ГПОУ ТО "ДКИТ"

Основные характеристики ЛС

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.

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.

Кроме искажений сигналов, вносимых внутренними физическими параметрами линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Несмотря на защитные меры, предпринимаемые разработчиками кабелей и усилительно - коммутирующей аппаратуры, полностью компенсировать влияние внешних помех не удается. Поэтому сигналы на выходе линии связи обычно имеют сложную форму, по которой иногда трудно понять, какая дискретная информация была подана на вход линии.

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

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (рис. 31) показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала.

Вместо амплитуды в этой характеристике часто используют также такой параметр сигнала, как его мощность.

Знание амплитудно-частотной характеристики реальной линии позволяет определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно- частотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники.

Несмотря на полноту информации, предоставляемой амплитудно- частотной характеристикой о линии связи, ее использование осложняется тем обстоятельством, что получить ее весьма трудно. Ведь для этого нужно провести тестирование линии эталонными синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит, количество экспериментов должно быть очень большим. Поэтому на практике вместо амплитудно-частотной характеристики применяются другие, упрощенные характеристики - полоса пропускания и затухание.

Полоса пропускания - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно равный 0,5. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Знание полосы пропускания позволяет получить с некоторой степенью приближения тот же результат, что и знание амплитудно-частотной характеристики.

Ширина полосы частот - диапазон частот, в котором может осуществляться передача и обмен данными между абонентами через данный канал связи [9, 10, 22].

Ширина полосы частот эквивалентна понятию ширина полосы пропускания.

Частотный электромагнитный спектр, используемый для передачи данных, имеет следующий вид:

Диапазон частот 103 - телефонные речевые частоты (от низких до высоких скоростей передачи);

ДЧ104 - ОНЧ - телефонные речевые частоты ( с более высокими скоростями передачи данных);

ДЧ105 - НЧ - коаксиальные подводные кабели ( пакетная передача данных с высокой скоростью);

ДЧ106 - СЧ - наземные коаксиальные кабели ( звуковая широковещательная передача с амплитудной модуляцией, высокая скорость передачи речи и данных);

ДЧ107 - ВЧ - наземные коаксиальные кабели: коротковолновая широковещательная передача, высокая скорость передачи речи и данных ;

ДЧ108 - ОВЧ - наземные коаксиальные кабели: звуковое и телевизионное вещание с фазовой модуляцией в диапазоне ОВЧ (высокая скорость передачи речи и данных);

ДЧЮ9 - УВЧ - телевизионное вещание;

ДЧ 10к 1 - СВЧ - короткозамкнутые волноводы: СВЧ-вещание, высокая скорость передачи речи и данных;

ДЧЮ11 - КВЧ - спиральные волноводы (высокая скорость передачи данных );

ДЧЮ12 - передача в инфракрасном диапазоне (локальная передача данных);

ДЧ1013 ' - передача в инфракрасном диапазоне (локальная передача данных);

ДЧ 1014 - оптоволоконные линии: видимый свет ( очень высокая скорость передачи речи и данных);

ДЧ 10ь -оптоволоконные линии: ультрафиолетовый диапазон (очень высокая скорость передачи речи и данных);

ДЧ 1019 - 1023 - рентгеновские и гамма- лучи, данный диапазон для передачи данных не используется.

Затухание (Attenuation). Затухание определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Таким образом, затухание представляет собой одну точку из амплитудно-частотной характеристики линии связи. Часто при эксплуатации линий заранее известна основная частота передаваемого сигнала, т. е. та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.

Таким образом, амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание являются универсальными характеристиками, и их знание позволяет сделать вывод о том, как через линию связи будут передаваться сигналы любой формы.

Затухание измеряется в децибелах на метр для определенной частоты или диапазона частот сигнала и вычисляется по следующей формуле:

где Рвых - мощность сигнала на выходе линии;

Рвх - мощность сигнала на входе линии.

Пропускная способность 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.

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 [9, 10, 22].

Любая линия связи, канал связи имеет ограничения на объем передаваемых данных. Одной из основных причин этого ограничения является шум.

Шум в каналах связи - явление, присущее самим каналам, которое не может быть устранено.

Данный шум называется тепловым, гауссовым, белым или фоновым,

происходит от постоянного случайного движения электронов в проводнике.

Шипение, которое слышно в телефонной трубке, является именно таким шумом. Любой проводник является источником шума. Мощность шума пропорциональна полосе пропускания частот (диапазон частот, который позволяет пропустить канал), поэтому расширенная полоса частот содержит увеличенную мощность шумов.

Фундаментальной идеей в теории связи является закон Шеннона.

Данный закон устанавливает конечные пределы канала передачи данных в виде следующей формулы:

где С - максимальная пропускная способность (бод);

W - полоса частот;

S/N - отношение мощности сигнала к мощности шумов.

При увеличении полосы частот W, мощности полезного сигнала S, уменьшении уровня шумов N увеличивается пропускная способность каналов передачи данных.

Одним из методов увеличения отношения «сигнал/шум» является размещение большого числа усилителей в канале связи (рис. 32).

Сигнал, проходя по каналу связи, затухает, чтобы этого не наблюдалось, необходимо использовать усилители. Так как уровень шума в канале постоянен, усилители необходимо располагать таким образом и на таком отдалении друг от друга, чтобы мощность сигнала не упала ниже определенного уровня.

Близкое расположение усилителей улучшает соотношение S/N , но это дорогостоящее мероприятие, а сами усилители должны быть тщательно спроектированы для минимизации шума при усилении сигнала.

Другой способ борьбы с тепловым шумом, а также с другими видами шумов, например разрядными видами помех, флуктуациями мощности, приемники в системах связи должны проверять данные, и в случаях обнаружения нарушений запрашивать повторную передачу.

Нарушения (ошибки) можно широко классифицировать как случайные, импульсные или смешанные.

В каналах со случайными ошибками для каждого бита передаваемых данных существует вероятность Р неправильного приема и вероятность (1 - Р) правильного приема.

Каналы с импульсными ошибками демонстрируют состояние, свободное от ошибок большую часть времени, но иногда появляются групповые или разовые ошибки. Объектом таких ошибок являются радиосигналы, так же, как кабели и провода, например телефонные каналы из витых проводных пар.

Перекрестные наводки. Обычно рассматриваются два случая перекрестных наводок:

  1. источник сигнала и приемник находятся по одну сторону кабеля (NEXT - near end crosstalk);
  2. приемник и источник находятся на разных концах кабеля (FRXT - far end crosstalk).

NEXT-наводки при большом числе пар проводов в кабеле подчиняются закону f1'5, а их уровень составляет около 55 дБ при частоте 100 кГц. FEXT- наводки сильно зависят от схемы коммутации и разводки проводов и обычно менее опасны, чем NEXT. Еще одним источником наводок является импульсный шум внешних электромагнитных переходных процессов. Этот вид наводок обычно характеризуется промежутком времени, в течение которого его уровень превышает порог чувствительности, и варьируется в зависимости от обстоятельств в очень широких пределах.

NEXT измеряются в децибелах для определенной частоты сигнала.

Импеданс (волновое сопротивление) - это полное (активное и реактивное) сопротивление в электрической цепи. Импеданс измеряется в Омах и является относительно постоянной величиной для кабельных систем (например, для коаксиальных кабелей, используемых в стандартах Ethernet, импеданс кабеля должен составлять 50 Ом). Дня неэкранированной витой пары наиболее часто используемые значения импеданса - 100 и 120 Ом. В области высоких частот (100-200 МГц) импеданс зависит от частоты.

Активное сопротивление - это сопротивление постоянному току в электрической цепи. В отличие от импеданса активное сопротивление не зависит от частоты, но зависит от длины кабельной системы.

Емкость - это свойство металлических проводников накапливать энергию. Большая величина емкости в кабельной системе приводит к тому, что передаваемые сигналы искажаются, а полоса пропускания линии связи ограничивается или сужается.

Диаметр или площадь сечения проводников, используемых в кабельных системах. Основной материал - медь. Для медных проводников применяется американская система обозначения проводников AWG. Чем больше номер типа проводника, тем меньше его физический диаметр. В Международном и Европейском стандартах диаметр проводников канала связи обозначается в миллиметрах (мм).

Уровень внешнего электромагнитного излучения или электромагнитный шум

Электромагнитный шум:

Источники фона:

источниками фонового электромагнитного шума в диапазоне до 150 кГц могут быть линии электропередачи, телефонные аппараты и лампы дневного света;