Читать в оригинале

<< ПредыдущаяОглавлениеСледующая >>


1.2. КАНАЛЫ СВЯЗИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

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.

 



<< ПредыдущаяОглавлениеСледующая >>