Что такое помехоустойчивость линий связи

Что такое помехоустойчивость линий связи

7. ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Линия связи, ( line ) (рис. 21) состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи дан­ных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи являет­ся термин канал связи ( channel ).

Рис. 21. Состав линии связи

Физическая среда передачи данных ( medium ) может представлять собой кабель, то есть набор проводов, изоляционных и защитных оболочек и соединительных разъемов, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на следующие (рис. 22):

· кабельные (медные и волоконно-оптические);

· радиоканалы наземной и спутниковой связи.

Рис. 22. Типы линий связи

Кабельные линии представляют собой достаточно сложную конструкцию. Кабель состоит из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической, а также климатической. Кроме того, кабель может быть оснащен разъемами, позволяющими быстро выполнять присо­единение к нему различного оборудования. В компьютерных сетях применяются три основных типа кабеля: кабели на основе скрученных пар медных проводов, коак­сиальные кабели с медной жилой, а также волоконно-оптические кабели.

В компьютерных сетях сегодня применяются практически все описанные типы физических сред передачи данных, но наиболее перспективными являются волоконно-оптические. Спутниковые каналы и радиосвязь используются в тех случаях, когда кабельные связи применить нельзя — например, при прохождении канала через малонаселенную местность или же для связи с мобильным пользователем сети.

Аппаратура передачи данных ( АПД или DCE — Data Circuit terminating Equipment ) непосредственно связывает компьютеры или локальные сети и является, таким образом, пограничным оборудованием. Примерами DCE являются модемы, терминальные адаптеры сетей ISDN, оптические модемы, устройства подключения к цифровым каналам. Обычно DCE работает на физическом уровне, отвечая за передачу и прием сигнала нужной формы и мощности в физи­ческую среду.

Аппаратура пользователя линии связи, вырабатывающая данные и подключаемая непосредственно к аппаратуре передачи данных, обобщенно носит название оконечное оборудование данных ( ООД или DTE — Data Terminal Equipment ). Примером DTE могут служить компьютеры или маршрутиза­торы локальных сетей. Эту аппаратуру не включают в состав линии связи.

Промежуточная аппаратура обычно используется на линиях связи большой протяженности и решает две основные задачи:

В глобальных сетях необходимо обеспечить качественную передачу сигналов на большие расстояния. Поэтому без усилителей сигналов, уста­новленных через определенные расстояния, построить территориальную линию связи невозможно.

Промежуточная аппаратура канала связи прозрачна для пользователя. В действительности промежуточная аппаратура образует сложную сеть, которую называют первичной сетью, так как сама по себе она никаких высокоуровневых служб не поддерживает, а только служит осно­вой для построения компьютерных, телефонных или иных сетей.

К основным характеристикам линий связи относятся:

Основными являются пропускная способность и достоверность передачи данных. Они характеризуют как линии связи, так и способ передачи данных.

Из теории гармонического анализа известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд (рис. 23). Каждая синусоида называется так­же гармоникой, а набор всех гармоник называют спектральным разложением ис­ходного сигнала. Непериодические сигналы можно представить интегралом синусоид с непрерывным спектром частот (от 0 до + ∞) (рис. 24).

Рис.23. Представление периодического сигнала суммой синусоид

Рис.24. Спектральное разложение идеального импульса

Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо частоты приводит к искажению передаваемого сигнала любой формы, особенно если синусоиды различных частот искажаются неодинаково. В результате сигналы могут плохо распознаваться.

Кроме искажений сигналов, вносимых внутренними физическими параметрами линии связи, существуют и внешние помехи. Они создаются различными электричес­кими двигателями, электронными устройствами, атмосферными явлениями и т. д.

Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается с помо­щью таких характеристик, как амплитудно-частотная характеристика и полоса про­пускания.

Амплитудно-частотная характеристика (рис. 25) показывает, как затухает ам­плитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала.

Рис. 25. Амплитудно-частотная характеристика

Знание амплитудно-частотной характеристики реальной линии позволяет определить форму выходного сигнала для любого входного сигнала.

Пропускная способность ( throughput ) линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеря­ется в битах в секунду — бит/с, а также в производных единицах, таких как килобит секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как амплитудно-частотная характеристика, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис. 26).

Рис. 26. Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала

Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодированием.

Теория информации говорит, что любое различимое и непредсказуемое измене­ние принимаемого сигнала несет в себе информацию. Так большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала — частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, парамет­ры которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой.

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах ( baud ). Период времени между соседними изменениями информационного сигнала называется тактом работы передатчика. Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод, это соотношение зависит от способа кодирования.

На пропускную способность линии оказывает влияние не только физическое, но и логическое кодирование. Логическое кодирование выполняется до физического кодирования и подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей дополнительными свойствами. Дру­гим примером логического кодирования может служить шифрация данных, обес­печивающая их конфиденциальность при передаче через общественные каналы связи.

Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии и тем выше пропускная способность линии при фиксированном способе физического кодирования. Однако с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается его ширина спектра. Чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передавае­мых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации оказывается меньше.

Связь между полосой пропускания лин ии и ее максимально возможной пропуск­ной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон:

где С – максимальная пропускная способность линии, бит/с;

F – ширина полосы пропускания линии, Гц ;

Р_С – мощность сигнала;

Из этого соотношения видно, что хотя теоретического предела пропускной спо­собности линии с фиксированной полосой пропускания не существует. Однако повышение мощности передатчика ведет к значительному уве­личению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а так­же снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15 % увеличения пропускной способ­ности линии.

Близким по сути к формуле Шеннона является соотношение, полу­ченное Найквистом, которое также определяет максимально возможную пропуск­ную способность линии связи:

где М — количество различимых состояний информационного параметра.

Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влия­ние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности канала увеличивают это количество до значительных величин, но на практике оно ограничено из-за шума на линии.

Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми явля­ются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной — волоконно-оптические линии.

Источник

Помехоустойчивость линии

Помехоустойчивость линии — способность линии уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде и на внутренних проводниках. Эта способность целиком и полностью зависит от:

Наименьшим является показатель помехоустойчивости у радиолиний, гораздо большей устойчивостью обладают кабельные линии и наилучшей — волоконно-оптические линии, малочувствительные ко внешнему электромагнитному излучению. Стандартными способами уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, являются методы экранирования и/или скручивания проводников.

Перекрестные наводки на ближнем конце

Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk — NEXT) определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех. Внутренними называются помехи, возникающие при передаче электромагнитного сигнала по паре проводников, которые наводят на другую пару проводников сигнал помехи. В случае, когда ко второй паре подключен приемник, то наведенная помеха может быть принята за полезный сигнал.

Показатель NEXT рассчитывается следующим образом:

где Рвых — мощность выходного сигнала, Рнав — мощность наведенного сигнала. Выражается в децибелах

Интерпретация показателя NEXT

Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Например, для витой пары категории 5 значение NEXT должно быть не более −27 дБ при частоте 100 МГц.

Показатель NEXT обычно используется применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для коаксиального кабеля, с одной экранированной жилой, этот показатель не рассчитывается, также как и для двойного, в силу высокой защищенности каждого из элементов в составе кабеля. Оптические волокна обладают высокой степенью защиты и практически не создают помех друг для друга.

В Современных технологиях используется передача данных по нескольким витым парам единовременно. Ввиду этих тенденций, для определения помехоустойчивости стал применяться показатель PowerSUM. Этот показатель — модификация NEXT. Он отражает суммарную мощность перекрестных наводок от всех передающих пар в кабеле.

Достоверность передачи данных. BER

Источники

Полезное

Смотреть что такое «Помехоустойчивость линии» в других словарях:

Линии питания — Примечание. Временными параметрами импульса напряжения являются: время нарастания между 10 и 90 % амплитуды; длительность на уровне 50 % амплитуды между нарастанием и спадом Линии, отходящие от источника питания (пере Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Линии управления — менного или постоянного тока) Линии, предназначенные для управления, сигнали Источник: ГОСТ 29280 92: Совместимость технических средств электромагнитная. Испытания на помехоустойчивость. Общие положения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ 29280-92: Совместимость технических средств электромагнитная. Испытания на помехоустойчивость. Общие положения — Терминология ГОСТ 29280 92: Совместимость технических средств электромагнитная. Испытания на помехоустойчивость. Общие положения оригинал документа: Импульс напряжения ни, короткий по сравнению с полной рассматриваемой шкалой времени Переходный… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

напряжение — 3.10 напряжение: Отношение растягивающего усилия к площади поперечного сечения звена при его номинальных размерах. Источник: ГОСТ 30188 97: Цепи грузоподъемные калиброванные высокопрочные. Технические условия … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

РМ 4-239-91: Системы автоматизации. Словарь-справочник по терминам. Пособие к СНиП 3.05.07-85 — Терминология РМ 4 239 91: Системы автоматизации. Словарь справочник по терминам. Пособие к СНиП 3.05.07 85: 4.2. АВТОМАТИЗАЦИЯ 1. Внедрение автоматических средств для реализации процессов СТИСО 2382/1 Определения термина из разных документов:… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ 19542-93: Совместимость средств вычислительной техники электромагнитная. Термины и определения — Терминология ГОСТ 19542 93: Совместимость средств вычислительной техники электромагнитная. Термины и определения оригинал документа: 13 аппаратурный уровень помехоустойчивости (средства вычислительной техники): Уровень помехоустойчивости средства … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ Р 51329-99: Совместимость технических средств электромагнитная. Устройства защитного отключения, управляемые дифференциальным током (УЗО-Д), бытового и аналогичного назначения. Требования и методы испытаний — Терминология ГОСТ Р 51329 99: Совместимость технических средств электромагнитная. Устройства защитного отключения, управляемые дифференциальным током (УЗО Д), бытового и аналогичного назначения. Требования и методы испытаний оригинал документа: 3 … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ Р 50907-96: Радиосистемы ближней навигации. Термины и определения — Терминология ГОСТ Р 50907 96: Радиосистемы ближней навигации. Термины и определения оригинал документа: 11 (географический) азимут: Двугранный угол между плоскостью меридиана данной точки и вертикальной плоскостью, проходящей в данном направлении … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА — устройство, предназначенное для приема и излучения звука в водной среде и обеспечивающее совместно с электрическими цепями, управляющими его характеристиками, заданную пространственную избирательность излучения или приема. Основными составными… … Морской энциклопедический справочник

Требования — 5.2 Требования к вертикальной разметке 5.2.1 На поверхность столбиков, обращенную в сторону приближающихся транспортных средств, наносят вертикальную разметку по ГОСТ Р 51256 в виде полосы черного цвета (рисунки 9 и 10) и крепят световозвращатели … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Источник

Помехоустойчивость линии связи

Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной – волоконно-оптические линии, малочувствительные к внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют и/или скручивают.

Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk – NEXT) определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. Если ко второй паре будет подключен приемник, то он может принять наведенную внутреннюю помеху за полезный сигнал. Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен 10 log Рвых/Рнав, где Рвых – мощность выходного сигнала, Рнав – мощность наведенного сигнала.

Показатель NEXT обычно используется применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для одинарного коаксиального кабеля (то есть состоящего из одной экранированной жилы) этот показатель не имеет смысла, а для двойного коаксиального кабеля он также не применяется вследствие высокой степени защищенности каждой жилы. Оптические волокна также не создают, сколько-нибудь заметных помех друг для друга.

В связи с тем, что в некоторых новых технологиях используется передача данных одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стал применяться показатель PowerSUM, являющийся модификацией показателя NEXT. Этот показатель отражает суммарную мощность перекрестных наводок от всех передающих пар в кабеле.

Достоверность передачи данных

Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы сигнала ограниченной полосой пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а также использовать более широкополосные линии связи.

Практическая работа №10

Тема: «Принципы построение локальных вычислительных сетей»

Цель работы:

1. Научиться обосновать потребности проектирования ЛВС.

2. Уметь определять перечень функций пользователей в ЛВС.

3. Получить навыки разработки возможных вариантов конфигурации ЛВС, структурной схемы ЛВС.

4. Уметь выбрать сетевое оборудование.

Литературы

1. Проектирование ЛВС с применением SADT-методологий. Методические указания по дисциплине «Вычислительные сети и системы телекоммуникаций»:-Уфа, 1999

2. Локальные вычислительные сети/ под редакцией Назарова С.В..-М: Финан­сы и статистика, 1994.

3. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы.-М: Мир, 1990.

4. Богуславский Л.Б., Дрожжинов В.И. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных систем М: Энергоатомиздат, 1990

5. Шерыхалина Н.М., Шерыхалин О.И.. Архитектура и программное обеспечение вычислительной сети. Учебное пособие.-Уфа 1996.

Порядок выполнения работы

1. Собрать исходные данные предприятия.

2. Изучить теоретическую часть практической работы.

3. Выбрать правильно топологию локальной сети.

4. Выбрать сетевое оборудование.

5. Составить структурную схему ЛВС

Дата добавления: 2018-02-28 ; просмотров: 1122 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник

kpet-ks.ru

Компьютерные сети. г.Котово

Лекция 2. Характеристики линий связи

Лекция 2 : Характеристики линий связи. Спектральный анализ сигналов на линиях связи. Затухание и волновое сопротивление. Помехоустойчивость и достоверность. Полоса пропускания и пропускная способность. Биты и боды.

Список ключевых слов: гармоника, спектральное разложение (спектр) сигнала, ширина спектра сигнала, формулы Фурье, внешние помехи, внутренние помехи, или наводки, затухание сигнала, погонное затухание, окно прозрачности, абсолютный уровень мощности, относительный уровень мощности, порог чувствительности приемника, волновое сопротивление, помехоустойчивость линии, электрическая связь, магнитная связь, наведенный сигнал, перекрестные наводки на ближнем конце, перекрестные наводки на дальнем конце, защищенность кабеля, достоверность передачи данных, интенсивность битовых ошибок, полоса пропускания, пропускная способность, физическое, или линейное, кодирование, несущий сигнал, несущая частота, модуляция, такт, бод.

ТИПЫ ХАРАКТЕРИСТИК И СПОСОБЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

К основным характеристикам линий связи относятся:

В первую очередь разработчика вычислительной сети интересуют пропускная способность и достоверность передачи данных, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети. Пропускная способность и достоверность – это характеристики как линии связи, так и способа передачи данных. Поэтому если способ передачи (протокол) уже определен, то известны и эти характеристики. Например, пропускная способность цифровой линии всегда известна, так как на ней определен протокол физического уровня, который задает битовую скорость передачи данных – 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.

Однако нельзя говорить о пропускной способности линии связи, до того как для нее определен протокол физического уровня. Именно в таких случаях, когда только предстоит определить, какой из множества существующих протоколов можно использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристики линии, такие как полоса пропускания, перекрестные наводки, помехоустойчивость и другие характеристики.

Для определения характеристик линии связи часто используют анализ ее реакций на некоторые эталонные воздействия. Такой подход позволяет достаточно просто и однотипно определять характеристики линий связи любой природы, не прибегая к сложным теоретическим исследованиям. Чаще всего в качестве эталонных сигналов для исследования реакций линий связи используются синусоидальные сигналы различных частот. Это связано с тем, что сигналы этого типа часто встречаются в технике и с их помощью можно представить любую функцию времени – как непрерывный процесс колебаний звука, так и прямоугольные импульсы, генерируемые компьютером.

Спектральный анализ сигналов на линиях связи

Важная роль при определении параметров линий связи отводится спектральному разложению передаваемого по этой линии сигнала. Из теории гармонического ана­лиза известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд.

Техника нахождения спектра любого исходного сигнала хорошо известна. Для некоторых сигналов, которые описываются аналитически (например, для после­довательности прямоугольных импульсов одинаковой длительности и амплиту­ды), спектр легко вычисляется на основании формул Фурье.

Для сигналов произвольной формы, встречающихся на практике, спектр можно найти с помощью специальных приборов — спектральных анализаторов, кото­рые измеряют спектр реального сигнала и отображают амплитуды составляю­щих гармоник на экране, распечатывают их на принтере или передают для обра­ботки и хранения в компьютер.

Искажение передающей линией связи синусоиды какой-либо частоты приводит, в конечном счете, к искажению амплитуды и формы передаваемого сигнала лю­бого вида. Искажения формы проявляются в том случае, когда синусоиды раз­личных частот искажаются неодинаково. Если это аналоговый сигнал, передаю­щий речь, то изменяется тембр голоса за счет искажения обертонов — боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму и сигналы мо­гут плохо распознаваться на приемном конце линии.

Передаваемые сигналы искажаются из-за несовершенства линий связи. Идеаль­ная передающая среда, не вносящая никаких помех в передаваемый сигнал, должна, по меньшей мере, иметь нулевые сопротивление, емкость и индуктив­ность. Однако на практике медные провода, например, всегда представляют со­бой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузок. В результате синусоиды различных частот передаются этими линиями по-разному.

Помимо искажений сигналов, возникающих из-за не идеальных физических параметров линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Эти помехи создаются различными электрическими двигателями, электронными устройствами, атмосферными явлениями и т. д. Несмотря на защитные меры, предпринимаемые разработчика­ми кабелей, и наличие усилительной и коммутирующей аппаратуры, полностью компенсировать влияние внешних помех не удается. Помимо внешних помех в кабеле существуют и внутренние помехи — так называемые наводки одной пары проводников на другую. В результате сигналы на выходе линии связи могут иметь искаженную форму (как это и показано на рис.5).

Рис. Спектральное разложение идеального импульса

Техника нахождения спектра любого исходного сигнала хорошо известна. Для некоторых сигналов, которые описываются аналитически (например, для после­довательности прямоугольных импульсов одинаковой длительности и амплиту­ды), спектр легко вычисляется на основании формул Фурье.

Для сигналов произвольной формы, встречающихся на практике, спектр можно найти с помощью специальных приборов — спектральных анализаторов, кото­рые измеряют спектр реального сигнала и отображают амплитуды составляю­щих гармоник на экране, распечатывают их на принтере или передают для обра­ботки и хранения в компьютер.

Искажение передающей линией связи синусоиды какой-либо частоты приводит, в конечном счете, к искажению амплитуды и формы передаваемого сигнала лю­бого вида. Искажения формы проявляются в том случае, когда синусоиды раз­личных частот искажаются неодинаково. Если это аналоговый сигнал, передаю­щий речь, то изменяется тембр голоса за счет искажения обертонов — боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму и сигналы мо­гут плохо распознаваться на приемном конце линии.

Передаваемые сигналы искажаются из-за несовершенства линий связи. Идеаль­ная передающая среда, не вносящая никаких помех в передаваемый сигнал, должна, по меньшей мере, иметь нулевые сопротивление, емкость и индуктив­ность. Однако на практике медные провода, например, всегда представляют со­бой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузок. В результате синусоиды различ­ных частот передаются этими линиями по-разному.

Помимо искажений сигналов, возникающих из-за не идеальных физических па­раметров линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Эти помехи создаются различными электрическими двигателями, электронными устройствами, атмосферными явлениями и т. д. Несмотря на защитные меры, предпринимаемые разработчика­ми кабелей, и наличие усилительной и коммутирующей аппаратуры, полностью компенсировать влияние внешних помех не удается. Помимо внешних помех в кабеле существуют и внутренние помехи — так называемые наводки одной пары проводников на другую. В результате сигналы на выходе линии связи могут иметь искаженную форму (как это и показано на рис. ниже).

Рис. Представление линии как распределенной индуктивно-емкостной нагрузки

Затухание и волновое сопротивление

Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается таки­ми характеристиками, как затухание и полоса пропускания.

Затухание показывает, насколько уменьшается мощность эталонного синусои­дального сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности сигнала на входе этой линии. Затухание (А) обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычис­ляется по следующей формуле:

Здесь Р_вых – мощность сигнала на выходе линии, Р_вх – мощность сигнала на входе линии.

Поскольку затухание связано с внутренним сопротивлением линии связи, то его значение возрастает с увеличением протяженности линии (без промежуточных усилителей).

Оптический кабель имеет существенно более низкие (по абсолютной величине) величины затухания, обычно в диапазоне от 0,2 до 3 дБ при длине кабеля в 1000 м для используемых длин волн (850 нм, 1310 нм, 1550 нм). Причем, с увеличением длины волны затухание уменьшается (для длины волны 1550 нм – А

В качестве характеристики мощности передатчика часто используется абсолютный уровень мощности сигнала:

Здесь Р – мощность сигнала в милливаттах, а дБм (dBm) – единица измерения уровня мощности (децибел на 1 мВт).

Обычно затуханием характеризуют пассивные участки линии связи, состоящие из кабелей и кроссовых секций, без усилителей и регенераторов. Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.

Степень затухания мощности синусоидального сигнала зависит от частоты синусоиды, и эта зависимость также используется для характеристики линии связи

Чаще всего при описании параметров линии связи приводятся значения затухания всего для нескольких значений частот. Это объясняется, с одной стороны, стремлением упростить измерения при проверке качества линии. С другой сто­роны, на практике часто 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 линии сигналов.

Рис. Полоса пропускания

Итак, перед передачей по линии связи сигналы кодируются и формируются. Для медных кабелей на выходе передатчика необходимо выполнять согласование выходной аппаратуры с волновым сопротивлением линии связи с помощью линейных трансформаторов (от слов «линия связи»). Следует отметить, что эти трансформаторы не пропускают постоянную составляющую и близкие к ней низкочастотные гармоники сигнала.

ВНИМАНИЕ

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ЛИНИИ

Пропускная способность (throughput) линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду – бит/с, а также в производных единицах, таких как килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.

ПРИМЕЧАНИЕ Пропускная способность линий связи и коммуникационного сетевого оборудования традиционно измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно, то есть побитно, а не параллельно, байтами, как это происходит между устройствами внутри компьютера. Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням) 0 (то есть килобит – это 1000 бит, а мегабит – это 1 000 000 бит), как это принято во всех отраслях науки и техники, а не близким к этим числам степеням 2, как это принято в программировании, где приставка «кило» равна 2 10 =1024, а «мега» – 2 20 = 1 048576.

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как амплитудно-частотная характеристика, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком. Если же значимые гармоники выходят за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал будет значительно искажаться, приемник будет ошибаться при распознавании информации, а значит, информация не сможет передаваться с заданной пропускной способностью.

Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодированием. От выбранного способа кодирования зависит спектр сигналов и, соответственно, пропускная способность линии. Таким образом, для одного способа кодирования линия может обладать одной пропускной способностью, а для другого – другой. Например, витая пара категории 3 может передавать данные с пропускной способностью 10 Мбит/с при способе кодирования стандарта физического уровня l0Base-T и 33 Мбит/с при способе кодирования стандарта 100Base-T4. В примере, приведенном на Рисунок 9, принят следующий способ кодирования – логическая 1 представлена на линии положительным потенциалом, а логический 0 – отрицательным.

Теория информации говорит, что любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию. В соответствии с этим прием синусоиды, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации не несет, так как изменение сигнала хотя и происходит, но является хорошо предсказуемым. Аналогично, не несут в себе информации импульсы на тактовой шине компьютера, так как их изменения также постоянны во времени. А вот импульсы на шине данных предсказать заранее нельзя, поэтому они переносят информацию между отдельными блоками или устройствами.

Большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала – частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой, если в качестве такого сигнала используется синусоида.

Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации – биту. Если же сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение будет нести несколько бит информации.

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (baud). Период времени между соседними изменениями информационного сигнала называется тактом работы передатчика.

Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод. Она может быть как выше, так и ниже числа бод, и это соотношение зависит от способа кодирования.

Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в битах в секунду будет выше, чем число бод. Например, если информационными параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются 4 состояния фазы в 0,90,180 и 270 градусов и два значения амплитуды сигнала, то информационный сигнал может иметь 8 различимых состояний. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (с тактовой частотой 2400 Гц) передает информацию со скоростью 7200 бит/с, так как при одном изменении сигнала передается 3 бита информации.

При использовании сигналов с двумя различимыми состояниями может наблюдаться обратная картина. Это часто происходит потому, что для надежного распознавания приемником пользовательской информации каждый бит в последовательности кодируется с помощью нескольких изменений информационного параметра несущего сигнала. Например, при кодировании единичного значения бита импульсом положительной полярности, а нулевого значения бита – импульсом отрицательной полярности физический сигнал дважды изменяет свое состояние при передаче каждого бита. При таком кодировании пропускная способность линии в два раза ниже, чем число бод, передаваемое по линии.

На пропускную способность линии оказывает влияние не только физическое, но и логическое кодирование. Логическое кодирование выполняется до физического кодирования и подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей, кроме этого, дополнительными свойствами, например возможностью для приемной стороны обнаруживать ошибки в принятых данных. Сопровождение каждого байта исходной информации одним битом четности – это пример очень часто применяемого способа логического кодирования при передаче данных с помощью модемов. Другим примером логического кодирования может служить шифрация данных, обеспечивающая их конфиденциальность при передаче через общественные каналы связи. При логическом кодировании чаще всего исходная последовательность бит заменяется более длинной последовательностью, поэтому пропускная способность канала по отношению к полезной информации при этом уменьшается.

Соответствие между полосой пропускания линии связи и спектром сигнала

СВЯЗЬ МЕЖДУ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ ЛИНИИ И ЕЕ ПОЛОСОЙ ПРОПУСКАНИЯ

Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии и тем выше пропускная способность линии при фиксированном способе физического кодирования. Однако, с другой стороны, с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается и ширина спектра этого сигнала, то есть разность между максимальной и минимальной частотами того набора синусоид, которые в сумме дадут выбранную для физического кодирования последовательность сигналов. Линия передает этот спектр синусоид с теми искажениями, которые определяются ее полосой пропускания. Чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации на самом деле оказывается меньше, чем можно было предположить.

Связь между полосой пропускания линии и еемаксимально возможной пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон:

где С – максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F – ширина полосы пропускания линии в герцах, Р_с – мощность сигнала, Р_ш – мощность шума.

Из этого соотношения видно, что хотя теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания не существует, на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность линии можно за счет увеличения мощности передатчика или же уменьшения мощности шума (помех) на линии связи. Обе эти составляющие поддаются изменению с большим трудом. Повышение мощности передатчика ведет к значительному увеличению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума на пропускную способность ограничено логарифмической зависимостью, которая растет далеко не так быстро, как прямо-пропорциональная. Так, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15 % увеличения пропускной способности линии.

Близким по сути к формуле Шеннона является следующее соотношение, полученное Найквистом, которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи, но без учета шума на линии:

где М – количество различимых состояний информационного параметра.

Если сигнал имеет 2 различимых состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи. Если же передатчик использует более чем 2 устойчивых состояния сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных, например 2 бита при наличии четырех различимых состояний сигнала.

Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличить это количество до значительных величин, но на практике мы не можем этого сделать из-за шума на линии. Например, для примера, приведенного на Рисунок 10, можно увеличить пропускную способность линии еще в два раза, использовав для кодирования данных не 4, а 16 уровней. Однако если амплитуда шума часто превышает разницу между соседними 16-ю уровнями, то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником.

Приведенные соотношения дают предельное значение пропускной способности линии, а степень приближения к этому пределу зависит от конкретных методов физического кодирования, рассматриваемых ниже.

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ

Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной – волоконно-оптические линии, малочувствительные ко внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют и/или скручивают.

Перекрестные наводки на ближнем конце (NearEndCrossTalk – NEXT) определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. Если ко второй паре будет подключен приемник, то он может принять наведенную внутреннюю помеху за полезный сигнал. Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен 10 logР_вых/Р_нав, где Р_вых – мощность выходного сигнала, Р_нав – мощность наведенного сигнала.

Показатель NEXT обычно используется применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для одинарного коаксиального кабеля (то есть состоящего из одной экранированной жилы) этот показатель не имеет смысла, а для двойного коаксиального кабеля он также не применяется вследствие высокой степени защищенности каждой жилы. Оптические волокна также не создают сколь-нибудь заметных помех друг для друга.

В связи с тем, что в некоторых новых технологиях используется передача данных одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стал применяться показатель PowerSUM, являющийся модификацией показателя NEXT. Этот показатель отражает суммарную мощность перекрестных наводок от всех передающих пар в кабеле.

Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы сигнала ограниченной полосой пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а также использовать более широкополосные линии связи.

Вопросы и задания

Источник