Линии и каналы связи. Каналы связи Описать основные характеристики проводных каналов связи

Характеристики

Используют следующие характеристики канала

Помехозащищённость

Помехозащищённость . Где - минимальное отношение сигнал/шум ;

Объём канала

Объём канала 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

• 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 . Возможна классификация каналов связи по диапазону частот.

Модели канала связи

Канал связи описывается математической моделью , задание которой сводится к определению математических моделей выходного и входного и , а также установлению связи между ними, характеризующейся оператором , т.е.

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

Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом учитывает появление рассеяния сигнала во времени из-за нелинейности фазо-частотной характеристики канала и ограниченности его полосы пропускания, т.е. например, при передаче дискретных сообщений через канал на значение выходного сигнала будут влиять отклики канала не только на переданный символ, но и на более ранние или более поздние символы. В радиоканалах на возникновение межсимвольной интерференции влияет многолучёвое распространение радиоволн.

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 .

Модели дискретно-непрерывных каналов связи

Также существуют модели дискретно-непрерывных каналов связи

См. также

Примечания

Литература

• Зюко А. Г., Кловский Д.Д., Коржик В. И., Назаров М.В., Теория электрической связи / Под ред. Д. Д. Кловского. - Учебник для ВУЗов. - М .: Радио и связь, 1999. - 432 с. -

Линия связи и канал связи - это не одно и то же.

Линия связи (ЛС) - этофизическая среда , по которой передаются информационные сигналы. В одной линии связи может быть организовано несколько каналов связи путем временного, частотного кодового и других видов разделения - тогда говорят о логических (виртуальных) каналах. Если канал полностью монополизирует линию связи, то он может называться физическим каналом и в этом случае совпадает с линией связи. Хотя можно, например, говорить об аналоговом ил л цифровом канале связи, но абсурдно говорить об аналоговой или цифровой линии связи, ибо линия - лишь физическая среда, в которой могут быть образованы каналы связи разного типа. Тем не менее, даже говоря о физической многоканальной линии, ее часто называют каналом связи. Л С являются обязательным звеном любой системы передачи информации.

Рис. 15. 2. Классификация каналов Связи

Классификация каналов связи (КС) показана на рис. 15. 2. По физической природе ЛС и КС на их основе делятся на:

механические - используются для передачи материальных носителей информации

акустические - передают звуковой сигнал;

оптические - передают световой сигнал;

электрические - передают электрический сигнал.

Электрические и оптические КС могут быть:

проводными, использующими для передачи сигналов проводниковые линии связи (электрические провода, кабели, световоды и т. д.);

беспроводными (радиоканалы, инфракрасные каналы и т. д.), использующими для передачи сигналов электромагнитные волны, распространяющиеся по эфиру.

По форме представления передаваемой информации КС делятся на:

аналоговые - по аналоговым каналам передается информация, представленная в непрерывной форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины;

цифровые - по цифровым каналам передается информация, представленная в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов той или иной физической природы.

В зависимости от возможных направлений передачи информации различают:

симплексные КС, позволяющие передавать информацию только в одном направлении;

полудуплексные КС, обеспечивающие попеременную передачу информации в прямом и обратном направлениях;

дуплексные КС, позволяющие вести передачу информации одновременно и в прямом, и в обратном направлениях.

Каналы связи могут быть, наконец:

коммутируемыми;

некоммутируемыми.

Коммутируемые каналы создаются из отдельных участков (сегментов) только на время передачи по ним информации; по окончании передачи такой канал ликвидируется (разъединяется).

Некоммутируемые (выделенные) каналы создаются на длительное время и имеют постоянные характеристики по длине, пропускной способности, помехозащищенности.

По пропускной способности их можно разделить на:

низкоскоростные КС, скорость передачи информации в которых от 50 до 200 бит/с; это телеграфные КС, как коммутируемые (абонентский телеграф), так и некоммутируемые;

среднескоростные КС, например аналоговые (телефонные) КС; скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах V 90-V. 92 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) и до 56 000 бит/с

высокоскоростные (широкополосные) КС, обеспечивающие скорость передачи информации выше 56 000 бит/с.

Следует особо отметить, что телефонный КС является более узкополосным, нежели телеграфный, но скорость передачи данных по нему выше благодаря обязательному наличию модема, существенно снижающего F с передаваемого сигнала. При простом кодировании максимально достижимая скорость передачи данных по аналоговым каналам не превосходит 9600 бод = 9600 бит/с. Применяемые в настоящее время сложные протоколы кодирования передаваемых данных используют не два, а несколько значений параметра сигнала для отображения элемента данных и позволяют достичь скорости передачи данных по аналоговым телефонным линиям связи 56 кбит/с = 9600 бод.

По цифровым КС, организованным на базе телефонных линий, скорость передача данных благодаря уменьшению F с и увеличению Н с оцифрованного сигнала также: может быть выше (до 64 кбит/с), а при мультиплексировании нескольких цифровых каналов в один в таком составном КС скорость передачи может удваиваться, утраиваться и т. д. ; существуют подобные каналы со скоростями десятки и сотни мегабит в секунду.

Физической средой передачи информации в низкоскоростных и среднескоростных КС обычно являются проводные линии связи: группы либо параллельных, либо скрученных ("витая пара") проводов.

Для организации широкополосных КС используются различные кабели, в частности:

неэкранированные с витыми парами из медных проводов (Unshielded Twisted Pair - UTP);

экранированные с витыми парами из медных проводов (Shielded Twisted Pair - STP);

волоконно-оптические (Fiber Optic Cable - FOC);

коаксиальные (Coaxial Cable - CC);

беспроводные радиоканалы.

Витая пара - это изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения перекрестных наводок между проводниками. Такой кабель, состоящий обычно из небольшого количества витых пар (иногда даже двух), характеризуется меньшим затуханием сигнала при передаче на высоких частотах и меньшей чувствительностью к электромагнитным наводкам, чем параллельная пара проводов.

UTP-кабели чаще других используются в системах передачи данных, в частности в вычислительных сетях. Выделяют пять категорий витых пар UTP: первая и вторая категории используются при низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая - при скоростях передачи соответственно до 16, 25 и 155 Мбит/с (а при использовании стандарта технологии Gigabit Ethernet на витой паре, введенного в 1999 году, и до 1000 Мбит/с). При хороших технических характеристиках эти кабели сравнительно недороги, они удобны в работе, не требуют заземления.

STP-кабели обладают хорошими техническими характеристиками, но имеют высокую стоимость, жестки и неудобны в работе, требуют заземления экрана. Они делятся на типы: Туре 1, Туре 2, Туре 3, Туре 5, Туре 9. Из них Туре 3 определяет характеристики неэкранированного телефонного кабеля, а Туре 5 - волоконно-оптического кабеля. Наиболее популярен кабель Туре 1 стандарта IBM, состоящий из двух пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой, которую положено заземлять. Его характеристики примерно соответствуют характеристикам UTP-кабеля категории 5.

Коаксиальный кабель представляет собой медный проводник, покрытый диэлектриком и окруженный свитой из тонких медных проводников экранирующей защитной оболочкой. Коаксиальные кабели для телекоммуникаций делятся на две группы:

толстые коаксиалы;

тонкие коаксиалы.

Толстый коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 12, 5 мм и достаточно толстый проводник (2, 17 мм), обеспечивающий хорошие электрические и механические характеристики. Скорость передачи данных по толстому коаксиальному кабелю достаточно высокая (до 50 Мбит/с), но, учитывая определенное неудобство работы с ним и его значительную стоимость, рекомендовать его для использования в сетях передачи данных можно далеко не всегда.Тонкий коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 5-6 мм, он дешевле и удобнее в работе, но тонкий проводник в нем (0, 9 мм) обусловливает худшие электрические (передает сигнал с допустимым затуханием на меньшее расстояние) и механические характеристики. Рекомендуемые скорости передачи данных по "тонкому" коаксиалу не превышают 10 Мбит/с.

Основу волоконно-оптического кабеля составляют "внутренние подкабели" - стеклянные или пластиковые волокна диаметром от 5 (одномодовые) до 100 (многомодовые) микрон, окруженные твердым заполнителем и помещенные в защитную оболочку диаметром 125-250 мкм. В одном кабеле может содержаться от одного до нескольких сотен таких "внутренних подкабелей". Кабель, в свою очередь, окружен заполнителем и покрыт более толстой защитной оболочкой, внутри которой проложен один или несколько силовых элементов, принимающих на себя обеспечение механической прочности кабеля.

По одномодовому волокну (диаметр их 5-15 мкм) оптический сигнал распространяется, почти не отражаясь от стенок волокна (входит в волокно параллельно его стенкам), чем обеспечивается очень широкая полоса пропускания (до сотен гигагерц на километр). По многомодовому волокну (диаметр его 40-100 мкм) распространяются сразу много сигналов, каждый из которых входит в волокно под своим углом (своей модой) и, соответственно, отражается от стенок волокна в разных местах (полоса пропускания многомодового волокна 500-800 МГц/км).

Источником распространяемого по оптоволоконному кабелю светового луча является преобразователь электрических сигналов в оптические, например светодиод или полупроводниковый лазер. Кодирование информации осуществляется изменением интенсивности светового луча. Физической основой передачи светового луча по волокну является принцип полного внутреннего отражения луча от стенок волокна, обеспечивающий минимальное затухание сигнала, наивысшую защиту от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи. По оптоволоконному кабелю, имеющему большое число волокон, можно передавать огромное количество сообщений. На другом конце кабеля принимающий прибор преобразует световые сигналы в электрические. Скорость передачи данных по оптоволоконному кабелю очень высока и достигает величины 1000 Мбит/с, но он очень дорогой и используется обычно лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи. Такой кабель связывает столицы и крупные города большинства стран мира, а проложенный по дну Атлантического океана кабель связывает Европу с Америкой. Оптоволоконный кабель соединяет Санкт-Петербург с Москвой, прибалтийскими и скандинавскими странами, кроме того, он проложен в тоннелях метро и связывает все районы города. В вычислительных сетях оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных их участках, в частности в сети Интернет. Возможности оптоволоконных каналов поистине безграничны: по одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сот тысяч телефонных каналов, несколько тысяч видеотелефонных каналов и около тысячи телевизионных каналов.

Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Система передачи данных (СПД) по радиоканалу включает в себя радиопередатчик и радиоприемник, настроенные на один и тот же радиоволновой диапазон, который определяется частотной полосой электромагнитного спектра, используемой для передачи данных. Часто такую СПД называют просто радиоканалом. Скорости передачи данных по радиоканалу практически не ограничены (они ограничиваются полосой пропускания приемо-передающей аппаратуры). Высокоскоростной радиодоступ предоставляет пользователям каналы со скоростью передачи 2 Мбит/"с и выше. В ближайшем будущем ожидаются радиоканалы со скоростями 20-50 Мбит/с. В табл. 15. 1 представлены названия радиоволн и соответствующие им частотные полосы.

Таблица 15. 1 . Диапазоны радиоволн

Для коммерческих телекоммуникационных систем чаще всего используются частотные диапазоны 902-928 МГц и 2, 4-2, 48 ГГц (в некоторых странах, например США, при малых уровнях мощности излучения - до 1 Вт - разрешено использовать эти диапазоны без государственного лицензирования).

Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и оперативность связи. В вычислительных сетях беспроводные каналы связи для передачи данных используются чаще всего там, где применение традиционных кабельных технологий затруднено или просто невозможно. Но в ближайшем будущем ситуация может измениться - активно ведется разработка новой технологии беспроводной связи Bluetooth.

Bluetooth - это технология передачи данных по радиоканалам на короткие расстояния, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии даже в тех случаях, когда нарушается требование прямой видимости.

Общеупотребительными и уже достаточно известными являются соединения электронной аппаратуры между собой при помощи инфракрасного канала связи. Но эти соединения требуют прямой видимости. Например, пультом дистанционного управления телевизором невозможно воспользоваться, если между вами и телевизором оказался хотя бы лист газетной бумаги.

Первоначально Bluetooth рассматривалась исключительно как альтернатива использованию инфракрасных соединений между различными портативными устройствами. Но сейчас специалисты предсказывают уже два направления широкого использования Bluetooth. Первое направление - это домашние сети, включающие в себя различную электронную технику, в частности компьютеры, телевизоры и т. п. Второе, гораздо более важное направление - локальные сети офисов небольших фирм, где стандарт Bluetooth может прийти на смену традиционным проводным технологиям.

Недостатком Bluetooth является сравнительно низкая скорость передачи данных - она не превышает 720 кбит/с, поэтому эта технология не способна обеспечить передачу видеосигнала.

Телефонные линии связи являются наиболее разветвленными и широко используемыми. По телефонным линиям связи осуществляется передача звуковых (тональных) и факсимильных сообщений, они являются основой построения информационно-справочных систем, систем электронной почты и вычислительных сетей.

По телефонным линиям могут быть организованы и аналоговые, и цифровые каналы передачи информации. Рассмотрим этот вопрос, ввиду его высокой актуальности, несколько подробнее.

"Простая старая телефонная система", в англоязычной аббревиатуре POTS (Primitive Old Telephone System), состоит из двух частей: магистральной системы связи и сети доступа абонентов к ней. Наиболее простой вариант доступа абонентов к магистральной системе - использование абонентского аналогового канала связи. Большинство телефонных аппаратов подключаются к автоматической телефонной станции (АТС), являющейся уже элементом магистральной системы, именно так.

Телефонный микрофон преобразует звуковые колебания в аналоговый электрический сигнал, который и передается по абонентской линии в АТС. Требуемая для передачи человеческого голоса полоса частот составляет примерно 3 кГц, в диапазоне от 300 Гц до 3, 3 кГц. При снятии телефонной трубки формируется сигнал "off-hook", сообщающий АТС о вызове, и, если телефонная станция не занята, набирается нужный телефонный номер, который передается в АТС в виде последовательности импульсов (при импульсном наборе) или в виде комбинации сигналов звуковой частоты (при тональном наборе). Завершается разговор сигналом "on-hook", формируемым при опускании трубки. Такой тип процедуры вызова называется "in band", поскольку передача сигналов вызова производится по тому же каналу, что и передача речи.

Каналы связи являются основным звеном любой системы передачи информации. Классификацию каналов связи можно осуществить по различным признакам.

Классификация каналов связи

Поскольку существует множество различных каналов связи, то передаваемую информацию необходимо представить в виде, соответствующем данному каналу. Такое преобразование обычно связано с модуляцией сигналов.

Модуляция – изменение какого-либо параметра сигнала в канале связи (модулируемого сигнала) в соответствии с текущими значениями передаваемых данных (т.е. моделирующего сигнала). Обратное преобразование модулированного сигнала в модулирующий называется демодуляция. Для этих целей существуют специальные устройства – модемы. Название «модем» состоит из двух составляющих: первый слог обозначает модулятор – устройство прямой) преобразования сигнала, второй слог – демодулятор – устройство обратного преобразования сигнала.

В современных модемах чаще всего используются следующие виды модуляции:

частотная (FSK – Frequency Shift Keying); фазовая (PSK – Phase Shift Keying);

квадратурная амплитудная (QAM – Quadrature Amplitude Modulation).

При передаче сигналов одним из важнейших параметров является помехоустойчивость. Первые два вида модуляции являются весьма помехоустойчивыми, так как при передаче искажается обычно лишь амплитуда сигнала. В последнем виде модуляции для защищенности от помех применяют более помехоустойчивый способ – квадратурную амплитудную модуляцию.

Любое преобразование и передача данных по каналам связи осуществляются в соответствии с принятыми протоколами передачи информации.

Протокол передачи данных – это совокупность правил, которые определяют формат данных и процедуры передачи их по каналу связи, в которых, как правило, указываются способ модуляции, соединение с каналом, представление данных и т.д. Все это делается для повышения достоверности передаваемых данных.

Все модемы имеют определенные стандарты передачи данных, которые устанавливаются Международным институтом телекоммуникаций (ITU – International Telecommunication Union). Обычно стандарт включает несколько протоколов передачи данных. Одним из наиболее эффективных стандартов является стандарт V.34. Он выполняет тестирование канала связи, определяя при этом наиболее эффективный режим работы модема.

В случае передачи большого потока информации, когда она представлена в виде файла, для ее передачи необходимо использовать специальные протоколы, которые осуществляют процедуры разбиения информации на блоки, автоматическое обнаружение и исправление ошибок, повторную пересылку неверно принятых блоков информации, восстановление передачи после обрыва и т.п. Самым распространенным и эффективным протоколом, который используется на российских телефонных линиях, является Zmodem (протокол передачи файлов).

По своей конструкции модемы бывают внутренние и внешние.

Внутренний модем – это специальная плата, встраиваемая в аппаратуру, например в системную плату компьютера, имеющая специальный разъем для подключения к телефонной линии связи.

Внешний модем (автономный) – это специальный прибор (небольшая коробка), имеющий блок питания, разъемы для подключения к аппаратуре (к компьютеру и телефонной линии связи), панель с индикаторами, которые показывают различные режимы работы модема, может быть регулятор, громкости звука.

Модемы могут осуществлять как контактный интерфейс с каналом связи, так и бесконтактный (аудио), могут предназначаться для различных каналов связи и систем, различаться скоростью передачи данных.

Кроме передачи данных модемы могут выполнять и ряд других полезных функций, как, например, автоматическое определение номера входящего звонка (АОН), функции автоответчика, электронный секретарь, прием и передача факсимильных сообщений и т.д.

Рынок услуг передачи данных в России постоянно развивается. В настоящий момент на российском рынке присутствуют следующие крупнейшие компании, расположенные в порядке убывания занимаемой доли рынка:

Relcom – крупнейшая компания, использующая в основном каналы связи, арендованные у других компаний и различные протоколы связи, в том числе и протоколы сети Интернет;

Rospak ориентирована на предприятия госсектора и правительственные учреждения по протоколам серии X (ХЗ, Х25, …, Х400);

Infotel – совместное предприятие немецкой компании Deutsche Telecom и ряда российских фирм. Оно обслуживает государственные учреждения по государственным протоколам серии X, имеет доступ к другим российским сетям, банкам данных. Основное преимущество данной сети заключается в том, что она предоставляет услуги по доступу к Интернету (протоколы TCP/IP);

Sprint образована в 1990 г. в виде совместного американо-российского предприятия (российский центральный телеграф и компания Sprint International). Услуги данной компании на российском рынке считаются самыми дорогими;

Rosnet так же, как и компания Infotel, обслуживает в основном государственные учреждения по государственным протоколам серии X.

Протокол передачи данных – это совокупность правил, которые определяют формат данных и процедуры передачи их по каналу связи.

К основным характеристикам канала связи относятся следующие:

• время действия кана,за Т к - время, в течение которого канал связи выполняет свои функции;
• полоса пропускания А/ к - полоса частот колебаний, пропускаемых каналом связи без значительного ослабления;
• динамический диапазон D K , который можно представить как

зависит от чувствительности приемника Р тш и допустимых нагрузок Ртах аппаратуры канала связи;

емкость канала связи V K - произведение вышеупомянутых величин:

Если объем сигнала (5.8) превышает емкость канала связи, то такой сигнал не может быть передан без искажений (без потери информации).

Общее условие согласования сигнала с каналом передачи информации определяется соотношением

Это соотношение выражает необходимое, но не достаточное условие согласования сигнала с каналом. Достаточным является условие согласования по всем паоаметоам:

Если при выполнении условия (5.19) не обеспечивается часть условий (5.20), то можно добиться согласования трансформацией сигнала при сохранении его объема. Например, если отсутствует согласование сигнала с каналом по частоте, т.е. Afs » Д/ к, то согласование достигается записью сигнала на магнитофон при одной скорости движения ленты, а воспроизведением его при передаче - с меньшей скоростью в п раз. В результате этого длительность сигнала T s увеличивается в п раз и в и раз уменьшается ширина его спектра, при этом объем сигнала не изменяется;

количество информации 1{Х, Y) - означает количество переданной информации, содержащейся в сигнале источника Y, о состоянии объекта X и определяется количеством снятой в результате приема сигнала неопределенности, т.е. разностью априорной (до принятия сигнала) и апостериорной (после принятия сигнала) энтропий:

Отсюда вытекают следующие свойства количества информации:

• количество информации измеряется в тех же единицах, что и энтропия; чаше всего в битах;
• количество информации всегда неотрицательно: I(X,Y)> 0;
• никакое преобразование сигнала не увеличит содержащейся в нем информации;
• количество информации I(X, Y) о каком-либо источнике X, содержащейся в сигнале У, не больше энтропии этого источника: 1{Х Y) Н(Х)
• количество информации о самом себе, содержащейся в источнике X, равно его энтропии: I(X, Y) = Н(Х).

В частном случае, когда т возможных состояний источника равновероятны и независимы друг от друга, каждое состояние источника несет информацию I(X, X) = log„ т, а последовательность, состоящая из п состояний (например, телеграмма длиной в п знаков, составленная из т равновероятных символов), несет информацию I(X, X) = =/jlog a т = loga т". В данном случае количество информации, содержащейся в источнике информации, определяется логарифмом числа возможных последовательностей состояний источника (числа возможных равновероятных событий), из которых осуществляется выбор при получении информации.

Количество информации при неполной достоверности дискретных сообщений равно разности безусловной энтропии Н(Х), характеризующей начальную неопределенность сообщения, и условной энтропии, характеризующей остаточную неопределенность сообщения:

где 1(Х, У) - количество информации, содержащейся во всей совокупности принятых сообщений X, относительно всей совокупности переданных сообщений У;

где р(у) - априорная вероятность;

где р(У/,х ,) - условная вероятность, характеризующая неопределенность в сообщении х, относительно переданного сообщения у,.

Вероятность совместного появления событий у , и х„ равную р(у„ х,) , можно записать как

Вероятность равна априорной вероятности появления сообщения y h умноженной на условную (апостериорную) вероятность появления сообщения у, при условии, что принято сообщение х,.

Приведем пример передачи сообщения о состоянии выхода источника напряжения, принимающего с равной вероятностью значения напряжения 1...10 В. В этом случае сообщение несет большую информацию. Нетрудно заметить, что чем меньше вероятность события, тем большее количество информации содержится в сообщении об этом событии. Например, сообщение о том, что в июле будут заморозки, содержит много информации, так как такое событие редко и его вероятность очень мала.

Количество информации имеет выражение

Несмотря на совпадение формул, количества информации и энтропии, количество информации определяется после получения сообщения.

Единицы измерения количества информации и энтропии зависят от выбора основания логарифма: при использовании десятичных логарифмов - дит, натуральных - нит, двоичных - бит.

К основным характеристикам сигнала связи относятся также следующие:

скорость переданы информации - среднее количество информации, передаваемое по каналу связи в единицу времени. В общем случае скорость передачи зависит от длительности передаваемого сообщения Т. При достаточно длинных сообщениях скорость передачи остается постоянной. Скорость передачи информации имеет выражение

где /(Z, Y) - количество информации, передаваемое за время Т работы канала;

пропускная способность канала (С) - максимальная теоретически допустимая для данного канала скорость передачи информации:

Скорость ввода информации в канал не должна превышать пропускную способность канала, иначе информация будет утеряна. Аналитически скорость ввода информации выражается как

где 1{Х) - среднее количество информации на входе канала;

Т - длительность сообщения.

Одним из основных вопросов теории передачи информации является определение зависимости скорости передачи информации и пропускной способности от параметров канала и характеристик сигналов и помех, действующих в нем;

• амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Для определения характеристик канала связи применяется анализ его реакции на некоторое эталонное воздействие. Чаще всего в качестве эталона используются синусоидальные сигналы разных частот. АЧХ показывает, как изменяется амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех частот передаваемого сигнала;
• полоса пропускания - диапазон частот, для которых отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заданный предел (для мощности 0,5). Эта полоса частот определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Ширина полосы пропускания влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи;
• затухание канала связи (L ) - определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии связи сигнала определенной частоты. Затухание L обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по формуле

где Р„ых - мощность сигнала на выходе линии;

Р вх - мощность сигнала на входе линии;

достоверность передачи данных - характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Показателем достоверности является вероятность ошибочного приема информационного символа - Р ош. Величина Р ош для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок составляет, как правило, 10 -4 ...10 -6 . В волоконно-оптических линиях связи Р ош составляет 10 -9 . Это значит, что при Р ош = 10 -4 в среднем из 10 000 битов искажается значение одного бита. Искажения битов происходят как из-за наличия помех на линии, так и из-за искажений формы сигнала, ограниченной полосой пропускания линии. Для повышения достоверности передаваемых данных необходимо повышать степень помехозащищенности линий, а также использовать широкополосные линии связи.

Основные характеристики канала связи (рис. 5.2) – пропускная способность и достоверность передачи данных. Пропускная способность канала оценивается 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 н иf 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 – 10 2 кГц, коаксиальные – 10 2 МГц, радиорелейные – 10 3 МГц и волоконно-оптические – 10 2 МГц. 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 частотF и отношением сигнал-шумР с /Р ш, составляет (бит в секунду)

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,

Это выражение определяет пропускную способность двоичного канала. Величина в квадратных скобках определяет долю двоичных символов, которые передаются по каналу с частотой 2F без искажений. Если помехи отсутствуют, вероятность искажения символа и пропускная способность ; если вероятность искаженияр =0,5, то пропускная способностьС =0. Если по каналу передается сообщение длинойn двоичных символом, то вероятность появления в нем точноl ошибок , 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.Модулятор перемещает спектр первичного сигнала в окрестность несущей частотыf 0 .Демодулятор выполняет над сигналом обратное преобразование, формируя из модулированного сигнала импульсный двоичный сигнал.

Рис. 5.6. Способы модуляции

Способы модуляции подразделяются на аналоговые идискретные . 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 –f 0 иf 1 . Прифазовой модуляции (рис. 5.6,г ) значениям сигнала 0 и 1 соответствуют сигналы частотыf 0 с 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 Т формируются в модуляторе тактовым генераторомТГ . По каждому сигналу синхронизацииS T в 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.