Сетевые технологии, каналы связи и их основные характеристики. Линии связи и каналы передачи данных Все о каналах связи

Характеристики

Используют следующие характеристики канала

Помехоустойчивость

Помехозащищённость A = 10 lg ⁡ P m i n s i g n a l P n o i s e {\displaystyle A=10\lg {P_{min~signal} \over P_{noise}}} . Где P m i n s i g n a l P n o i s e {\displaystyle {P_{min~signal} \over P_{noise}}} - минимальное отношение сигнал/шум ;

Объём канала

Объём канала V {\displaystyle V} определяется по формуле: V k = Δ F k ⋅ T k ⋅ D k {\displaystyle V_{k}=\Delta F_{k}\cdot T_{k}\cdot D_{k}} ,

где T k {\displaystyle T_{k}} - время, в течение которого канал занят передаваемым сигналом;

Для передачи сигнала по каналу без искажений объём канала V k {\displaystyle V_{k}} должен быть больше либо равен объёму сигнала V s {\displaystyle V_{s}} , то есть . Простейший случай вписывания объёма сигнала в объём канала - это достижение выполнения неравенств Δ F k ⩾ Δ F s {\displaystyle \Delta F_{k}\geqslant ~\Delta F_{s}} , T k ⩾ T s {\displaystyle T_{k}\geqslant ~T_{s}} > и Δ D k ⩾ Δ D s {\displaystyle \Delta D_{k}\geqslant ~\Delta D_{s}} . Тем не менее, V k ⩾ V s {\displaystyle 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 и S 1 {\displaystyle S_{1}} , а также установлению связи между ними, характеризующейся оператором L {\displaystyle L} , то есть

S 2 = L (S 1) {\displaystyle 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 {\displaystyle S_{2}} является детерминированным, то есть

S 2 (t) = γ S 1 (t − τ) {\displaystyle 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 τ {\displaystyle \tau } является случайной величиной . Например, если входной сигнал является узкополосным , то сигнал S 2 (t) {\displaystyle S_{2}(t)} на выходе канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом определяется следующим образом:

S 2 (t) = γ (c o s (θ) u (t) − s i n (θ) H (u (t)) + n (t) {\displaystyle S_{2}(t)=\gamma (cos(\theta)u(t)-sin(\theta)H(u(t))+n(t)} ,

где учтено, что входной сигнал S 1 (t) {\displaystyle S_{1}(t)} может быть представлен в виде:

S 1 (t) = c o s (θ) u (t) − s i n (θ) H (u (t)) {\displaystyle S_{1}(t)=cos(\theta)u(t)-sin(\theta)H(u(t))} ,

где H () {\displaystyle H()} - преобразование Гильберта , θ {\displaystyle \theta } - случайная фаза, распределение которой считается обычно равномерным на интервале

Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом

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

Знаете ли Вы, что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.

Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.

Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").

Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.

Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.

Компьютерными телекоммуникационными системами называют обмен информацией на расстоянии между несколькими компьютерами.

Компьютерные каналы связи можно классифицировать по следующим признакам:

• по способу кодирования информации можно разделить на цифровые и аналоговые;
• по способу коммуникации можно разделить на выделенные и коммутируемые;
• по способу передачи информации разделяют на проводные и беспроводные, оптические.

Аналоговые - по аналоговым каналам информация, которая передается, представляется в непрерывной форме, то есть в виде непрерывного ряда значений какой-либо физической величины.

Цифровые - это каналы, по которым пересылаемая информация передается в виде цифровых (дискретных, импульсных) сигналов той или иной физической природы.

Коммутируемые - это каналы, созданные из отдельных участков только на время передачи по ним информации, после окончания сеанса связи такой канал разрывается.

Выделенные каналы - это каналы, которые организуются на длительное время и имеют постоянные характеристики по длине и пропускной способности.

К основным характеристикам каналов связи относят скорость передачи информации, надежность, стоимость, резервы развития.

Скорость передачи информации измеряется в бит/с и в бодах. Количество изменений информационного параметра сигнала в секунду измеряется в бодах.

Бод - это такая скорость, когда передается один сигнал (например, импульс) в секунду независимо от величины его изменения. Единица измерения бит/с соответствует единичному изменению сигнала в канале связи и при простых методах кодирования сигнала; когда любое изменение бывает только единичным, можно принять, что: 1 бод = 1 бит/с; 1 Кбод = 103 бит/с; 1 Мбод = 106 бит/с и т. д.

В случае если элемент данных может быть представлен не двумя, а большим количеством значений какого-либо параметра сигнала, значение 1 бод будет больше 1 бит в секунду.

Надежность - передача информации без ее потерь и изменений. Передатчик и приемник - это аппаратура передачи данных, связывают источник и приемник информации с каналом связи. Примерами аппаратуры передачи данных могут служить модемы, терминальные адаптеры, сетевые карты и т. д.

Для улучшения качества сигнала, передаваемого на большие расстояния, используется дополнительная аппаратура: повторители, коммутаторы, концентраторы, маршрутизаторы, мультиплексоры.

На этих принципах основана классификация, учитывающая пропускную способность канала связи:

• низкоскоростные каналы связи, скорость передачи информации в них составляет от 50 до 200 бит/с;
• среднескоростные каналы связи, скорость передачи в них от 300 до 9600 бит/с, а в новых стандартах до 56 000 бит/с;
• высокоскоростные (широкополосные) каналы связи, обеспечивающие скорость передачи информации выше 56 000 бит/с.

Скоростные характеристики канала во многом зависят от используемых кабелей.

Витая пара - это изолированные медные провода, обычный диаметр которых составляет 1 мм, попарно свитые один вокруг другого в виде спирали. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар.

Самым распространенным применением витой пары является телефонная линия. Витые пары, тянущиеся на большие расстояния, объединяются в кабель, на который надевается защитное покрытие. Если бы пары проводов, находящиеся внутри таких кабелей, не были свиты, то сигналы, проходящие по ним, накладывались бы друг на друга. Телефонные кабели диаметром несколько сантиметров можно видеть протянутыми на столбах.

Витые пары используются для передачи аналоговых и цифровых сигналов. Полоса пропускания зависит от диаметра и длины провода, но на больших расстояниях может достигнуть несколько мегабит в секунду.

Существуют два вида витой пары:

• Неэкранированные витые пары имеют довольно высокую пропускную способность, удобны в работе, не нуждаются в заземлении и благодаря невысокой цене широко распространены. Неэкранированная витая пара не применяется в локальной сети, в которой обрабатывается информация с ограниченным доступом, потому что она может усилить напряженность поля.
• Экранированные витые пары обладают хорошими техническими характеристиками, но имеют высокую стоимость, жестки и неудобны в работе и требуют заземления. Данный вид кабеля применяется в основном в сетях с ограниченным доступом к информации.

Коаксиальный кабель - средство передачи данных. Он лучше экранирован, чем витая пара, поэтому может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Широко применяются два типа кабелей. Один используется для передачи только цифрового сигнала, а другой тип кабеля - аналогового сигнала.

Коаксиальный кабель состоит из покрытого изоляцией твердого медного провода, расположенного в центре кабеля. Поверх изоляции натянут цилиндрический проводник, обычно выполненный в виде мелкой медной сетки. Он покрыт наружным защитным слоем изоляции (пластиковой оболочкой). Конструкция и специальный тип экранирования коаксиального кабеля обеспечивают высокую пропускную способность и отличную помехозащищенность.

Коаксиальные кабели для телекоммуникаций делятся на две группы:

• «толстые» коаксиалы;
• «тонкие» коаксиалы.

Толстый коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 12,5 мм и достаточно толстый проводник (2,17 мм), обеспечивающий хорошие электрические и механические характеристики.

Скорость передачи данных по толстому коаксиальному кабелю до 50 Мбит/с, но, учитывая определенное неудобство работы с ним и его значительную стоимость, использовать его в сетях передачи данных можно не всегда.

Тонкий коаксиальный кабель имеет наружный диаметр 5-6 мм, он дешевле и удобнее в работе, но тонкий проводник в нем (0,9 мм) обусловливает худшие электрические и механические характеристики. Скорость передачи данных по «тонкому» коаксиалу не превышает 10 Мбит/с.

Коаксиальные кабели широко применялись в телефонных системах, но на линиях большой протяженности их заменяют оптоволоконными кабелями. Однако коаксиальные кабели широко используются для кабельного телевидения.

Оптоволоконные кабели по своей структуре напоминает витую пару. Основу волоконно-оптического кабеля составляет стеклянная сердцевина, по которой распространяется свет, окруженная твердым заполнителем и помещенная в защитную оболочку диаметром 125 мкм.

В одном кабеле может содержаться от одного до нескольких сотен таких сердечников. Сердечник покрыт слоем стекла с более низким, чем у сердечника, коэффициентом преломления. Он предназначен для более надежного предотвращения выхода света за пределы сердечника.

Внешним слоем служит пластиковая оболочка, защищающая остекление. Источником распространяемого по оптоволоконному кабелю светового луча является преобразователь электрических сигналов в оптические, например светодиод или полупроводниковый лазер.

Кодирование информации осуществляется изменением интенсивности светового луча. Физической основой передачи светового луча по волокну является принцип полного внутреннего отражения луча от стенок волокна, обеспечивающий минимальное затухание сигнала, наивысшую защиту от внешних электромагнитных полей и высокую скорость передачи. По оптоволоконному кабелю, имеющему большое число волокон, можно передавать огромное количество сообщений. На другом конце кабеля принимающий прибор преобразует световые сигналы в электрические.

Скорость передачи данных по оптоволоконному кабелю достигает 1000 Мбит/с, но он очень дорог и используется лишь для прокладки ответственных магистральных каналов связи. Такой кабель связывает столицы и крупные города большинства стран мира, а также материки.

В вычислительных сетях и в сети Интернет оптоволоконный кабель используется на наиболее ответственных их участках. Возможности оптоволоконных каналов поистине безграничны: по одному толстому магистральному оптоволоконному кабелю можно одновременно организовать несколько сот тысяч телефонных каналов, несколько тысяч видеотелефонных каналов и около тысячи телевизионных каналов.

В настоящее время широкое распространение получают беспроводные виды связи: радиоканалы, инфракрасные и миллиметровые излучения.

Радиоканал - это беспроводный канал связи, прокладываемый через эфир. Система передачи данных по радиоканалу включает в себя радиопередатчик и радиоприемник, настроенные на один и тот же радиоволновой диапазон, который определяется частотной полосой электромагнитного спектра, используемой для передачи данных.

Такую систему передачи данных называют просто радиоканалом. Скорости передачи данных по радиоканалу практически не ограничены (они ограничиваются полосой пропускания приемопередающей аппаратуры). Высокоскоростной радиодоступ предоставляет пользователям каналы со скоростью передачи 2 Мбит/с и выше. В ближайшем будущем ожидаются радиоканалы со скоростями 20-50 Мбит/с.

Инфракрасное и миллиметровое излучение без использования кабеля широко применяется для связи на небольших расстояниях. Дистанционные пульты управления для телевизоров и видео-магнитофонов используют инфракрасное излучение. Они относительно направленные, дешевые и легко устанавливаемые, но имеют один важный недостаток: инфракрасное излучение не проходит сквозь твердые объекты. С другой стороны, тот факт, что инфракрасные волны не проходят сквозь стены, является также и положительным. Ведь это повышает защищенность инфракрасной системы от прослушивания по сравнению с радиосистемой.

По этой причине для использования инфракрасной системы связи не требуется государственная лицензия в отличие от радиосвязи (кроме диапазонов ISM). Связь в инфракрасном диапазоне применяется в настольных вычислительных системах (например, для связи ноутбуков с принтерами), но все же не играет значимой роли в телекоммуникации.

Беспроводные каналы связи обладают плохой помехозащищенностью, но обеспечивают пользователю максимальную мобильность и оперативность связи. В вычислительных сетях беспроводные каналы связи для передачи данных используются чаще всего там, где применение традиционных кабельных технологий затруднено или просто невозможно.

Но в ближайшем будущем ситуация может измениться - активно ведется разработка новой технологии беспроводной связи Bluetooth. Bluetooth - это технология передачи данных по радио-каналам на короткие расстояния, позволяющая осуществлять связь беспроводных телефонов, компьютеров и различной периферии даже в тех случаях, когда нарушается требование прямой видимости.

Первоначально Bluetooth рассматривалась исключительно как альтернатива инфракрасным соединениям между различными портативными устройствами. Но сейчас специалисты предсказывают уже два направления широкого использования Bluetooth.

Первое - это домашние сети, включающие в себя различную электронную технику, в частности компьютеры, телевизоры и т.п. Второе, гораздо более важное, направление - локальные сети офисов небольших фирм, где стандарт Bluetooth позиционируется как замена традиционных проводных технологий. Недостатком Bluetooth является сравнительно низкая скорость передачи данных - она не превышает 720 Кбит/с, поэтому эта технология не способна обеспечить передачу видеосигнала.

Как было указано в предшествующем обсуждении, канал связи обеспечивает соединение передатчика и приёмника. Физический канал может быть двухпроводной линией, которая пропускает электрический сигнал, или стекловолокном, которое переносит информацию посредством модулированного светового луча, или подводным каналом океана, в котором информация передаётся акустически, или свободным пространством, по которому несущий информационный сигнал излучается при помощи антенны. Другие среды, которые могут характеризоваться как каналы связи - средства хранения данных, такие как магнитная лента, магнитные и оптические диски.

Одна общая проблема при передаче сигнала через любой канал – аддитивный шум. Вообще говоря, аддитивный шум создаётся часто внутри различных электронных компонентов, таких как резисторы и твёрдотельные устройства, используемых в системах связи. Эти шумы часто называют тепловым шумом. Другие источники шума и интерференции (наложения) могут возникать вне системы, например переходные помехи от других пользователей канала. Когда такой шум и переходные помехи занимают тот же самый диапазон частот, что и полезный сигнал, их влияние может быть минимизировано путем соответствующего выбора передаваемого сигнала и демодулятора в приемнике. Другие виды сигнальных искажений, которые могут встречаться при передаче сигнала по каналу, - это затухание сигнала, амплитудные и фазовые искажения сигнала и искажения сигнала, обусловленные многопутевым распространением волн.

Влияние шума может быть уменьшено увеличением мощности передаваемого сигнала. Однако конструктивные и другие практические соображения ограничивают уровень мощности передаваемого сигнала. Другое базовое ограничение – доступная ширина полосы частот канала. Ограничение ширины полосы обычно обусловлено физическими ограничениями среды и электрических компонентов, используемых в передатчике и приемнике. Эти два обстоятельства приводят к ограничению количества данных, которые могут быть переданы надёжно по любому каналу связи, как мы увидим в последующих главах книги. Ниже мы опишем некоторые из важных характеристик отдельных каналов связи.

Проводные каналы. Телефонная сеть экстенсивно использует проводные линии для передачи звукового сигнала, а также данных и видеосигналов. Витые проводные пары и коаксиальный кабель в основном дают электромагнитный канал, который обеспечивает прохождение относительно умеренной ширины полосы частот. Телефонный провод, обычно используемый, чтобы соединить клиента с центральной станции, имеет ширину полосы несколько сотен килогерц. С другой стороны, коаксиальный кабель имеет обычно используемую ширину полосы частот несколько мегагерц. Рисунок 1.2.1 поясняет частотный диапазон используемых электромагнитных каналов, которые включают волноводы и оптический кабель.

Рис. 1.2.1. Частотные диапазоны для каналов связи с направляющими системами

Сигналы, передаваемые через такие каналы, искажаются по амплитуде и фазе, и, кроме того, на них накладывается аддитивный шум. Проводная линия связи в виде витой пары также склонна к интерференции переходных помех от рядом расположенных пар. Поскольку проводные каналы составляют большой процент каналов связи по всей стране и миру, широкие исследования были направлены на определение их свойств передачи и на уменьшение амплитудных свойств передачи и на уменьшение амплитудных и фазовых искажений в канале. В гл. 9 мы опишем метод синтеза оптимальных передаваемых сигналов и демодуляторов; в гл. 10 и 11 рассмотрим синтез канальных эквалайзеров (выравнивателей), которые компенсируют амплитудные и фазовые искажения в канале.

Волоконно-оптические каналы. Стекловолокно представляет проектировщику системы связи ширину полосы частот, которая на несколько порядков больше, чем у каналов с коаксиальным кабелем. В течение прошедшего десятилетия были разработаны оптические кабели, которые имеют относительно низкое затухание для сигнала, и высоконадежные оптические устройства для генерирования и детектирования сигнала. Эти технологические достижения привели к быстрому освоению таких каналов как для внутренних систем электросвязи, так и для трансатлантических и мировых систем связи. С учётом большой ширины полос частот, доступной на волоконно-оптических каналах, стало возможно для телефонных компаний предложить абонентам широкий диапазон услуг электросвязи, включая передачу речи, данных, факсимильных и видеосигналов.

Передатчик или модулятор в волоконно-оптической системе связи – источник света, светоизлучающий диод (СИД) или лазер. Информация передаётся путем изменения (модуляции) интенсивности источника света посредством сигнала сообщения. Свет распространяется через волокно как световая волна, и она периодически усиливается (в случае цифровой передачи детектируется и восстанавливается ретрансляторами) вдоль тракта передачи, чтобы компенсировать затухания сигнала.

В приемнике интенсивность света детектируется фотодиодом, чей выход является электрическим сигналом, который изменяется пропорционально мощности света на входе фотодиода. Источники шума в волоконно-оптических каналах – это фотодиоды и электронные усилители.

Предполагается, что волоконно-оптические каналы заменят почти все каналы проводной линии связи в телефонной сети на рубеже столетия.

Беспроводные (радио) каналы. В системах беспроводной связи (радиосвязи) электромагнитная энергия передается в среду распространения антенной, которая служит излучателем. Физические размеры и структура антенны зависят прежде всего от рабочей частоты. Чтобы получить эффективное излучение электромагнитной энергии, размеры антенны должны быть больше чем 1/10 длины волны. Следовательно, передача радиостанции с AM на несущей, допустим, МГц, соответствующей длине волны м, требует антенны с диаметром по крайней мере 30м. Другие важные характеристики и свойства антенн для беспроволочной передачи описаны в гл. 5.

Рисунок 1.2.2 поясняет различные диапазоны частот для радиосвязи. Способы распространения электромагнитных волн в атмосфере и в свободном пространстве можно разделить на три категории, а именно: распространение поверхностной волной, распространение пространственной волной, распространение прямой волны. В диапазоне очень низких частот (ОНЧ) и звуковом диапазоне, в которых длины волн превышают 10км, земля и ионосфера образуют волновод для распространения электромагнитных волн. В этих частотных диапазонах сигналы связи фактически распространяются вокруг всего земного шара. По этой причине эти диапазоны частот прежде всего используется во всём мире для решения навигационных задач с берега до кораблей.

Ширина полосы частот канала, доступной в этих диапазонах, относительно мала (обычно составляет 1…10% центральной частоты), и, следовательно, информация, которая передаётся через эти каналы, имеет относительно низкую скорость передачи и обычно неприемлема для цифровой передачи.

Доминирующий тип шума на этих частотах обусловлен грозовой деятельностью вокруг земного шара, особенно в тропических областях. Интерференция возникает из-за большого числа станций в этих диапазонах частот.

Распространения земной волной, как иллюстрируется на рис. 1.2.3, является основным видом распространения для сигналов в полосе средних частот (0,3…3 МГц). Это – диапазон частот, используемый для радиовещания с AM и морского радиовещания. При AM радиовещании и распространении земной волной дальность связи, даже при использовании мощных радиостанций, ограничена 150 км. Атмосферные шумы, промышленные шумы и тепловые шумы от электронных компонентов приёмника являются основными причинами искажений сигналов, передаваемых в диапазоне средний частот.

Рис. 1.2.2. Частотные диапазоны для беспроводных каналов связи

Частным случаем распространения пространственной волны является ионосферное распространение, иллюстрируемое рис. 1.2.4. Оно сводится к отражению (отклонение или рефракция волны) передаваемого сигнала от ионосферы, которая состоит из нескольких слоёв заряженных частиц, расположенных на высоте 50…400 км от поверхности земли. В дневное время суток разогрев нижних слоёв атмосферы солнцем обуславливает появление нижнего слоя на высоте ниже 120 км. Эти нижние слои, особенно D-слой, вызывают поглощение частот ниже 2 МГц, таким образом ограничивая распространение ионосферной волной радиопередач AM радиовещания. Однако в течение ночных часов электронная концентрация частиц в нижних слоях ионосферы резко падает, и частное поглощение, которое встречается в дневное время, значительно сокращается. Как следствие, мощные радиовещательные сигналы с AM могут распространятся на большие расстояния посредством отражения от ионосферных слоев (которые располагаются на высоте от 140 до 400 км над поверхностью земли), и земной поверхности.

Рис. 1.2.3. Иллюстрация распространения поверхностной волной

Часто возникающая проблема при ионосферном распространении электромагнитной волны в частотном диапазоне ВЧ - это многопутёвость . Многопутёвость образуется потому, что передаваемый сигнал достигает приёмника по многим путям с различными задержками. Это обычно приводит к межсимвольной интерференции в системе цифровой связи. Более того, сигнальные компоненты, прибывающие по различным путям распространения, могут суммироваться таким образом, что это приводит к явлению, названному замираниями . Это большинство людей испытало при слушании отдалённой радиостанции ночью, когда ионосферная волна является доминирующим способом распространения. Аддитивный шум в ВЧ диапазоне - это комбинация атмосферных помех и теплового шума. Распространение ионосферной волны прекращается на частотах выше 30 МГц, что является границей диапазона ВЧ. Однако возможно ионосферно-тропосферное распространение на частотах в диапазоне от 30 до 60 МГц, обусловленное рассеянием сигналов от нижних слоев ионосферы. Также можно связаться на расстоянии нескольких сотен миль при помощи тропосферного рассеяния в диапазоне от 40 до 300 МГц. Тропосферное рассеяние обуславливается рассеянием сигнала благодаря частицам в атмосфере на высотах порядка 10 км. Обычно ионосферное и тропосферное рассеяние вызывает большие сигнальные потери и требует большой мощности передатчика и относительно больших размеров антенн.

Рис. 1.2.4. Иллюстрация распространения пространственной волной

Частоты выше 30 МГц проходят через ионосферу с относительно малыми потерями и делают возможным спутниковую и внеземную связь. Следовательно, на частотах УВЧ диапазона и выше основным способом электромагнитного распространения волн является распространение в пределах прямой видимости (ППВ). Для земных систем связи это означает, что передающая и приемная антенны должны быть в прямой видимости с относительно малой преградой (или ее отсутствием). По этой причине передача телевизионных станций в УВЧ и СВЧ диапазонах частот для достижения широкой зоны охвата осуществляется антеннами на высоких опорах.

Вообще, зона охвата для ППВ распространения ограничена кривизной поверхности земли. Если передающая антенна установлена на высоте м над поверхностью земли, расстояние до радиогоризонта, не принимая во внимание физические преграды, такие как горы, приблизительно км. Например, антенна телевидения, установленная на высоте 300 м, обеспечивает покрытие территории приблизительно 67 км. Другой пример – релейные системы микроволновой радиосвязи, экстенсивно используемые для передачи телефонных и видеосигналов на частотах выше чем 1 МГц, имеют антенны, установленные на высоких опорах или сверху на высоких зданиях.

Доминирующий шум, ограничивающий качество системы связи в ВЧ и УВЧ диапазонах, – тепловой шум, создаваемый во входных цепях приемника, и космические шумы, уловленные антенной. На частотах в диапазоне СВЧ выше чем 10 ГГц при распространения сигнала главную роль играют атмосферные условия. Например, на частоте 10 ГГц затухание меняется приблизительно от 0,003 дБ/км при лёгком дожде до 0,3 дБ/км при тяжёлом дожде. На частоте 100 ГГц затухание меняется приблизительно от 0,1 дБ/км при легком дожде до 6 дБ/км при тяжёлом дожде. Следовательно, в этом частотном диапазоне тяжелый дождь вызывает чрезвычайно высокие потери при распространении, которые могут приводить к отказу системы обслуживания (полный обрыв в системе связи).

На частотах выше КВЧ (крайне высокие частоты) полосы мы имеем диапазон инфракрасного и видимого излучений - области электромагнитного спектра, который может использоваться для применения ППВ оптической связи в свободном пространстве. До настоящего времени эти диапазоны частот использовались в экспериментальных системах связи типа связи между спутниками.

Подводные акустические каналы. За последние 40 лет исследования океанской деятельности непрерывно расширялись. Это связано с усилением потребности передать данные, собранные датчиками, размещенными под водой и на поверхности океана. Оттуда данные передаются к центру сбора информации.

Электромагнитные волны не распространяются на большие расстояния под водой, за исключением крайне низких частот. Однако передача сигналов таких низких частот предельно дорога из-за чрезвычайно больших и мощных передатчиков. Затухание электромагнитных волн в воде может быть выражено глубиной поверхностного слоя , которая является расстоянием, на котором сигнал ослабляется в раз. Для морской воды глубина поверхностного слоя , где выражена в герцах, а - в метрах. Например, для частоты 10 кГц глубина поверхностного слоя 2,5 м. Напротив, акустические сигналы распространяются на расстояния порядка десятков и даже сотен километров.

Подводный акустический канал ведет себя как многопутевой канал благодаря сигнальным отражениям от поверхности и дна моря. Из-за случайного движения волны сигнальные продукты многопутевого (многолучевого) распространения приводят к случайным во времени задержкам распространения и в итоге к замираниям сигнала. Кроме того, имеется частотно-зависимое затухание, которое приблизительно пропорционально квадрату частоты сигнала. Глубинная скорость номинально равна приблизительно 1500 м/с, но реальное значение выше или ниже номинального значения в зависимости от глубины, на которой сигнал распространяется.

Окружающий океанский акустический шум вызван креветкой, рыбой и различными млекопитающими. Ближние гавани добавляют к окружающему шуму промышленный шум. Несмотря на эту помеховую окружающую среду, возможно проектировать и выполнять эффективные и безопасные подводные акустические системы связи для передачи цифровых сигналов на большие расстояния.

Системы хранения информации. И системы поиска информации составляют значительную часть систем повседневной обработки данных. Это магнитная лента, включая цифровую наклонно-строчную звукозапись, и видеолента, магнитные диски, используемые для хранения больших количеств данных компьютера, оптические диски, используемые для хранения данных компьютера. Компакт-диски - также пример систем хранения информации, которые могут рассматриваться как каналы связи. Процесс запоминания данных на магнитной ленте или магнитном или оптическом диске эквивалентен передаче сигнала по телефону или радиоканалу. Процесс считывания и сигнальные процессы, используемые в системах хранения, чтобы восстанавливать запасенную информацию, эквивалентен функциям, выполняемым приемником в системе связи для восстановления передаваемой информации.

Аддитивный шум, издаваемый электронными контактами, и интерференция от смежных дорожек обычно представлены в сигнале считывания записанной информации точно так, как это имеет место в системе проводной телефонии или системе радиосвязи. Количество данных, которые можно хранить, ограничено размером диска или ленты и плотностью записи (числом битов, хранящихся на единице площади), которая может быть достигнута электронными системами и головками записи-считывания. Например, плотность упаковки бит на квадратный сантиметр демонстрировалась в экспериментальной системе хранения на магнитном диске. (Текущие коммерческие магнитные изделия хранения достигают значительно меньшей плотности.) Скорость, с которой данные могут быть записаны на диске или ленте, и скорость, с которой информация может считываться, также ограничены механическими и электрическими подсистемами, входящими в систему хранения информации.

Кодирование канала и модуляция - существенные компоненты хорошо разработанной цифровой магнитной или оптической системы хранения. В процессе считывания сигнал демодулируется и его избыточность, введённая кодером канала, используется для исправления ошибок считывания.

Характеристика каналов связи затруднительна. Куда отнести возможность определённого чиновника получить информацию? Искусно манипулируя связями, делец покупает выгодно товар. Сарафанное (народное) радио быстро разносит дурные вести, часто сплетни. Ещё Высоцкий был обманут слухами о скором запрете… Используя свои каналы экстрасенсы исцеляют, доводят любопытную информацию массам. Иногда безбожно врут. Мозг сегодня управляет компьютерами, японцы учатся читать мысли, куда отнести новый канал?

Классификация

Сегодня вся информация распространяется посредством колебаний – единственный способ существования материи, воспринимаемый человеком, приборами. Тесла считал мироздание сотканным из вибраций. Сложно ошибиться, назвав каналы связи колебательными. Классификация тесно касается исследований гармонических процессов. Фурье показал – волна любой формы представима суммой элементарных колебаний.

По природе волн

Напрашивается первая классификация:

Мысли также могут быть периодичными. Установлением природы возникающих сигналов сегодня занимается наука. Приведённые выше примеры составляют малую толику достижений человеческой цивилизации. Проявив минимум умственного напряжения, читатели поймут: электромагнитные, механические волны распространяются повсеместно. Постепенно угасая. Электромагнитным обычно удаётся проникнуть дальше. Естественным ограничителем механических выступает окружающий планеты вакуум.

Электромагнитное излучение принято классифицировать согласно типу модуляции несущей:

1. Амплитудная.
2. Частотная.
3. Фазовая.
4. Однополосная.
5. Кодово-импульсная.
6. Манипуляция:

• Частоты.
• Фазы.
• Амплитуды.

По форме волн

Человек изначально пытался использовать электричество. Задача передачи информации требовала менять форму сигналов:

1. Аналоговые, изменяющиеся плавно.
2. Импульсные, отличающиеся короткой длительностью.
3. Дискретные искусственно разорваны. Цифровой сигнал отличается нормированием уровней символов 0, 1.

Требования минимизации стоимости, энергозатрат постоянно рождают методики улучшения качества. Сегодня высшим достижением человеческой мысли считают цифровой сигнал, ставший отдельной отраслью сегмента передачи информации. Сказанное позволяет классифицировать каналы:

1. Шифрованный – открытый.
2. Кодированный (например, псевдошумовым сигналом) – некодированный.
3. Широкополосный – узкополосный.
4. Дуплексный – односторонний.
5. Мультиплексный – без сжатия.
6. Скоростной – обычный.
7. Восходящий – нисходящий.
8. Широковещательный – индивидуальный.
9. Прямой – обратный (возвратный).

Вдобавок сетевые протоколы образуют иерархию OSI, каждый уровень можно представить каналом. Возможны другие критерии разбиения.

По корректирующему действию

Каналы изменяют проходящую информацию. Иногда намеренно:

1. Линейные. Исходный сигнал легко восстановить, зная характеристики канала.
2. Нелинейные. Часть информации безвозвратно теряется.
3. Стохастические. Помехи реальных каналов редко поддаются предсказанию, даже статистическими методами.

По среде распространения

Подраздел классификации касается электромагнитной энергии:

1. Проводные.
2. Беспроводные.

Принцип действия

Информационные данные проходят путь меж локациями, преодолевая среду. Траекторию принято называть каналом связи. Современная техника пользуется последним типом классификации, рассматривая методы:

1. Проводные (витая пара, кабель, оптическое волокно, медный провод).
2. Беспроводные (спутники, радио, тепловое излучение, свет).

Материалом проводных сред стала преимущественно медь ввиду наилучшего сочетания цена/сопротивление. Стекло, полимеры обещают стать достойной заменой: факт, отмеченный экспертами середины 80-х (ХХ века). В информатике рассматривают понятие канала намного шире, включая сюда устройства хранения, самописцы, накопители, плёнку.

Модуляция

Изначально форма сигналов была максимально простой, чаще дискретной (азбука Морзе, код Шиллинга, визуальные знаки семафоров). Исследователи быстро осознали неэффективность элементарных приёмов. Уже Попов догадался применять амплитудную модуляцию несущей. Частотная рождена Эдвином Армстронгом (30-е годы). Инженеры Дженерал Электрик убедительно показали отличную устойчивость приёма вещания в условиях вспышек молний.

Цифровая эра

Вторая мировая война принесла миру более изощрённые варианты, включая кодирование псевдошумовыми сигналами, частотную манипуляцию. Предпринятые меры позволили сильно снизить спектральную плотность сигнала. Засечь передачу стало невероятно сложно, расшифровать – практически невозможно. Достижения военных лет развивались следующие несколько десятилетий. Ныне господствуют цифровые технологии, завтрашние шаги капризной истории сложно предсказать.

Сети

Основные современные каналы касаются непосредственно сегмента сетей, то есть линий, объединяющих активно взаимодействующие электронные объекты: компьютеры, телефоны, модемы. Ранее создания ARPANET обменом информации заведовал человек. Бурный рост сетевых технологий сделал возможным создание глобальных конформаций: интернет, услуги сотовых операторов. Международное взаимодействие сделало возможным тотальная стандартизация протоколов. В частности, первоначально (RFC 733) интернет получил определение сети, пользующейся стеком TCP/IP. Сегодня понятие стало намного шире, подразумевая планетарную систему взаимосвязанных хостов, несущих программное обеспечение HTTP-серверов.

Персональные компьютеры

Отдельной строкой выступают шины персональных компьютеров. Эре зарождения многоядерных процессоров предшествовали такие сегодня малознакомые аббревиатуры, как PCI, ISA. Своему рождению Фидонет обязан карте расширения S-100. Неправильно – забывать исторические предпосылки. Пример – развал Фидонета, брошенного собственным разработчиком, обосновавшим ранее экономическую целесообразность применения телефонных линий. Ушёл создатель – развалилась система, лишённая опоры в виде уместности технологии, соответствия растущим требованиям, взвинченным конкурирующими методами интернета. Технический уровень юзеров являлся недостаточным, был бессилен продлить агонию умирающей концепции.

Отсутствие информационной поддержки

Западные телекоммуникационные средства образуют совокупность экономически обоснованных типов передачи информации. Не существует отечественных эквивалентов терминов, переданных англоязычным доменом паутины. По телекоммуникационным технологиям, параметрам приходится брать зарубежную справку. Отсутствие информационной поддержки назовём очередным слабым звеном, мешающим развитию индустрии.

Модели каналов

Физическую среду принято моделировать. Исследователи пытаются предсказать результат будущих действий, полагая минимизировать затраты, увеличить пользу. Часто толчком проведения работ становятся экстремальные ситуации, войны, революции. Первую работу, касающуюся реальных каналов передачи информации, снабжённых моделями шумов, помех выпустил (1948) Клод Шеннон. Учёный рассмотрел движения дискретных сигналов, предложил методики оптимизации.

Математики неустанно разрабатывают модели интерференции, рефракции, отражения, шумов, затухания, резонанса. Например, разработчики мобильной связи внедряют аддитивную помеху. Точные методики расчёта отсутствуют. Модель канала учитывает сферу применения, преследует различные цели. Бывают потребности, искомые величины следующие:

1. Оценка полосы пропускания.
2. Вычисление битрейта.
3. Коэффициент использования канала.
4. Спектральная плотность сигнала.
5. Уровень дрожаний.
6. Процент ошибочно переданных битов.
7. Оценка отношения сигнал/шум.
8. Задержка линии.

Сотовые вышки делят канал меж фиксированным набором абонентов. Зачастую сигнал подвергается сильной интерференции. Сложный канал представляют суммой взаимодействий типа «точка-точка». Принято выделять группы подходящих моделей, описывающих соединение, предназначать каждой области стандартный набор методик «для сдачи отчётности».

Цифровые

Дискретные каналы проще моделировать. Сообщение представляется цифровым сигналом выбранного слоя протокола (иерархии OSI). Часто физический канал заменяют упрощёнными представлениями:

• Кадр.
• Пакет.
• Датаграмма.

Поведение более сложных структур проще отследить, подсчитывая производительность, скорость, вероятность ошибок. Примеры:

• Симметричный цифровой канал – простейший пример передачи битов, учитывающий влияние шумов.
• Ошибка пакета битов (модель Гильберта – Эллиота). Описывает случай обязательного наличия неправильно принятых первого, последнего символов при длине отрезка выборки выше некоторого значения m, именуемого защитной полосой. «Неудачные» участки обычно разделены сравнительно длинными (превышают m) областями уверенного приёма.
• Стёртый бит. Модель введена Петером Элиасом (Массачусетский технологический институт, 1955), описывает случай системы, где периодически сигнал пропадает. Вводится определённая вероятность «стирания». Кажущаяся простота обманчива, широкий круг реальных проблем решается рядом допущений указанным путём.
• Стёртый пакет. Временами пропадает кусок кода.
• Произвольно меняющийся канал имитирует реальные непредсказуемые условия. Эксперты противопоставляют методику симметричной цифровой, предложенной Шенноном.

Аналоговые

Сами модели могут быть:

1. Линейными – нелинейными.
2. Непрерывными – дискретными.
3. Постоянной – динамической вероятности.
4. Узкополосные – широкополосные.
5. Инвариантные – переменные во времени.
6. Действительные (реальные) – комплексные.

1. Шумовая модель:
   • Аддитивная (белый Гауссовский шум) – линейная непрерывная постоянная.
   • Фазовое дрожание.
2. Интерференционная система: перекрёстные, межсимвольные помехи.
3. Искажения – нелинейные каналы.
4. Имитация амплитудно-частотной характеристики.
5. Групповая (фазовая) задержка.
6. Моделирование условий физического канала.
7. Расчёт распространения радиоволн.
   • Затухание мощности, вызванное ростом дальности.
   • Замирания: Рэлеевские, Райсовские, частотно-избирательные, теневые.
   • Доплеровский сдвиг, дополненный замираниями.
   • Трассировка лучей.
   • Моделирование сотовой связи.

Сотовые

Касаются подвижных абонентов: постоянно меняются скорость, ускорение, координаты. Моделирование беспроводных децентрализованных самоорганизующихся систем требует учёта специфических условий: шаблона трафика, особенностей регламента связи, поведения подписчиков.

• Широковещательный вариант часто называют типом «точка-многоточие». Единственный передатчик посылает несколько сообщений. Удалённость узлов неодинакова. Представима большая часть беспроводных каналов, исключая радиолюбительскую, двухстороннюю связь. Отлично вписывается нисходящая ветвь трафика сотовых сетей, в особенности при отсутствии помех соседней вышки.
• Множественный доступ предусматривает параллельную отправку сообщений несколькими передатчиками. Число приёмников варьируется. Существующая схема доступа к ресурсам дополняется методами контроля среды, включая схемы мультиплексирования. Приемлемо описывает восходящую ветвь трафика мобильных сетей.
• Релейный канал дополняет передатчик взаимосвязанной системой репитеров. Модель отлично описывает стандарт LTE.
• Интерференционный канал предусматривает наличие взаимных помех двух базовых станций. Помимо перекрёстных образуются канальные. Концепция прямо намекает на сотовые ячейки мобильных операторов. Ситуация усугубляется отсутствием ортогональных методик кодирования.
• Индивидуальная передача описывает поведение мобильного телефона, получившего выделенный ресурс вышки.
• Широковещательная схема использовалась пейджерами. Система Хамелеон выступает неплохим примером.
• Групповое вещание описывает случай передачи сообщения фиксированной группе абонентов. Тесно касается стандарта LTE.