базовый курс лекцийц. Базовый курс лекций ТФУПД (pdf.io). Образовательное учреждениеАкадемия управления городской средой, градостроительства и печати
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
АЧХ в виде прямоугольника. Если теперь вычислить реактивное сопротивление (R реак | w0 w1 ), в диапазоне, ограниченном двумя крайними точками прямоугольника w0, w1, то это оно не будет функцией от частоты. Это значение будет постоянно. Две крайние точки на оси частот w 0 и w 1 ограничивают основной диапазон частоты сигнала, которые могут присутствовать в линии. За пределами этих точек те значений частот, которые не пропускает данная линия (вернее те значения, которые близко удалены от этих точек, линия пропускает с искажениями, а уже чем дальше удалено значение частоты сигнала, тем более вероятно, что эта линия не пропустит сигнал такой частоты). И только внутри этого прямоугольника находится основной диапазон частоты, с которым может работать линия. Этот основной частотный диапазон (разность значения частоты в точке w 1 значения частоты в точке w 0 ) называют полосой пропускания линии связи. Или можно сказать еще так, что полоса пропускания (line)bandwidth)- это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5. Другими словами полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. В принципе, знание полосы пропускания позволяет получить с некоторой степенью приближения тот же результат, что и знание амплитудно-частотной характеристики, но с другой стороны эта характеристика линии очень удобна для проведения технических расчетов. Как мы увидим ниже, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Именно этот факт нашел отражение в английском варианте рассматриваемого термина bandwidth. Но это не все характеристики не подключенного кабеля. Существуют еще несколько очень даже не маловажных по информационной сути характеристик - затухание (line)atte)nuation), помехоустойчивость, перекрестные наводки на ближнем конце линии. Сейчас мы рассмотрим каждую из них. 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. Часто при эксплуатации линии заранее известна основная частота передаваемого сигнала. 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. Затухание (А) обычно измеряется в децибелах (дБ, decibel - dB) и вычисляется по следующей формуле: А = 10 log 10 Р вых /TР вх , (4.3) где Р вых - мощность сигнала на выходе линии, Р вх - мощность сигнала на входе линии. Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей всегда меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной. На практике берут абсолютное значение затухания, без указания знака. Например, кабель на витой паре категории 5 характеризуется затуханием не ниже 23,6 дБ для частоты 100Мгц при длине кабеля 100 м. 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. Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. Ниже показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны. Рис. 4.12 Полосы пропускания линий связи различных типов Помехоустойчивость и перекрестные наводки на ближнем конце линии. Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде, на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помех и средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной - волоконно- оптические линии, малочувствительные ко внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют и/или скручивают. Перекрестные наводки на ближнем конце (line)Ne)ar) End Cr)oss Talk - NEXT) определяют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи. Если ко второй паре будет подключен приемник, то он может принять наведенную внутреннюю помеху за полезный сигнал. Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен NEXT=10 log 10 Р вых /TР нав , (4.4) где Р вых - мощность выходного сигнала, Р нав - мощность наведенного сигнала. Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Так, для витой пары категории 5 показатель NEXT должен быть меньше 27 дБ на частоте 100 МГц. Показатель NEXT обычно используется применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, так как в этом случае взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для одинарного коаксиального кабеля (то есть состоящего из одной экранированной жилы) этот показатель не имеет смысла, а для двойного коаксиального кабеля он также не применяется вследствие высокой степени защищенности каждой жилы. Оптические волокна также не создают сколь- нибудь заметных помех друг для друга. В связи с тем, что в некоторых новых технологиях используется передача данных одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стал применяться показатель Powe)r)SUM, являющийся модификацией показателя NEXT. Этот показатель отражает суммарную мощность перекрестных наводок от всех передающих пар в кабеле. Вот такие основные характеристики линии связи, которая не подключенная к сети. При знакомстве с характеристиками линий связи мы с вами говорили о синусоидальных сигналах определенной частоты, но следует подчеркнуть, что большая часть сигналов, которые используются в компьютерных сетях, имеет сложную несинусоидальную форму. Несинусоидальные сигналы сложнее и по техническим возможностям определения их параметров. Например, мы определили, что линия имеет полосу пропускания 1МГц. На вход этой линии, подключенной в сети, поступает несинусоидальный информационный сигнал, как нам определить сможет ли эта линия пропустить его и если да, то с какой скоростью? Для этого нам нужно еще намного вспомнить физики. Как мы уже говорили, каждый сигнал описываются в виде математической модели, у сложных сигналов - сложные математические модели. Поэтому удобнее описывать их с помощью относительно простых математических моделей. Одним из наиболее подходящих способов описания электрических сигналов сложной формы является их представление рядом Фурье. Сущность представления Фурье состоит в следующем: любой электрический сигнал u(line)t) (любой формы) на произвольно заданном интервале времени можно представить как сумму нескольких простых синусоидальных сигналов, которые имеют математическое описание: u k (line)t) = Um k *sin(line)k t + j k ) (4.5) с амплитудами Um k , частотами k* и начальными фазами j k . Итак, для любого электрического сигнала можно записать U(line)t) = U о + Um 1 *sin(line)t + j 1 ) + Um 2 *sin(line)2*t + j 2 ) + Um 3 *sin(line)3t + j 3 ) + ... + Um k *sin(line)kt + j k ) Слагаемое U o называется постоянной составляющей сигнала. Слагаемые, входящие под знак суммы, называются гармониками. Гармоническое колебание основной частоты называется первой гармоникой – Um 1 *sin(line)t + j 1 ), колебание с частотой 2*- второй – Um 2 *sin(line)2*t + j 2 ) и т. д. Таким образом, электрический сигнал сложной формы можно задать путем указания значений его постоянной составляющей, амплитуд и фаз всех его гармоник. Для каждой гармоники частота определяется как: =2/TT, где Т - период синусоидального сигнала гармоники. Если известен период гармонической составляющей, (синусоидального сигнала) то можно найти ее частоту. На рис. 4.13 показано как сложный периодический процесс можно представить в виде синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд. Рис. 4.13 Представление периодического сигнала суммой синусоид с различной частотой Зная частоту и амплитуду каждой гармоники можно построить спектр сигнала. Набор всех гармоник называют спектральным разложением исходного сигнала. Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла (суммы) синусоидальных сигналов с непрерывным спектром частот. Эти спектры можно наглядно представить графически, откладывая по оси абсцисс значения угловой частоты, а по оси ординат значения амплитуд гармоник. Так, например, спектральное разложение идеального импульса (единичной мощности и нулевой длительности) имеет составляющие всего спектра частот от - до +. Для сигналов, которые хорошо описываются аналитически (прямоугольные импульсы одинаковой длительности и амплитуды) спектр легко вычисляется по формулам Фурье. Для сигналов произвольной формы спектр находят с помощью специальных приборов, которые измеряют спектр реального сигнала и отображают амплитуды составляющих гармоник. Полезной характеристикой любого сигнала является также ширина его спектра - интервал на шкале частот, в котором располагаются все спектральные линии периодического сигнала или на котором отлична от нуля спектральная плотность непериодического сигнала. Если этот интервал частот конечен, то говорят, что сигнал имеет ограниченный спектр. В противном случае спектр называют неограниченным. Например, спектр периодической последовательности прямоугольных импульсов является неограниченным. Это обусловлено тем, что для этого сигнала нельзя указать наивысшую частоту - амплитуды всех его гармоник в общем случае отличны от нуля. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму. Поэтому на приемном конце линии сигналы могут плохо распознаваться (См. рис. 4.14). Рис. 4.14 Искажение импульсов в линии связи В передающей линии искажаются не только импульсные сигналы, но и синусоиды какой-либо частоты. В результате происходит искажение всего передаваемого сигнала любой формы. Именно поэтому АЧХ реального сигнала не имеет правильной формы. 4.3.2 Характеристики реальной линии связи Итак, теперь перед нами следующая задача: определить какие частоты сигналов может пропускать определенная линия связи с определенной полосой пропускания. Чем выше значение частоты, которую может пропускать линия связи, тем она лучше. Каким образом можно определить скорость работы кабеля? В компьютерной сети в основном присутствуют сигналы сложной формы (непериодические, несинусоидальные). На практике такие сигналы представляют с помощью ряда Фурье (спектральное представление). Целью разложения сложного сигнала методом Фурье является облегчение технических расчетов параметров электрического сигнала и представление его как можно близким к реальному виду. Чем больше сигнал похож на синусоиду, тем меньше синусоид понадобится для разложения его в ряд Фурье, тем меньше гармоник будет иметь этот сигнал в разложении Фурье, тем уже ширина его спектра. Например, на рис. 4.15 показан пример формы сигнала, приходящего на вход линии. Определим связь между частотой сигнала и полосой пропускания линии связи. Рис. 4.15 Пример входного сигнала Для того, чтобы решить эту задачу необходимо: С помощью Фурье-анализа представить сложный входной сигнал в виде нескольких простых синусоид. Первую синусоиду строят с максимальной амплитудой и к ней суммируют синусоиды с меньшей амплитудой, но большей частотой (см. рис. 4.13 и 4.15) и в результате суммирования этих синусоид получают сигнал близкий к реальному. Определить период каждой синусоиды, и по периоду найти частоту каждой синусоиды, построить спектр сигнала. Определить пропускает ли эту частоту наша линия. Для этого необходимо совместить амплитудно-частотную характеристику линии связи со спектром сигнала (см. рис. 4.16). Чем уже спектр сигнала, тем легче "втиснуть" в полосу пропускания линии, следовательно, тем выше скорость передачи этого сигнала в этой линии. Если частоты первых гармоник сигнала (основные частоты, которые вносят основной вклад в вид результирующего сигнала) входят в полосу пропускания линии, то входной сигнал пройдет с наименьшими искажениями (см. рис.4.16,А). Если же значимые гармоники выходят за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал будет значительно искажаться. Чем меньше частот входного сигнала принадлежит полосе пропускания линии, тем более вероятно, что линия этот сигнал пропускать не будет, или будет, но с очень большими искажениями (см. рис.4.16,Б). А Б Рис. 4.16 Соответствие между полосой пропускания и спектром сигнала Таким образом, каждая линия характеризуется некоторой скоростью передачи данных, которая зависит не только от параметров самой линии (АЧХ, полосы пропускания), но и от параметров передаваемого электрического сигнала. Чем уже ширина спектра (чем меньше гармоник у исходного сигнала), тем выше и скорость его передачи. И наоборот, чем шире спектральный диапазон сигнала, тем труднее его передача, следовательно, меньше и скорость. Максимально возможная скорость передачи данных по линии связи называется пропускной способностью линии. Пропускная способность подразумевает скорость линии связи. Эта скорость измеряется в бит/сек, а также Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с и т.д. Как же определить, какие скорости нужны линии при известных характеристиках сигнала? Ведь нужно обеспечить передачу исходного сигнала в любом случае, и если реальный его спектр выходит за пределы полосы пропускания линии, нужно представить его в таком виде, в котором передача будет все-таки не просто возможна, но возможна без существенных искажений. Для того чтобы обеспечить передачу информации от компьютера к компьютеру по линиям связи, необходим некоторый способ ее представления. Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодированием. От выбранного способа кодирования и будет зависеть спектр передаваемых сигналов и, соответственно, пропускная способность линии. Таким образом, для одного способа кодирования линия может обладать одной пропускной способностью, а для другого - другой. При выборе способа кодирования для какой-либо последовательности сигналов можем определить следующее: накладываем на форму сигнала синусоиду и делаем вывод: чем больше эта синусоида получилась похожей на реальную, тем меньше нам понадобится синусоид для представления его методом Фурье, следовательно, тем выше будет скорость передачи такого сигнала; разложив сигнал на отдельные синусоиды, определяем период, и частоту каждой из них; определяем, входят ли эти частоты в полосу пропускания используемой линии; определяем сколько информации принесла эта последовательность сигналов. Что означает утверждение - последовательность сигналов несет информацию?Теория информации говорит, что любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию. Действительно, если мы будем передавать по линии постоянный сигнал, будет ли он нести в себе информацию? Нет, потому что нет никакого изменения информации. Сигнал синусоидального вида также не будет нести никакой информации потому, что сигнал вроде бы и изменяется, но это изменения можно предсказать (ведь форма синусоиды абсолютно предсказуемая, мы знаем, что после одного периода синусоиды будет точно такой же второй). Импульсы на тактовой шине компьютера тоже всегда постоянны во времени и поэтому не несут информации. А вот импульсы на шине данных предсказать заранее нельзя, поэтому они переносят информацию между отдельными блоками или устройствами. Таким образом, непредсказуемое изменение информационного параметра несет информацию. Большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала - частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой, если в качестве такого сигнала используется синусоида. Если сигнал будет изменяться так, что можно различить только два его значения (например, 0 и 1), то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации – биту, т.е. одно изменение такого сигнала принесло 1 бит информации. Параметры сигнала могут принимать несколько значений - 2, 4, 5. Если сигнал может иметь более двух различимых значений (состояний), то любое его изменение будет нести несколько бит информации. Если сигнал принял за одно изменение 4 состояния (уровня), это принесло 2 бита информации, а если 5 состояний, сколько бит информации принесет сигнал? При этом берут двоичный логарифм 5. Результат не точный, поэтому способы кодирования используют, как правило, не более четырех уровней изменения параметра сигнала. Но это если рассматривать только изменение одного параметра, например амплитуды. А если у сигнала изменяются несколько его параметров (амплитуда, частота, фаза) и, скажем, все принимают по 4 состояния, то в итоге получается 64 состояния сигнала. 64 состояний - это 6 бит информации, т.е. такой сигнал нам принесет больше информации за одно изменение, но его сложно смоделировать. Все эти проблемы касаются напрямую работы методов физического кодирования сигналов Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (line)baud). Период времени между соседними изменениями информационного сигнала называется тактом работы передатчика. Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод. Она может быть как выше, так и ниже числа бод, и это соотношение зависит от способа кодирования. Например, если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в битах в секунду будет выше, чем число бод. Например, если информационными параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются 4 состояния фазы в 0, 90,180 и 270 градусов и два значения амплитуды сигнала, то информационный сигнал может иметь 8 различимых состояний. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (с тактовой частотой 2400 Гц) передает информацию со скоростью 7200 бит/с, т. к. при одном изменении сигнала передается 3 бита информации. А при использовании сигналов с двумя различимыми состояниями может наблюдаться обратная картина. Это часто происходит потому, что для надежного распознавания приемником информации каждый бит в последовательности кодируется с помощью нескольких изменений информационного параметра несущего сигнала. Например, при кодировании единичного значения бита импульсом положительной полярности, а нулевого значения бита - импульсом отрицательной полярности физический сигнал дважды изменяет свое состояние при передаче каждого бита (см. рис. 4.17). При таком кодировании пропускная способность линии в два раза ниже, чем число бод, передаваемое по линии. Рис. 4.17 Пример импульсного кодирования уменьшающего пропускную способность линии связи. 4. 3.3 Связь между пропускной способностью линии и ее полосой пропускания Из всего сказанного выше можно сделать следующие выводы. Линия связи характеризуется определенной полосой пропускания и все передаваемые сигналы, должны работать на частотах входящих в этот пропускаемый линией диапазон частот. С другой стороны, линия связи характеризуется пропускной способностью, т.е. скоростью передачи сигналов. Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии, следовательно, тем выше и пропускная способность линии при каком-либо фиксированном способе физического кодирования. Но, как только мы увеличиваем частоту периодического несущего сигнала, то автоматически увеличивается и ширина спектра этого сигнала. Следовательно, есть вероятность, что линия передает этот спектр синусоид с теми искажениями, которые определяются ее полосой пропускания. Таким образом, чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации на самом деле оказывается меньше, чем предполагалось. Связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью вне зависимости от принятого способа физического кодирования установил Клод Шеннон. С = F log 2 (line)1 + Рc/TРш) (4.6) где С - максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F - ширина полосы пропускания линии в герцах, Рс - мощность сигнала, Рш - мощность шума. Из формулы 4.6 видно, что не существует теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания. Но на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность линии можно за счет увеличения мощности передатчика сигнала или же уменьшения мощности шума (помех) на линии связи. Но и то, и другое осуществить очень сложно, для этого необходимы специальные устройства, и это сразу увеличит как количество и размеры, так и стоимость оборудования сети. Более практически связь между пропускной способностью и полосой пропускания линии удалось определить |