Основные характеристики канала связи

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

● полосу пропускания;

● затухание;

● помехоустойчивость;

● пропускную способность;

● 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 f_в и нижней f_н граничных частот участка АЧХ, на котором мощность сигнала уменьшается не более чем в 2 раза по сравнению с максимальным значением: F = f_в - f_н (что приблизительно соответствует −3 дБ).

Измеряется полоса пропускания в герцах (Гц).

Рис. 3.12 Полоса 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 P_вых – мощность выходного сигнала; P_вх – 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. 3.14 Влияние помех на канал связи

 

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: э кранирование (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 является отношение сигнал/шум (SNR, Signal-to-Noise Ratio). Оно определяется как отношение мощности сигнала P_с к мощности шума (помех) P_ш и выражается в децибелах (дБ):

 

,

 

где P_с – мощность сигнала; P_ш – 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.

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.