Урок на тему:"Каналы связи. Передача информации"

Используют следующие характеристики канала

Эффективно передаваемая полоса частот $\Delta F$ ;
Динамический диапазон $D = 10 \lg {P_{max} \over P_{min}}$ ;
Помехозащищённость $A$ ;
Объём $V_k$ .

Помехоустойчивость

Помехозащищённость $A = 10 \lg {P_{min~signal} \over P_{noise}}$ . Где ${P_{min~signal} \over P_{noise}}$ - минимальное отношение сигнал/шум ;

Объём канала

Объём канала $V$ определяется по формуле: $V_k=\Delta F_k\cdot T_k\cdot D_k$ ,

где $T_k$ - время, в течение которого канал занят передаваемым сигналом;

Для передачи сигнала по каналу без искажений объём канала $V_k$ должен быть больше либо равен объёму сигнала $V_s$ , то есть $V_k \geqslant ~V_s$ . Простейший случай вписывания объёма сигнала в объём канала - это достижение выполнения неравенств $\Delta F_k\geqslant~\Delta F_s$ , $T_k \geqslant~T_s$ > и $\Delta D_k \geqslant~\Delta D_s$ . Тем не менее, $V_k \geqslant ~V_s$ 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 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 $S_2$ и $S_1$ , а также установлению связи между ними, характеризующейся оператором $L$ , то есть

$S_2= L(S_1)$ .

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 $S_2$ является детерминированным, то есть

$S_2(t)=\gamma ~S_1(t-\tau)$

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 $\tau$ является случайной величиной . Например, если входной сигнал $S_1(t)$ является узкополосным , то сигнал $S_2(t)$ на выходе канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом определяется следующим образом:

$S_2(t)=\gamma (cos(\theta) u(t)-sin(\theta) H(u(t)) + n(t)$ ,

где учтено, что входной сигнал $S_1(t)$ может быть представлен в виде:

$S_1(t)=cos(\theta) u(t)-sin(\theta) H(u(t))$ ,

Модели дискретно-непрерывных каналов связи

Также существуют модели дискретно-непрерывных каналов связи

См. также

Напишите отзыв о статье "Канал связи"

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. - ISBN 5-256-01288-6 .
Радиотехника / Под ред. Мазора Ю.Л., Мачусского Е.А., Правды В.И.. - Энциклопедия. - М .: ИД «Додэка-XXI», 2002. - С. 488. - 944 с. - ISBN 5-94120-012-9 .
Прокис, Дж. Цифровая связь = Digital Communications / Кловский Д. Д.. - М .: Радио и связь, 2000. - 800 с. - ISBN 5-256-01434-X .
Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение = Digital Communications: Fundamentals and Applications. - 2-е изд. - М .: Вильямс , 2007. - 1104 с. - ISBN 0-13-084788-7 .
Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра = Wireless Digital Communications: Modulation and Spread Spectrum Applications. - М .: Радио и связь, 2000. - 552 с. - ISBN 5-256-01444-7 .

Ссылки

Канал связи - статья из Большой советской энциклопедии .

Отрывок, характеризующий Канал связи

– Где Анферовы! – сказала баба. – Анферовы еще с утра уехали. А это либо Марьи Николавны, либо Ивановы.
– Он говорит – женщина, а Марья Николавна – барыня, – сказал дворовый человек.
– Да вы знаете ее, зубы длинные, худая, – говорил Пьер.
– И есть Марья Николавна. Они ушли в сад, как тут волки то эти налетели, – сказала баба, указывая на французских солдат.
– О, господи помилуй, – прибавил опять дьякон.
– Вы пройдите вот туда то, они там. Она и есть. Все убивалась, плакала, – сказала опять баба. – Она и есть. Вот сюда то.
Но Пьер не слушал бабу. Он уже несколько секунд, не спуская глаз, смотрел на то, что делалось в нескольких шагах от него. Он смотрел на армянское семейство и двух французских солдат, подошедших к армянам. Один из этих солдат, маленький вертлявый человечек, был одет в синюю шинель, подпоясанную веревкой. На голове его был колпак, и ноги были босые. Другой, который особенно поразил Пьера, был длинный, сутуловатый, белокурый, худой человек с медлительными движениями и идиотическим выражением лица. Этот был одет в фризовый капот, в синие штаны и большие рваные ботфорты. Маленький француз, без сапог, в синей шипели, подойдя к армянам, тотчас же, сказав что то, взялся за ноги старика, и старик тотчас же поспешно стал снимать сапоги. Другой, в капоте, остановился против красавицы армянки и молча, неподвижно, держа руки в карманах, смотрел на нее.
– Возьми, возьми ребенка, – проговорил Пьер, подавая девочку и повелительно и поспешно обращаясь к бабе. – Ты отдай им, отдай! – закричал он почти на бабу, сажая закричавшую девочку на землю, и опять оглянулся на французов и на армянское семейство. Старик уже сидел босой. Маленький француз снял с него последний сапог и похлопывал сапогами один о другой. Старик, всхлипывая, говорил что то, но Пьер только мельком видел это; все внимание его было обращено на француза в капоте, который в это время, медлительно раскачиваясь, подвинулся к молодой женщине и, вынув руки из карманов, взялся за ее шею.
Красавица армянка продолжала сидеть в том же неподвижном положении, с опущенными длинными ресницами, и как будто не видала и не чувствовала того, что делал с нею солдат.
Пока Пьер пробежал те несколько шагов, которые отделяли его от французов, длинный мародер в капоте уж рвал с шеи армянки ожерелье, которое было на ней, и молодая женщина, хватаясь руками за шею, кричала пронзительным голосом.
– Laissez cette femme! [Оставьте эту женщину!] – бешеным голосом прохрипел Пьер, схватывая длинного, сутоловатого солдата за плечи и отбрасывая его. Солдат упал, приподнялся и побежал прочь. Но товарищ его, бросив сапоги, вынул тесак и грозно надвинулся на Пьера.
– Voyons, pas de betises! [Ну, ну! Не дури!] – крикнул он.
Пьер был в том восторге бешенства, в котором он ничего не помнил и в котором силы его удесятерялись. Он бросился на босого француза и, прежде чем тот успел вынуть свой тесак, уже сбил его с ног и молотил по нем кулаками. Послышался одобрительный крик окружавшей толпы, в то же время из за угла показался конный разъезд французских уланов. Уланы рысью подъехали к Пьеру и французу и окружили их. Пьер ничего не помнил из того, что было дальше. Он помнил, что он бил кого то, его били и что под конец он почувствовал, что руки его связаны, что толпа французских солдат стоит вокруг него и обыскивает его платье.
– Il a un poignard, lieutenant, [Поручик, у него кинжал,] – были первые слова, которые понял Пьер.
– Ah, une arme! [А, оружие!] – сказал офицер и обратился к босому солдату, который был взят с Пьером.
– C"est bon, vous direz tout cela au conseil de guerre, [Хорошо, хорошо, на суде все расскажешь,] – сказал офицер. И вслед за тем повернулся к Пьеру: – Parlez vous francais vous? [Говоришь ли по французски?]
Пьер оглядывался вокруг себя налившимися кровью глазами и не отвечал. Вероятно, лицо его показалось очень страшно, потому что офицер что то шепотом сказал, и еще четыре улана отделились от команды и стали по обеим сторонам Пьера.
– Parlez vous francais? – повторил ему вопрос офицер, держась вдали от него. – Faites venir l"interprete. [Позовите переводчика.] – Из за рядов выехал маленький человечек в штатском русском платье. Пьер по одеянию и говору его тотчас же узнал в нем француза одного из московских магазинов.
– Il n"a pas l"air d"un homme du peuple, [Он не похож на простолюдина,] – сказал переводчик, оглядев Пьера.
– Oh, oh! ca m"a bien l"air d"un des incendiaires, – смазал офицер. – Demandez lui ce qu"il est? [О, о! он очень похож на поджигателя. Спросите его, кто он?] – прибавил он.
– Ти кто? – спросил переводчик. – Ти должно отвечать начальство, – сказал он.
– Je ne vous dirai pas qui je suis. Je suis votre prisonnier. Emmenez moi, [Я не скажу вам, кто я. Я ваш пленный. Уводите меня,] – вдруг по французски сказал Пьер.
– Ah, Ah! – проговорил офицер, нахмурившись. – Marchons!
Около улан собралась толпа. Ближе всех к Пьеру стояла рябая баба с девочкою; когда объезд тронулся, она подвинулась вперед.
– Куда же это ведут тебя, голубчик ты мой? – сказала она. – Девочку то, девочку то куда я дену, коли она не ихняя! – говорила баба.
– Qu"est ce qu"elle veut cette femme? [Чего ей нужно?] – спросил офицер.
Пьер был как пьяный. Восторженное состояние его еще усилилось при виде девочки, которую он спас.
– Ce qu"elle dit? – проговорил он. – Elle m"apporte ma fille que je viens de sauver des flammes, – проговорил он. – Adieu! [Чего ей нужно? Она несет дочь мою, которую я спас из огня. Прощай!] – и он, сам не зная, как вырвалась у него эта бесцельная ложь, решительным, торжественным шагом пошел между французами.
Разъезд французов был один из тех, которые были посланы по распоряжению Дюронеля по разным улицам Москвы для пресечения мародерства и в особенности для поимки поджигателей, которые, по общему, в тот день проявившемуся, мнению у французов высших чинов, были причиною пожаров. Объехав несколько улиц, разъезд забрал еще человек пять подозрительных русских, одного лавочника, двух семинаристов, мужика и дворового человека и нескольких мародеров. Но из всех подозрительных людей подозрительнее всех казался Пьер. Когда их всех привели на ночлег в большой дом на Зубовском валу, в котором была учреждена гауптвахта, то Пьера под строгим караулом поместили отдельно.

В Петербурге в это время в высших кругах, с большим жаром чем когда нибудь, шла сложная борьба партий Румянцева, французов, Марии Феодоровны, цесаревича и других, заглушаемая, как всегда, трубением придворных трутней. Но спокойная, роскошная, озабоченная только призраками, отражениями жизни, петербургская жизнь шла по старому; и из за хода этой жизни надо было делать большие усилия, чтобы сознавать опасность и то трудное положение, в котором находился русский народ. Те же были выходы, балы, тот же французский театр, те же интересы дворов, те же интересы службы и интриги. Только в самых высших кругах делались усилия для того, чтобы напоминать трудность настоящего положения. Рассказывалось шепотом о том, как противоположно одна другой поступили, в столь трудных обстоятельствах, обе императрицы. Императрица Мария Феодоровна, озабоченная благосостоянием подведомственных ей богоугодных и воспитательных учреждений, сделала распоряжение об отправке всех институтов в Казань, и вещи этих заведений уже были уложены. Императрица же Елизавета Алексеевна на вопрос о том, какие ей угодно сделать распоряжения, с свойственным ей русским патриотизмом изволила ответить, что о государственных учреждениях она не может делать распоряжений, так как это касается государя; о том же, что лично зависит от нее, она изволила сказать, что она последняя выедет из Петербурга.
У Анны Павловны 26 го августа, в самый день Бородинского сражения, был вечер, цветком которого должно было быть чтение письма преосвященного, написанного при посылке государю образа преподобного угодника Сергия. Письмо это почиталось образцом патриотического духовного красноречия. Прочесть его должен был сам князь Василий, славившийся своим искусством чтения. (Он же читывал и у императрицы.) Искусство чтения считалось в том, чтобы громко, певуче, между отчаянным завыванием и нежным ропотом переливать слова, совершенно независимо от их значения, так что совершенно случайно на одно слово попадало завывание, на другие – ропот. Чтение это, как и все вечера Анны Павловны, имело политическое значение. На этом вечере должно было быть несколько важных лиц, которых надо было устыдить за их поездки во французский театр и воодушевить к патриотическому настроению. Уже довольно много собралось народа, но Анна Павловна еще не видела в гостиной всех тех, кого нужно было, и потому, не приступая еще к чтению, заводила общие разговоры.

Для того чтобы передавать различную информацию, изначально должна быть создана среда ее распространения, которая представляет собой совокупность линий, или же каналов передачи данных со специализированным приемо-передающим оборудованием. Линии, или же каналы связи, представляют собой связующее звено в любой современной системе передачи данных, и с точки зрения организации подразделяются на два основных типа - это линии и каналы.

Линия связи представляет собой множество кабелей или же проводов, при помощи которых объединяются пункты связи между собой, а абоненты объединяются с ближайшими узлами. При этом каналы связи могут быть созданы самым разным образом в зависимости от особенностей определенного объекта и схемы.

Какими они могут быть?

Они могут представлять собой физические проводные каналы, которые основываются на использовании специализированных кабелей, а также могут быть волновыми. Волновые каналы связи формируются для организации в определенной среде всевозможных видов радиосвязи с использованием антенн, а также выделенной полосы частот. При этом как оптические, так и электрические каналы связи также подразделяются на два основных типа - это проводные и беспроводные. В связи с этим оптический и электрический сигнал может передаваться через провода, эфир, а также множество других способов.

В телефонной сети после того как будет набран номер, канал образуется на то время, пока будет присутствовать соединение, к примеру, между двумя абонентами, а также пока будет поддерживаться сеанс голосовой связи. Проводные каналы связи формируются посредством использования специализированного оборудования уплотнения, при помощи которого можно в течение длительного или же короткого времени передавать через линии связи информацию, которая подается из огромнейшего количества различных источников. Такие линии включают в себя одну или же одновременно несколько пар кабелей и предоставляют возможность передачи данных на достаточно большое расстояние. Вне зависимости от того, какие виды каналов связи рассматриваются, в радиосвязи они представляют собой среду передачи данных, которая организуется для какого-то определенного или же одновременно нескольких сеансов связи. Если речь идет именно о нескольких сеансах, то в таком случае может применяться так называемое частотное распределение.

Какие есть виды?

Точно так же, как и в современных средствах связи, существуют различные виды каналов связи:

Цифровые.
Аналоговые.
Аналогово-цифровые.

Цифровые

Данный вариант является на порядок более дорогостоящим по сравнению с аналоговыми. При помощи таких каналов достигается предельно высокое качество транслирования данных, а также появляется возможность внедрения различных механизмов, с помощью которых достигается абсолютная целостность каналов, высокая степень защищенности информации, а также использование целого ряда других сервисов. Для того чтобы обеспечить передачу аналоговой информации через технические каналы связи цифрового типа, эта информация первоначально преобразуется в цифровую.

В конце 80-х годов прошлого века появилась специализированная цифровая сеть с интеграцией услуг, более известная сегодня многим как ISDN. Предполагается, что такая сеть с течением времени сможет превратиться в глобальную цифровую магистраль, которая обеспечивает соединение офисных и домашних компьютеров, обеспечивая им достаточно большую скорость транслирования данных. Основные каналы связи данного типа могут быть:

Факс.
Телефон.
Устройства передачи данных.
Специализированное оборудование для проведения телеконференций.
И множество других.

В качестве конкуренции таким средствам могут выступать современные технологии, которые сегодня активно используются в сетях кабельного телевидения.

Другие разновидности

В зависимости от того, какая обеспечивается скорость передачи каналов связи, они подразделяются на:

Низкоскоростные. В данную категорию входят всевозможные телеграфные линии, которые отличаются чрезвычайно низкой (почти отсутствующей по нынешним меркам) скоростью передачи данных, которая достигает максимум 200 бит/с.
Среднескоростные. Здесь присутствуют аналоговые телефонные линии, обеспечивающие скорость передачи до 56000 бит/с.
Высокоскоростные или же, как их еще называют, широкополосные. Передача данных по каналам связи данного типа осуществляется на скорости более 56000 бит/с.

В зависимости от того, какие предусматриваются возможности организации направлений передачи данных, каналы связи могут подразделяться на следующие типы:

Симплексные. Организация каналов связи данного типа обеспечивает возможность транслирования данных только в каком-то определенном направлении.
Полудуплексные. Используя такие каналы, данные могут передаваться как в прямом, так и в обратном направлениях.
Дуплексные или же полнодуплексные. Используя такие каналы обратной связи, данные могут одновременно транслироваться в прямом и обратном направлениях.

Проводные

Проводные каналы связи включают в себя массу параллельных или же скрученных медных проводов, волоконно-оптических линий связи, а также специализированных коаксиальных кабелей. Если рассматривать, какие каналы связи используют кабеля, стоит выделить несколько основных:

Витая пара. Обеспечивает возможность передачи информации на скорости до 1 Мбит/с.
Коаксиальные кабели. К этой группе относятся кабели формата TV, включая как тонкий, так и толстый. В данном случае скорость передачи данных уже достигает 15 Мбит/с.
Оптоволоконные кабели. Наиболее современный и производительный вариант. Каналы связи передачи информации данного типа предусматривают скорость около 400 Мбит/с, что значительно превышает все остальные технологии.

Витая пара

Представляет собой изолированные проводники, которые между собой попарно свиваются для того, чтобы значительно снизить наводки между парами и проводниками. Стоит отметить, что на сегодняшний день существует семь категорий витых пар:

Первая и вторая применяются для того, чтобы обеспечить низкоскоростную передачу данных, причем первая представляет собой стандартный, хорошо известный всем телефонный провод.
Третья, четвертая и пятая категории используются для обеспечения скоростей передачи до 16, 25 и 155 Мбит/с, при этом разные категории предусматривают различную частоту.
Шестая и седьмая категории являются наиболее производительными. Речь идет о возможности передачи данных на скорости до 100 Гбит/с, что представляет собой самые производительные характеристики каналов связи.

Наиболее распространенной на сегодняшний день является третья категория. Ориентируясь на различные перспективные решения, касающиеся необходимости постоянно развивать пропускную способность сети, наиболее оптимальным будет использовать сети связи (каналы связи) пятой категории, которые обеспечивают скорость транслирования данных через стандартные телефонные линии.

Коаксиальный кабель

Специализированный медный проводник заключается внутрь цилиндрической экранирующей защитной оболочки, которая вьется из достаточно тонких жилок, а также является полностью изолированной от проводника при помощи диэлектрика. От стандартного телевизионного кабеля такой отличается тем, что в нем присутствует волновое сопротивление. Через такие информационные каналы связи данные могут передаваться на скорости до 300 Мбит/с.

Данный формат кабелей подразделяется на тонкий, который имеет толщину 5 мм, а также толстый - 10 мм. В современных ЛВС зачастую принято использовать тонкий кабель, так как он отличается предельной простотой в прокладывании и монтаже. Предельно высокая стоимость при непростой прокладке достаточно сильно ограничивают возможности использования таких кабелей в современных сетях передачи информации.

Сети кабельного телевидения

Такие сети основываются на применении специализированного коаксиального кабеля, аналоговый сигнал через который может транслироваться на расстояние до нескольких десятков километров. Типичная сеть кабельного телевидения отличается древовидной структурой, в которой основной узел получает сигналы со специализированного спутника или же через ВОЛС. На сегодняшний день активно используются такие сети, в которых используется волоконно-оптический кабель, при помощи которого обеспечивается возможность обслуживания больших территорий, а также транслирование более объемных данных, сохраняя при этом предельно высокое качество сигналов при отсутствии повторителей.

При симметричной архитектуре обратный и прямой сигналы транслируются при помощи единственного кабеля в разных диапазонах частот, и при этом с разными скоростями. Соответственно, обратный сигнал медленнее прямого. В любом случае, используя такие сети, можно обеспечить скорость передачи данных в несколько сотен раз больше по сравнению со стандартными телефонными линиями, в связи с чем последние уже давным-давно перестали использовать.

В организациях, в которых устанавливаются собственные кабельные сети, наиболее часто используются симметричные схемы, так как в данном случае как прямая, так и обратная передача данных осуществляется на одной скорости, которая составляет приблизительно 10 Мбит/с.

Особенности использования проводов

Количество проводов, которые могут использоваться для объединения домашних компьютеров и различной электроники, увеличивается с каждым годом. Согласно статистике, полученной в процессе исследований профессиональными специалистами, в 150-метровой квартире прокладывается приблизительно 3 км различных кабелей.

В 90-е годы прошлого века британская компания UnitedUtilities предложила довольно интересное решение данной проблемы при помощи собственной разработки под названием DigitalPowerLine, более известной сегодня по сокращению DPL. Компания предложила использовать стандартные силовые электросети в качестве среды для обеспечения высокоскоростного транслирования данных, осуществляя передачу пакетов информации или же голоса через обыкновенные электрические сети, напряжение которых составляло 120 или 220 В.

Наиболее успешной с этой точки зрения является израильская компания под названием Main.net, которая первой выпустила технологию PLC (PowerlineCommunications). При помощи данной технологии передача голоса или же данных осуществлялась со скоростью до 10 Мбит/с, при этом поток информации распределялся на несколько низкоскоростных, которые передавались на отдельных частотах, и в конечном итоге вновь объединялись в единый сигнал.

Использование технологии PLC на сегодняшний день является актуальным только в условиях транслирования данных на небольшой скорости, в связи с чем используется в домашней автоматике, различных бытовых устройствах и другом оборудовании. При помощи такой технологии достигается возможность выхода в интернет на скорости около 1 Мбит/с для тех приложений, которым требуется высокая скорость соединения.

При небольшом расстоянии между зданием и промежуточной приемопередающей точкой, которой служит трансформаторная подстанция, скорость транслирования данных может достигать 4.5 Мбит/с. Использование данной технологии активно осуществляется при формировании локальной сети в каком-нибудь жилом доме или же небольшом офисе, так как минимальная скорость передачи обеспечивает возможность покрытия расстояния до 300 метров. При помощи этой технологии обеспечивается возможность реализации различных услуг, связанных с дистанционным мониторингом, охраной объектов, а также управлением режимами объектов и их ресурсами, что входит в элементы интеллектуального дома.

Оптоволоконный кабель

Данный кабель составляется из специализированного кварцевого сердечника, диаметр которого составляет всего лишь 10 микронов. Этот сердечник окружается уникальной отражающей защитной оболочкой, внешний диаметр которой составляет около 200 микрон. Передача данных осуществляется посредством трансформации электрических сигналов в световые, используя, к примеру, какой-нибудь светодиод. Кодирование данных осуществляется посредством изменения интенсивности светового потока.

Осуществляя передачу данных, луч, который отражается от стенок волокна, в котором итоге поступает на приемный конец, имея при этом минимальное затухание. При помощи такого кабеля достигается предельно высокая степень защиты от воздействия со стороны каких-либо внешних электромагнитных полей, а также достигается достаточно высокая скорость передачи данных, которая может достигать 1000 Мбит/с.

Используя оптоволоконный кабель, есть возможность одновременной организации работы сразу нескольких сотен тысяч телефонных, видеотелефонных, а также телевизионных каналов. Если говорить о других преимуществах, присущих таким кабелям, стоит отметить следующие:

Предельно высокая сложность несанкционированного подключения.
Максимально высокая степень защиты от каких-либо возгораний.
Достаточно высокая скорость передачи данных.

Однако если говорить о том, какие недостатки имеют такие системы, стоит выделить то, что они являются довольно дорогостоящими и обуславливают необходимость в трансформации световых лазеров в электрические и наоборот. Использование таких кабелей в преимущественном большинстве случаев осуществляется в процессе прокладки магистральных линий связи, а уникальные свойства кабеля сделали его еще и достаточно распространенным среди провайдеров, обеспечивающих организацию сети интернет.

Коммутация

Помимо всего прочего, каналы связи могут быть коммутируемыми или же некоммутируемыми. Первые создаются только на определенное время, пока нужно передавать данные, в то время как некоммутируемые выделяются абоненту на конкретный промежуток времени, и не имеют никакой зависимости от того, в течение какого времени осуществлялась передача данных.

WiMAX

Такие линии, в отличие от традиционных технологий радиодоступа, могут функционировать также на отраженном сигнале, который не находится в прямой видимости той или иной базовой станции. Мнение экспертов сегодня однозначно сходится в том, что такие мобильные сети раскрывают для пользователей огромные перспективы по сравнению с фиксированным WiMAX, который является предназначенным для корпоративных заказчиков. В этом случае информация может транслироваться на достаточно большое расстояние (до 50 км), при этом характеристики каналов связи данного типа включают в себя скорость до 70 Мбит/с.

Спутниковые

Спутниковые системы предусматривают использование специализированных антенн СВЧ-диапазона частот, которые используются для приема радиосигналов от каких-либо наземных станций, и потом ретранслируют полученные сигналы обратно на другие наземные станции. Стоит отметить, что такие сети предусматривают использование трех основных видов спутников, располагающихся на средних или низких, а также геостационарных орбитах. В преимущественном большинстве случаев принято запускать спутники группами, так как, разносясь друг от друга, с их помощью обеспечивается охват всей поверхности нашей планеты.

Введение

Канал связи, канал передачи, технические устройства и тракт связи, в котором сигналы, содержащие информацию, распространяются от передатчика к приёмнику. Технические устройства (усилители электрических сигналов, устройства кодирования и декодирования сигналов и др.) размещают в промежуточных (усилительных) и оконечных пунктах связи. В качестве тракта передачи пользуются разнообразными линиями - проводными (воздушными и кабельными), радио и радиорелейными, радиоволновыми и т.д. Передатчик преобразует сообщения в сигналы, подаваемые затем на вход канала связи: по принятому сигналу на выходе канала связи приёмник воспроизводит переданное сообщение. Передатчик, канал связи и приёмник образуют систему связи, или систему передачи информации. По назначению системы, в состав которой входят каналы связи, различают: каналы телефонные, звукового вещания, телевизионные, фототелеграфные (факсимильные), телеграфные, телеметрические, телекомандные, передачи цифровой информации; по характеру сигналов, передачу которых обеспечивают каналы связи, различают каналы непрерывные и дискретные как по значениям, так и по времени. В общем случае канал связи имеет большое число входов и выходов, может обеспечивать двустороннюю передачу сигналов.

связь сигнал канал кодирование

Канал связи

Канал связи -- система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

Канал связи предназначен для передачи сигналов между удаленными устройствами. Сигналы несут информацию, предназначенную для представления пользователю (человеку), либо для использования прикладными программами ЭВМ. Канал связи включает следующие компоненты:

· передающее устройство;

· приемное устройство;

· среду передачи различной физической природы (Рис.1).

Формируемый передатчиком сигнал, несущий информацию, после прохождения через среду передачи поступает на вход приемного устройства. Далее информация выделяется из сигнала и передается потребителю. Физическая природа сигнала выбирается таким образом, чтобы он мог распространяться через среду передачи с минимальным ослаблением и искажениями. Канал необходим в качестве переносчика информации, сам он информации не несет.

Рис.1.

Рис.2

Классификация каналов связи

Классификация №1: 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;

· 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. Системы передачи информации бывают одноканальные и многоканальные. Тип системы определяется каналом связи. Если система связи построена на однотипных каналах связи, то ее название определяется типовым названием каналов. В противном случае используется детализация классификационных признаков.

Классификация №2 (более подробная): Классификация по диапазону используемых частот

· Километровые (ДВ) 1-10 км, 30-300 кГц;

· Гектометровые (СВ) 100-1000 м, 300-3000 кГц;

· Декаметровые (КВ) 10-100 м, 3-30 МГц;

· Метровые (МВ) 1-10 м, 30-300 МГц;

· Дециметровые (ДМВ) 10-100 см, 300-3000 МГц;

· Сантиметровые (СМВ) 1-10 см, 3-30 ГГц;

· Миллиметровые (ММВ) 1-10 мм, 30-300 ГГц;

· Децимилимитровые (ДММВ) 0,1-1 мм, 300-3000 ГГц.

По направленности линий связи направленные (используются различные проводники): коаксиальные, витые пары на основе медных проводников, волоконнооптические.

ненаправленные (радиолинии); прямой видимости; тропосферные; ионосферные космические; радиорелейные (ретрансляция на дециметровых и более коротких радиоволнах).

По виду передаваемых сообщений: телеграфные; телефонные; передачи данных; факсимильные.

По виду сигналов: аналоговые; цифровые; импульсные.

По виду модуляции (манипуляции) В аналоговых системах связи: с амплитудной модуляцией; с однополосной модуляцией; с частотной модуляцией. В цифровых системах связи: с амплитудной манипуляцией; с частотной манипуляцией; с фазовой манипуляцией; с относительной фазовой манипуляцией; с тональной манипуляцией (единичные элементы манипулируют под несущим колебанием (тоном), после чего осуществляется манипуляция на более высокой частоте).

По значению базы радиосигнала широкополосные (B>> 1); узкополосные (B»1).

По количеству одновременно передаваемых сообщений одноканальные; многоканальные (частотное, временное, кодовое разделение каналов);

По направлению обмена сообщений односторонние; двусторонние.

По порядку обмена сообщения симплексная связь -- двусторонняя радиосвязь, при которой передача и прием каждой радиостанции осуществляется поочередно; дуплексная связь -- передача и прием осуществляется одновременно (наиболее оперативная); полудуплексная связь -- относится к симплексной, в которой предусматривается автоматический переход с передачи на прием и возможность переспроса корреспондента.

По способам защиты передаваемой информации открытая связь; закрытая связь (засекреченная).

По степени автоматизации обмена информацией неавтоматизированные -- управление радиостанцией и обмен сообщениями выполняется оператором; автоматизированные -- вручную осуществляется только ввод информации; автоматические -- процесс обмена сообщениями выполняется между автоматическим устройством и ЭВМ без участия оператора.

Классификация №3 (что-то может повторяться):

По назначению - телефонные - телеграфные - телевизионные - радиовещательные.

По направлению передачи - симплексные (передача только в одном направлении) - полудуплексные (передача поочередно в обоих направлениях) - дуплексные (передача одновременно в обоих направлениях).

По характеру линии связи - механические - гидравлические - акустические - электрические (проводные) - радио (беспроводные) - оптические.

По характеру сигналов на входе и выходе канала связи - аналоговые (непрерывные) - дискретные по времени - дискретные по уровню сигнала - цифровые (дискретные и по времени и по уровню).

По числу каналов на одну линию связи - одноканальные - многоканальные.

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 T к, ширины спектра частот, пропускаемых каналом F к и динамического диапазона D к . , который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов

V к = T к F к D к. (1)

Условие согласования сигнала с каналом:

V c £ V k ; T c £ T k ; F c £ F k ; V c £ V k ; D c £ D k .

2.Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени.

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 .

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 X T длительности T, состоящего из n элементарных символов, среднее количество передаваемой информации с учетом симметрии взаимного количества информации равно:

I(Y T , X T) = H(X T) – H(X T /Y T) = H(Y T) – H(Y T /X T) = n . (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: , , , .

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

I (X, Y) = H(X) = H(Y); H (X/Y) = 0.

Если Х Т – 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.

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:

p 1 = 0,1; p 2 = 0,2 и p 3 = 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 =1/2 t = 500 .

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.

Существует множество видов каналов связи, которые, в зависимости от типа среды распространения принято делить на проводные, акустические, инфракрасные и радиоканалы. В зависимости от видов сигналов каналы связи можно различают

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).

По времени существования выделяют коммутируемые и некоммутируемые каналы. Коммутируемые (временные), создаются только на время передачи информации. Некоммутируемые каналы (выделенные)- создаются на длительное время с определенными постоянными характеристиками. Каналы также можно классифицировать по скорости передачи информации, диапазону частот, изменению параметров во времени (с постоянными и переменными параметрами) и т.д.

В общем случае, канал связи- это система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). В состав канала связи входят линии связи (физический уровень передачи), основные параметры которых можно разделить на две группы/12/: параметры распространения, характеризуют процесс распространения полезного сигнала, и параметры влияния, описывающие степень влияния на полезный сигнал других сигналов и помех. В каждой из этих групп можно выделить первичные и вторичные параметры. Первичные параметры характеризуют физическую природу линии, например погонную емкость или индуктивность электрического кабеля, степень неоднородности оптического волокна, а вторичные отражают некоторый обобщенный результат прохождения сигнала по линии связи. На вторичные параметры оказывают влияние как первичные параметры, так и помехи. Например, при передаче по проводной линии сигналов различных частот из-за наличия распределенного комплексного сопротивления линии коэффициент передачи для гармонических колебаний с различными частотами будет различным. Это приводит к искажениям формы сигнала.

Основными вторичными характеристиками линии связи являются: -амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);

Полоса пропускания;

Затухание;

Помехоустойчивость;

Пропускная способность;

Достоверность передачи данных.

АЧХ показывает, как изменяется амплитуда сигнала на выходе линии связи по сравнение с амплитудой на входе для различных частот передаваемого сигнала (рис.9).

Рисунок 9- Амплитудно-частотная характеристика

АЧХ дает полную картину о линии связи с точки зрения прохождения сигналов различных частот, однако получить ее достаточно трудно. Для этого нужно провести тестирование линии эталонными синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит, количество экспериментов должно быть очень большим. Поэтому на практике вместо амплитудно-частотной характеристики применяются другие, упрощенные характеристики- полоса пропускания и затухание.

Полоса пропускания является производной характеристикой от АЧХ. Она представляет собой непрерывный диапазон частот, для которых отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел.

Фактически полоса пропускания определяет частотный диапазон сигнала, при котором он передается по каналу связи без значительных искажений. Обычно полоса пропускания отсчитывается на уровне 0,7 от максимального значения АЧХ. На рис.10 показаны полосы пропускания для различных линий связи.

Рисунок 10- Полосы пропускания различных линий связи

Затухание определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по каналу сигнала определенной частоты. Часто при эксплуатации канала заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по каналу сигналов. Более

точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала. Затухание вычисляется по следующей формуле:

где Рвых - мощность сигнала на выходе канала, Рвх - мощность сигнала на входе канала.

Затухание всегда рассчитывается для определенной частоты и соотносится с длиной канала. На практике пользуются понятием "погонное затухание", т.е. затухание сигнала на единицу длины канала, например, затухание 0.3 дБ/метр. Чем меньше затухание, тем выше качество линии связи. Обычно затухание определяют для пассивных участков линии связи, состоящих из кабелей и кроссовых секций, без усилителей и регенераторов. Например, кабель с витыми парами категории 5 для внутренней проводки в зданиях, применяемый для локальных сетей, характеризуется затуханием не ниже -23.6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м. У оптического кабеля затухание существенно более низкое, и обычно лежит в диапазоне от 0.2 до 3 дБ при длине кабеля в 1000 м. Следует отметить, что практически всем оптическим волокнам свойственна сложная зависимость затухания от длины волны, с тремя так называемыми «окнами прозрачности»- 850, 1300 и 1550 нм. Наименьшие потери

обеспечиваются на длине волны 1550 нм, что позволяет достичь максимальной дальности при фиксированной мощности передатчика и фиксированной чувствительности приемника. Многомодовый кабель обладает двумя первыми окнами прозрачности, т. е. 850 и 1300 нм, а одномодовый кабель- двумя окнами прозрачности на длинах волн 1310 и 1550 нм.

Помехоустойчивость линии определяет ее способность выполнять свои

функции под действием помех со стороны внешней среды или проводников

самого кабеля. Помехоустойчивость можно оценить максимальной

интенсивностью помех, при которой нарушение функций еще не превышает

допустимых пределов. Помехоустойчивость зависит от типа используемой

физической среды, от экранирующих и подавляющих помехи средств самой

линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, наиболее-

волоконно-оптические, малочувствительные к внешнему электромагнитному излучению. Помехоустойчивость может быть повышена за счет использования для передачи сигнала помехоустойчивых кодов и специальных алгоритмов обработки.

Пропускная способность линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду. Это связано с тем, что данные в линиях связи передаются последовательно, то есть побитно. Теоретически максимально возможная пропускная способность вне зависимости от способа кодирования определяется теоремой Шеннона-Хартли:

отношение мощностей сигнала к мощности белого гауссовского шума. SNR - определяет число уровней сигнала, которые может различить приемник. Так, если SNR >3, то единичный сигнал может переносить два бита информации. Типичные скорости передачи для наиболее распространенных линий связи приведены в таблице 1.

Таблица 1- Скорость передачи данных по каналам связи

Достоверность передачи определяется степенью искажения сигнала, т.е. тем, насколько принятый сигнал соответствует переданному. В цифровых системах передачи информации достоверность передачи данных характеризует

Для ускорения разработки телемедицинских систем и оценки влияния параметров канала на качество передачи сигнала удобно использовать для моделирования среду MATLAB и Simulink, которая, предоставляя готовые к использованию модели каналов, позволяет интегрировать их в модель системы для оценки влияния различных искажений на качество передачи сигнала. Входящий в состав Simulink Communication Blockset предлагает модели таких каналов, как канал с аддитивным белым гауссовским шумом, двоичный симметричный канал, многолучевой рэлеевский канал с замиранием, райсовский канал с замиранием и др. Меняя параметры канала можно оценивать погрешность передачи для различных видов модуляции, типа помехоустойчивого кодирования и способов обработки сигнала.