Линии и каналы связи. Основные характеристики каналов связи

 

Основная функция телекоммуникационных сетей (ТКС) заключается в обеспечении информационного обмена между всеми абонентскими системами сети ЭВМ. Обмен осуществляется по каналам связи, которые составляют один из основных компонентов телекоммуникационных сетей [10].

Каналом связи называют совокупность физической среды (линии связи) и аппаратуры передачи данных (АПД), осуществляющих передачу информационных сигналов от одного узла коммутации ТКС к другому либо между узлом коммутации и абонентской системой.

Таким образом, канал связи и физическая линия связи ‑ это не одно и то же. В общем случае на основе одной линии связи может быть организовано несколько логических каналов путем временного, частотного, фазового и других видов разделения.

Функциональный состав канала связи ТКС приведен на рис. 2.1.

Каналы связи современных телекоммуникационных сетей характеризуются следующими особенностями:

- разнотипностью физической среды передачи данных (проводные, кабельные, радиоканалы наземной и спутниковой связи);

- ограниченной пропускной способностью.

 

 

Рис. 2.1. Функциональный состав канала связи

 

Пропускная способность канала связи ‑ это максимально возможная скорость передачи данных по каналу. Пропускная способность измеряется в битах в секунду (бит/с), а также в производных единицах ‑ (Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с, и т.д.).

Пропускная способность канала оказывает наиболее существенное влияние на общую эффективность функционирования ТКС и определяется характеристиками как самого канала, так и передаваемых по нему информационных сигналов.

Характеристики канала связи:

- F_kc ‑ полоса пропускания канала, т.е. полоса частот, которую канал может пропустить, не внося существенного затухания сигнала;

- Н_кс ‑ динамический диапазон канала, равный отношению максимально допустимого уровня полезного сигнала в канале к уровню помех, нормированного для этого типа каналов;

- Т_кс ‑ время, в течение которого канал используется для передачи данных.

Характеристики информационного сигнала:

- F_q ‑ ширина спектра частот сигнала, под которой понимается интервал по шкале частотного спектра, занимаемый сигналом;

- Н_е ‑ динамический диапазон, представляющий собой отношение средней мощности сигнала к средней мощности помехи в канале;

- Т_с ‑ длительность сигнала, то есть время его существования.

Произведения трех названных параметров определяют, соответственно объем канала связи (2.1) и объем сигнала (2.2):

 

V_КС ⁼ F_КС * H_КС * T_КС ‑ объем канала связи (2.1)

V_С = F_С * H_С * T_С ‑ объем сигнала (2.2)

V_КС ≥ V_С – необходимое условие неискаженной

передачи сигнала (2.3)

F_КС ≥ F_С

H_КС ≥ H_С – достаточные условия неискаженной

T_КС≥ T_С передачи сигнала (2.4)

 

 

Рис. 2.2, а графически иллюстрирует случай неискаженной передачи по каналу связи информационного сигнала, а рис. 2.2, б ‑ случай передачи сигнала со значительными искажениями.

Один из создателей теории информации Клод Шеннон показал, что количество информации на синтаксическом уровне (по Шеннону), которое несет сигнал, пропорционально объему этого сигнала; с другой стороны, выполнение неравенства (2.3) является необходимым условием возможности неискаженной передачи данного сигнала по данному каналу, т.е. в этом случае принципиально возможна такая передача. Для непосредственной реализации этой возможности необходимо выполнение достаточных условий (2.4).

Выражение (2.5), также предложенное К. Шенноном, позволяет рассчитать непосредственно максимально возможную скорость передачи данных по каналу:

 

C = F log₂(1+P_С/P_Ш), (2.5)

 

где С ‑ максимально возможная скорость передачи данных по каналу в битах в секунду (бит/с); F ‑ ширина полосы пропускания канала связи в герцах (Гц); P_С ‑ мощность сигнала; P_Ш ‑мощность шума.

 

 

Рис. 2.2. Соответствие между полосой пропускания канала связи и спектром сигнала

 

Из этого соотношения (так же как из предыдущих) следует, что увеличить скорость передачи данных в канале связи можно или увеличив мощность сигнала? или уменьшив мощность помех. Увеличение мощности сигнала ограничено величиной допустимого уровня мощности сигнала в канале и мощностью передатчика (мощные передатчики имеют большие габариты и стоимость). Уменьшения мощности помех можно достигнуть, применяя хорошо экранированные и защищенные от помех кабели (что также требует больших затрат). Но главная трудность в том, что скорость зависит от логарифма соотношения сигнал/шум, поэтому, например, увеличение мощности передатчика в два раза при типичном соотношении Р_С/Р_Ш = 100 даст увеличение максимально возможной скорости только на 15%.

В инженерных расчетах отношение Р_С/Р_Ш обычно выражается в децибелах (дБ) и определяется формулой (2.6):

 

Р_С/Р_Ш (дБ) = 10 log₁₀ (Р_С/Р_Ш). (2.6)

 

Так, например, при Р_С/Р_Ш = 100 мощность полезного сигнала превышает мощность шумовой помехи в 100 раз. В этом случае отношение сигнал/шум в децибелах составит:

 

Р_С/Р_Ш (дБ) = 10 log ₁₀ (Р_С/Р_Ш) = 10 log ₁₀ (100) = 20 дБ.

 

Таким образом, отношение Р_С/Р_Ш = 20 дБ означает, что мощность полезного сигнала в 100 раз превышает мощность шума.

В более общем виде, если P_С/P_Ш (дБ) = А дБ, то P_С/P_Ш ⁼ 10^А/10.

Пример: Необходимо определить максимально возможную скорость передачи данных (С) по телефонному каналу связи, если передаваемый по нему сигнал занимает полосу частот от 300 Гц до 3400 Гц, а соотношение сигнал-шум Р_С/Р_Ш = 35 дБ

Решение: В соответствии с выражением (2.5) имеем:

 

С = F log ₂ (1 + P_С / P_Ш) = (3400-300) * log ₂ (1 + 10^А/10) =

= 3100 * log ₂ (1 + 3162) = 36044 бит/с.