Краткие теоретические сведения. Наиболее значимыми по использованию являются следующиевторичные параметры

Наиболее значимыми по использованию являются следующиевторичные параметры, которые не зависят от природы линии связи. К ним относятся:

1. волновое сопротивление кабеля Zв

2. амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) передаваемого сигнала,

3. затухание сигнала З,

4. ширина полоса пропускания W,

5. пропускная способность C.

Данные параметры могут быть определены для идеального и реального канала связи.

Идеальным каналом связи называется такой канал, в котором не учитывается влияние шумов и интермодуляционных искажений.

В реальном канале связи, наоборот, учитывается влияние шумов и интермодуляционных искажений.

Искажения (шумы) бывают внешние и внутренние. Внешние искажения (шумы) бывают естественной и искусственной природы. Естественные шумы происходят из-за различных физических явлений: солнечной активности, космического излучения, удара молнии. Шумы искусственной природы возникают по причине деятельности человека. Это, прежде всего, наводки от силовых электропитающих цепей 50 Гц, наводки из-за возникающих переходных процессов в электродвигателях, наводки в контактном зажигании автомобилей, от электросварки, влиянии сотовой связи и т.д.

Внутренние наводки, называемые так же интермодуляционными искажениями, возникают из-за влияния электромагнитного поля одного проводника с током на другой проводник.

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:

А = 10 lg Pвых/Pвх.

Здесь Pвых — мощность сигнала на выходе линии, Pвх — мощность сигнала на входе линии. Так как затухание зависит от длины линии связи, то в качестве характеристики линии связи используется так называемое погонное затухание, то есть затухание на линии связи определенной длины. Для кабелей локальных сетей в качестве такой длины обычно используют 100 м, так как это значение является максимальной длиной кабеля для многих LAN-технологий. Для территориальных линий связи погонное затухание измеряют для расстояния в 1 км.

Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей всегда меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.

Затухание является более обобщенной характеристикой линии связи, так как позволяет судить не о точной форме сигнала, а о его мощности (интегральной результирующей от формы сигнала). Но на практике в качестве характеристики линий связи чаще используется затухание не во всем частотном диапазоне, а в отдельных точках частотного диапазона. При этом каждая из этих точек соответствует определенной частоте, на которой измеряется затухание. Отдельное значение затухания называют коэффициентом затухания Кз. Применение всего нескольких значений вместо полной характеристики связано, с одной стороны, со стремлением упростить измерения при проверке качества линии, а 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. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала. Чем меньше затухание, тем выше качество линии связи.

Полоса пропускания (bandwidth) W — это непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает некоторый заранее заданный предел. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений (часто граничными частотами считаются частоты, на которых мощность выходного сигнала уменьшается в два раза по отношению к входному, что соответствует затуханию в -3 дБ). Как мы увидим ниже, ширина (width) полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Полоса пропускания определяет диапазон частот, которые передаются линией связи с приемлемым затуханием.

Пропускная способность (throughput) линии C 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 затухание и полоса пропускания, 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 (рис. 4.16, а). 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 (рис. 4.16, б).

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

С =W log₂ (1 + Р_с/Р_ш)

Здесь С — максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F — ширина полосы пропускания линии в герцах, Р_с — мощность сигнала, Р_т — 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 прямопропорциональная. Так, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз, повышение мощности передатчика в два раза даст только 15 % увеличения пропускной способности линии.

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

C = 2 W log₂ M.

Здесь М — количество различимых состояний информационного параметра.

Если сигнал имеет два различимых состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению ширины полосы пропускания линии связи (рис. 4.17, а). Если же передатчик использует более двух устойчивых состояний сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается, так как за один такт работы передатчик передает несколько битов исходных данных, например два бита при наличии четырех различимых состояний сигнала (рис. 4.17, 6).

Внеаудиторная практическая работа №5
Изучение способов кодирования цифровых сигналов

Тема 9. Цифровые каналы передачи данных. Кодирование информации.

Задание:

1. Для указанной по вариантам в таблице 5.1 8-ми битовой последовательности цифрового кода в тетради графически изобразить следующие цифровые коды:
1. NRZ
2. NRZI
3. AMI
4. Биполярный импульсный код,
5. Манчестерский код
6. Четырёхуровневый цифровой код 2B1Q

Табл. 5.1

Номер варианта	Значение цифрового сигнала по битам:
1бит	2бит	3бит	4бит	5бит	6бит	7бит	8бит

1. Пример выполнения (на доске) задания показан на следующем рисунке:

Рис. 5.1 Цифровые коды