн (что приблизительно соответствует −3 дБ).

Измеряется полоса пропускания в герцах (Гц).

Рис. 3.12Полоса пропускания канала связи

Ширина полосы пропускания существенным образом влияет на максимально возможную скорость передачи информации по каналу связи и зависит от типа среды передачи, наличия в каналах частотных фильтров.

Сигналы составлены из большого набора гармоник, однако приемник может получить лишь те гармоники, частоты которых находятся внутри полосы пропускания канала. Чем шире полоса пропускания канала, тем выше может быть скорость передачи данных и тем более высокочастотные гармоники сигнала могут передаваться. Если в полосу пропускания канала попадают гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал, форма сигнала претерпит незначительные изменения, и сигнал будет правильно распознан приемником.

В противном случае форма сигнала будет значительно искажаться, что приведет к снижению скорости передачи информации по каналу вследствие проблем с его распознаванием, которые вызовут ошибки связи и повторные передачи.

Рис. 3.13 Влияние полосы пропускания на сигнал

Затухание

При передаче сигнала по каналу связи, происходит его постепенное ослабление (затухание), что обусловлено физическими и техническими свойствами среды передачи и используемых сетевых устройств. Для корректного распознавания сигнала в точке приема это ослабление не должно превышать некоторой пороговой величины.

Затухание (attenuation) — это величина, показывающая, насколько уменьшается мощность (амплитуда) сигнала на выходе канала связи по отношению к мощности (амплитуде) сигнала на входе. Коэффициент затухания d измеряется в децибелах (дБ, dB) на единицу длины и вычисляется по следующей формуле:

,

где Pвых – мощность выходного сигнала; Pвх – мощность входного сигнала.

Затухание характерно как для аналоговых, так и для цифровых сигналов. Оно увеличивается с ростом частоты сигнала: чем выше частота, тем сильнее сигнал подвержен затуханию. По этой причине приемникам высокоскоростного оборудования значительно сложнее распознать исходный сигнал.

Затухание сигнала влияет на расстояние, которое он может пройти между двумя точками без усиления или восстановления. Затухание является одним из важных параметров определенных для кабелей (витой пары, волоконно-оптического, коаксиального). Чем меньше затухание, тем более качественным является кабель. Поэтому при проектировании проводных каналов связи надо учитывать характеристики кабелей и использовать кабели с наименьшим значением затухания для достижения максимальной длины канала.

Помехоустойчивость

В реальном канале связи существуют помехи, обусловленные характеристиками среды передачи, каналообразующей аппаратуры, влиянием электромагнитных полей различных электронных устройств. В результате действия различных помех в канале связи появляются ошибки.

Одним из важнейших показателей канала связи является его помехоустойчивость, под которой понимают способность канала противостоять воздействию помех. Помехоустойчивость основывается на возможности отличить сигнал от помехи с заданной достоверностью, поэтому при построении канала связи нужно учитывать возможные помехи и предельно использовать различие между ними и сигналом.

Рис. 3.14Влияние помех на канал связи

Читайте также:  Бытовая техника мидеа производитель

В зависимости от источника возникновения и от характера их воздействия помехи делятся на внутренние, внешние и взаимные. Внутренние помехи или шумы возникают от источников, находящихся в данном канале связи, и появляются сразу же после включения оборудования связи. Они, в основном, определяются тепловыми, дробовыми, контактными и импульсными шумами и практически неустранимы.

Внешние помехи делятся на промышленные, радиопомехи, атмосферные и космические. Промышленные помехи (электромагнитная интерференция, Electro Magnetic Interference (EMI)) создаются в результате влияния на канал связи электромагнитных полей различных электрических устройств: ламп дневного света, бытовых приборов, компьютеров, радиосистем, линий электропередач, электрооборудования промышленных предприятий, медицинских установок, контактных сетей электрифицированного транспорта (трамвая, троллейбуса и т.п.), световой рекламы на газоразрядных лампах и т.п.

Радиопомехи (радиочастотная интерференция, Radio Frequency Interference (RFI)) возникают от излучения радиостанций различного назначения, спектр которых по каким-либо причинам накладывается на спектр полезных сигналов канала связи.

К атмосферным помехам относятся помехи, вызванные различными атмосферными явлениями: магнитными бурями, северными сияниями, грозовыми разрядами и т.д. К космическим помехам относятся электромагнитные помехи, создаваемые излучениями Солнца, видимых и невидимых звезд, туманностей в соответствующих диапазонах частот.

Взаимные (перекрестные, crosstalk) помехи или наводки возникают при передаче информации по смежным каналам — сигнал, переданный по одному каналу связи, создает нежелательный эффект в другом (возникает интерференция сигналов).

Наименее защищенными от влияния помех являются беспроводные каналы связи. На них действуют как внешние, так и перекрестные помехи. В беспроводных домашних сетях внешние помехи возникают от работающих микроволновых печей, компьютеров, сотовых телефонов и т.д. А перекрестные наводки связанны с помехами от другого беспроводного оборудования, работающего на той же частоте. Это особенно актуально в многоквартирных домах, где домашние сети в основном построены с использованием беспроводных технологий.

Среди кабельных каналов наиболее подвержены влиянию помех каналы на основе электрических кабелей. Для борьбы с помехами разработчики электрических кабелей используют: экранирование (shielding) и скручивание проводников. Экранирование используется для защиты от электромагнитных и радиопомех. Экран представляет собой металлическую оплетку или фольгу, которая окружает каждый провод или группу проводов в кабеле. Он действует как барьер для взаимодействующих сигналов.

Электрические кабели сами являются источником электромагнитного излучения, которое может вызывать перекрестные помехи. В кабелях на основе витой пары эти помехи известны как перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT) и перекрестные наводки на дальнем конце (Far End Cross Talk, FEXT) и связаны с взаимным влиянием электромагнитных полей сигналов, передаваемых по разным парам проводников. Для подавления этих электромагнитных полей используется скручивание проводников витой пары.

Наиболее защищенными от помех являются оптические каналы. На волоконно-оптические кабели не воздействуют электромагнитные помехи (EMI), радиочастотные помехи (RFI), молнии и скачки высокого напряжения. Также волоконно-оптические кабели не создают никаких электромагнитных или радиочастотных помех.

Чтобы шумы заметно не снижали качества передачи, их влияние необходимо ограничивать. Методы борьбы с шумами заключаются в обеспечении такого уровня сигнала в месте приема, который бы обеспечил требуемое качество принимаемого сигнала.

Одним из важных параметров канала связи, позволяющим оценить мешающее воздействие помех на сигнал являетсяотношение сигнал/шум (SNR, Signal-to-Noise Ratio). Оно определяется как отношение мощности сигнала Pс к мощности шума (помех) Pш и выражается в децибелах (дБ):

,

где Pс – мощность сигнала; Pш – мощность шума (помех).

При этом чем больше отношение сигнал/шум, тем меньше шум влияет на полезный сигнал при его передаче по каналу связи и ведет к хорошему распознаванию сигнала приемником.

Для повышения помехоустойчивости канала связи применяются следующие методы:

● увеличение отношения сигнал/шум;

● расширение спектра сигнала;

● увеличение избыточности информации;

● применение помехоустойчивых кодов;

● фильтрация полезного сигнала.

Пропускная способность

Пропускная способность (throughput) канала связи — максимально возможная скорость передачи информации через канал, определенная его ограничениями. Измеряется пропускная способность в битах в секунду (бит/с или bps — bits per second) и производных единицах.

Максимальная пропускная способность зависит от полосы пропускания канала связи и отношения сигнал/шум и может быть рассчитана по формуле Клода Шеннона:

где C – максимальная пропускная способность канала (бит/с); F – ширина полосы пропускания канала (Гц); SRN – отношение сигнал/шум.

Как видно из формулы, максимальная пропускная способность канала может быть повышена за счет увеличения полосы пропускания F или увеличения отношения сигнал/шум. При этом первый способ более эффективен и менее трудоемок по сравнению со вторым, в связи с логарифмической зависимостью С от SRN.

Термин «пропускная способность» может иметь теоретическое и практическое значение. Обычно он используется в практическом смысле и служит средством измерения количества полезных данных, переданных через конкретный канал связи в данный период времени при определенных условиях. Теоретическая пропускная способность ограничена шириной полосы пропускания или скоростью передачи данных конкретной технологии. Например, в спецификации Gigabit Ethernet определена работа на скорости 1 Гбит/с. Для сети Gigabit Ethernet это значение будет предельным верхним значением пропускной способности. Однако реальная пропускная способность сети всегда будет меньше теоретической, т.к. зависит от параметров каналообразующей аппаратуры, способов организации передачи данных, количества узлов, подключенных к каналу связи. Также на снижение пропускной способности влияют накладные расходы, связанные с передачей по сети служебных сообщений, которые требуются для работы сетевых протоколов.

Следует понимать различие между скоростью передачи данных и символьной скоростью. Скорость передачи данных (information rate, data rate) – это скорость передачи битов, измеряемая в бит/с и производных единицах.

Читайте также:  Задачи по информатике pascal abc

Символьная скорость (symbol rate) или скорость модуляции – это скорость изменения символов, измеряемая в бодах или символах в секунду. Каждый символ представляет один или несколько битов информации в зависимости от выбранного способа их кодирования.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Канал связи – это совокупность средств, предназначенных для передачи сигналов (сообщений).
Для анализа информационных процессов в канале связи можно использовать его обобщенную схему, приведенную на рис. 1.

На рис. 1 приняты следующие обозначения: X, Y, Z, W – сигналы, сообщения; f – помеха; ЛС – линия связи; ИИ, ПИ – источник и приемник информации; П – преобразователи (кодирование, модуляция, декодирование, демодуляция).

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.

4. Избыточность – обеспечивает достоверность передаваемой информации (R = 0¸1).
Одной из задач теории информации является определение зависимости скорости передачи информации и пропускной способности канала связи от параметров канала и характеристик сигналов и помех.
Канал связи образно можно сравнивать с дорогами. Узкие дороги – малая пропускная способность, но дешево. Широкие дороги – хорошая пропускная способность, но дорого. Пропускная способность определяется самым «узким» местом.
Скорость передачи данных в значительной мере зависит от передающей среды в каналах связи, в качестве которых используются различные типы линий связи.

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

Дискретный канал представляет собой совокупность средств, предназначенных для передачи дискретных сигналов [5].
Пропускная способность канала связи – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины.Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени. Определим выражения для расчета скорости передачи информации и пропускной способности дискретного канала связи.
При передаче каждого символа в среднем по каналу связи проходит количество информации, определяемое по формуле
I (Y, X) = I (X, Y) = H(X) – H (X/Y) = H(Y) – H (Y/X), (2)
где: I (Y, X) – взаимная информация, т.е.количество информации, содержащееся в Y относительно X; H(X) – энтропия источника сообщений; H (X/Y) – условная энтропия, определяющая потерю информации на один символ, связанную с наличием помех и искажений.
При передаче сообщения XT длительности T, состоящего из n элементарных символов, среднее количество передаваемой информации с учетом симметрии взаимного количества информации равно:
I(YT, XT) = H(XT) – H(XT/YT) = H(YT) – H(YT/XT) = n [H(X) – H (X/Y), (3)
где T = n ; – среднее время передачи одного символа; n‑число символов в сообщении длительностью Т.
Для символов равной длительности = t, в случае неравновероятных символов неравной длительности

.
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

Читайте также:  Nvidia geforce gtx 780 3gb

I (X, Y) = H(X) = H(Y); H (X/Y) = 0.
Если ХТ – количество символов за время T, то скорость передачи информации для дискретного канала связи без помех равна
(6)
где V = 1/ – средняя скорость передачи одного символа.
Пропускная способность для дискретного канала связи без помех
(7)
Т.к. максимальная энтропия соответствует для равновероятных символов, то пропускная способность для равномерного распределения и статистической независимости передаваемых символов равна:
. (8)
Первая теорема Шеннона для канала:Если поток информации, вырабатываемый источником, достаточно близок к пропускной способности канала связи, т.е.
, где — сколь угодно малая величина,
то всегда можно найти такой способ кодирования, который обеспечит передачу всех сообщений источника, причем скорость передачи информации будет весьма близкой к пропускной способности канала.
Теорема не отвечает на вопрос, каким образом осуществлять кодирование.
Пример 1. Источник вырабатывает 3 сообщения с вероятностями:
p1 = 0,1; p2 = 0,2 и p3 = 0,7.
Сообщения независимы и передаются равномерным двоичным кодом (m = 2) с длительностью символов, равной 1 мс. Определить скорость передачи информации по каналу связи без помех.
Решение: Энтропия источника равна

[бит/с].
Для передачи 3 сообщений равномерным кодом необходимо два разряда, при этом длительность кодовой комбинации равна 2t.
Средняя скорость передачи сигнала
V =1/2t = 500 [1/c].
Скорость передачи информации
C = vH = 500×1,16 = 580 [бит/с].

2.2 Дискретный канал связи с помехами

Мы будем рассматривать дискретные каналы связи без памяти.
Каналом без памяти называется канал, в котором на каждый передаваемый символ сигнала, помехи воздействуют, не зависимо от того, какие сигналы передавались ранее. То есть помехи не создают дополнительные коррелятивные связи между символами. Название «без памяти» означает, что при очередной передаче канал как бы не помнит результатов предыдущих передач.
При наличии помехи среднее количество информации в принятом символе сообщении – Y, относительно переданного – X равно:
.
Для символа сообщения XT длительности T, состоящегоиз n элементарных символов среднее количество информации в принятом символе сообщении – YT относительно переданного – XT равно:
I(YT, XT) = H(XT) – H(XT/YT) = H(YT) – H(YT/XT) = n [H(Y) – H (Y/X). (9)
Для определения потерь в дискретном канале связи используется канальная матрица (матрица переходных вероятностей), позволяющая определить условную энтропию характеризующую потерю информации на символ сообщения.
Скорость передачи информации по дискретному каналу с помехами
равна:
(10)
Пропускная способность дискретного канала при наличии помех равна максимально допустимой скорости передачи информации, причем максимум разыскивается по всем распределениям вероятностей p(x) на X и, поскольку, энтропия максимальна для равномерного распределения (для равновероятных символов сообщения), то выражение для пропускной способности имеет вид:
. (11)
Как видно из формулы, наличие помех уменьшает пропускную способность канала связи.

Пример. По каналу связи передаются сообщения, вероятности которых соответственно равны:

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:

Определить:
1. Энтропию источника информации – H(X).
2. Безусловную энтропию приемника информации – H(Y).
3. Общую условную энтропию – H (Y/X).
4. Скорость передачи информации, если время передачи одного символа первичного алфавита t = 0,1 мс.
5. Определить потери информации в канале связи при передаче 500 символов алфавита.
6. Среднее количество принятой информации.
7. Пропускную способность канала связи.
Решение:
1. Энтропия источника сообщений равна

2. Вероятности появления символов на входе приемника


Проверка:

Энтропия приемника информации равна

3. Общая условная энтропия равна
4. Скорость передачи информации равна:

=(1,85–0,132)/0,0001=17,18 Кбит/с.
5. Потери информации в канале связи при передаче 500 символов алфавита равны:
500×0,132=66 бит.
6. Среднее количество принятой информации равно:

=500×(1,85–0,132)=859 бит.
7. Пропускная способность канала связи
(2–0,132)/0,0001=18,68 Кбит/с.

2.3 Пропускная способность бинарного, симметричного канала

Бинарным дискретным каналом называется канал, по которому передается только два элементарных дискретных символа (т.е. используется двоичный код).
Симметричным дискретным каналом называется канал, в котором. вероятности не зависят от передаваемых символов, т.е. вероятности правильной передачи одинаковы (p(x1)= p(x2)) и вероятности ошибочной передачи одинаковы (p(y1 /x2)= p(y2/x1)).
Рассмотрим двоичный дискретный канал, по которому передаются дискретные символы «0» и «1» (m=2). Если передаваемые символы независимы и равновероятны (p(x1)= p(x2)=1/2), то сигнал имеет максимальную энтропию (Hmax(X)=1), при этом p (1/0) = p (0/1).
Если Pош – вероятность ошибки то 1‑Рош – вероятность правильного приема. Диаграмма передачи двоичных сигналов по симметричному калу приведена на рис. 2.
p(y1/ x1) = 1‑Рош
x1 не искажен y1

искажен p(y1/x2) =Pош
искажен p(y2/x1) =Pош
x2 не искажен y2
p(y2 / x2)= 1‑Рош
Рис. 2. Диаграмма переходных вероятностей симметричного канала

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

Пример. Определить скорость передачи по двоичному, симметричному каналу связи , если шумы в канале вносят ошибки, таким образом, что в среднем 4 символа из 100 принимаются неверно (т.е. «1» вместо «0» и наоборот).

Решение:
Составим таблицу вероятностей:
p(x) = 0,5; p(y/ x) = 0,96;
p(x1) = 0,5; p(y1/ x) = 0,04;
p(y) = 0,5; p(y/ x1) = 0,04;
p(y1) = 0,5; p(y1/ x1) = 0,96.
Пропускная способность для двоичного, симметричного канала

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector