Связь между пропускной способностью канала и его полосой

пропускания

Канал связи передает спектр синусоид сигнала с теми искажениями, которые определяются его полосой пропускания. Чем больше несоответствие между полосой пропускания канала 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 можно было предположить.

Связь между полосой пропускания канала и его пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон:

С = F Iog2 (1 + Р_С/Р_Ш),

где С - пропускная способность канала в битах в секунду, F — ширина полосы пропускания канала в герцах, Р_С — мощность сигнала, Р_Ш — мощность шума Из этого соотношения видно, что хотя теоретического предела пропускной способности канала с фиксированной полосой пропускания не существует, на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность канала можно за счет увеличения мощности передатчика или же уменьшения мощности шума (помех) на линии связи. 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 не просто. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума ни пропускную способность ограничено логарифмической зависимостью, которая pастет не так быстро, как прямо-пропорциональная. Так, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15 % увеличения пропускной способности канала.

Близким по сути к формуле Шеннона является соотношение, предложенное Найквистом:

С = 2F Iog₂ M,

где М — количество различимых состояний информационного параметра.

Формула Найквиста в явном виде не учитывает наличие шума. Косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности канала хотелось бы увеличить это количество до значительных величин, но на практике мы не можем этого сделать из-за шума на линии. Амплитуда шума не должна часто превышать разницу между соседними уровнями, иначе приемник не сможет устойчиво распознавав передаваемые данные. Поэтому количество возможных состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником.

Приведенные соотношения дают предельное значение пропускной способности линии, а степень приближения к этому пределу зависит от конкретных методов физического кодирования.

Помехоустойчивость и достоверность

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 экранирующи:х и подавляющих помехи 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 (Near End Cross Talk — NEXT) опреде ляют помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводнике! 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 10 log Р_Вых/Рнав, где Рвых — мощность выходного сигнала, Рнав — мощность наведенного сигнала.

Чем меньше значение NЕXТ, тем лучше кабель. Так, для витой пары катего­рии 5 показатель NЕXТ должен быть меньше -27 дБ на частоте 100 МГц.

Показатель МЕХТ 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 РоwеrSUМ, являющийся модификацией показателя NЕXТ. Этот показатель отражает суммарную мощность перекрестных наводок от всех передаю­щих пар в кабеле.

Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каж­дого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивно­стью битовых ошибок (Вit Еrrоr Rate, ВЕR). Величина ВЕR для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило, , в оптоволоконных линиях связи —. Значение достоверности передачи данных, например, вговорит о том, что в среднем из 10 000 бит искажается значение одного бита.

Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причи­не искажений формы сигнала ограниченной полосой пропускания линии. Поэто­му для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а также использовать более широкополосные линии связи.

Аппаратура линий связи

Промежуточная аппаратура обычно используется на линиях связи большой про­тяженности. Промежуточная аппаратура решает две основные задачи:

• улучшение качества сигнала;

• создание постоянного составного канала связи между двумя абонентами се

В локальных сетях промежуточная аппаратура может совсем не использовать­ся, если протяженность физической среды — кабелей или радиоэфира — позволяет одному сетевому адаптеру принимать сигналы непосредственно от другого сетево­го адаптера без промежуточного усиления. В противном случае применяются уст­ройства типа повторителей и концентраторов.

В глобальных сетях необходимо обеспечить качественную передачу сигналов на расстояния в сотни и тысячи километров. Поэтому без усилителей сигналов, уста­новленных через определенные расстояния, построить территориальную линию связи невозможно. В глобальной сети необходима также и промежуточная аппара­тура другого рода — мультиплексоры, демультиплексоры и коммутаторы. Эта ап­паратура решает вторую указанную задачу, то есть создает между двумя абонентами сети составной канал из некоммутируемых отрезков физической среды — кабелей с усилителями. Важно отметить, что мультиплексоры, демультиплексоры и коммутаторы образуют составной канал на долговременной основе, например на месяц или год; причем абонент не может влиять на процесс коммутации этого канала — эти устройства управляются по отдельным входам, абоненту недоступным. Наличие промежуточной ком­мутационной аппаратуры избавляет создателей глобальной сети от необходимости прокладывать отдельную кабельную линию для каждой пары соединяемых узлов сети. Вместо этого между мультиплексорами я коммутаторами используется высо­коскоростная физическая среда, например волоконно-оптический или коаксиальный кабель, по которому передаются одновременно данные от большого числа сравни­тельно низкоскоростных абонентских линий. А когда нужно образовать постоян­ное соединение между какими-либо двумя конечными узлами сети, находящимися, например, в разных городах, то мультиплексоры, коммутаторы и демультиплексо­ры настраиваются оператором канала соответствующим образом. Высокоскорост­ной канал обычно называют уплотненным каналом.

Промежуточная аппаратура канала связи прозрачна для пользователя, он ее не замечает и не учитывает в своей работе. Для него важно качество полученного канала, влияющее на скорость передачи дискретных данных. В действитель­ности же промежуточная аппаратура образует сложную сеть, которую называют первичной сетью, так как сама по себе она никаких высокоуровневых служб (на­пример, файловой или передачи голоса) не поддерживает, а только служит осно­вой для построения компьютерных, телефонных или иных сетей.

В зависимости от типа промежуточной аппаратуры все линии связи делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых линиях промежуточная аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов. Такие линии связи традиционно применялись в телефонных сетях для связи АТС между собой. Для создания высокоскоростных каналов, которые мультиплексируют несколько ннзкоскоростных аналоговых або­нентских каналов, при аналоговом подходе обычно используется техника частот­ного мультиплексирования (Frequency Division Multiplexing, FDM).

В цифровых каналах связи используется промежуточная аппаратура, которая улуч­шает форму импульсов и обеспечивает их ресинхронизацию, то есть восстанавливает период их следования. Промежуточная аппаратура образования высокоскорост­ных цифровых каналов (мультиплексоры, демультиплексоры, коммутаторы) рабо­тает по принципу временного мультиплексирования каналов (Time Division Multiplexing, TDM), когда каждому низкоскоростному каналу выделяется опреде­ленная доля времени (тайм-слот или квант) высокоскоростного канала.

Аппаратура передачи дискретных компьютерных данных по аналоговым и циф­ровым линиям связи существенно отличается, так как в первом случае линия свя­зи предназначена для передачи сигналов произвольной формы и не предъявляет никаких требований к способу представления единиц и нулей аппаратурой переда­чи данных; а во втором — все параметры передаваемых линией импульсов (посылок) стандар­тизованы. Другими словами, на цифровых линиях связи протокол физического уровня определен, а на аналоговых линиях — нет.

Резюме

* При построении сетей применяются линии связи, использующие различную физическую среду: телефонные и телеграфные провода, воздушные цепи, медные коаксиальные кабели, медные витые пары, волоконно-оптические кабели, радиоволны.

* Линии связи могут использовать, кроме кабеля, промежуточную аппаратуру, прозрачную для пользователей. Промежуточная аппаратура выполняет две основные функции: усиливает сигналы и обеспечивает коммутацию между парой пользователей линии.

* В зависимости от типа промежуточной аппаратуры линии связи делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых линиях связи для уплотнения низкоскоростных каналов абонентов в общий высокоскоростной канал используется метод разделения частот (FDМ), а в цифровых — метод разделения во времени (ТDМ).

 Для характеристики способности линии передавать сигналы произвольной фор­мы без значительных искажений применяется ряд показателей, к которым относятся: амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание сигнала на определенной частоте.

 В компьютерных сетях применяются кабели, удовлетворяющие определенным стандартам. Современные стандарты определяет характеристики не отдельно­го кабеля, а полного набора элементов, необходимого для создания кабельного соединения, например шнура от рабочей станции до розетки, самой розетки, основного кабеля, жесткого кроссового соединения и шнура до концентратора. Сегодня наиболее употребительными стандартами являются: американский стандарт EIА/ТIА-568А, международный стандарт ISO/IЕС 11801, европейский стандарт EN50173, а также фирменный стандарт компании IВМ.

 Стандарты определены для четырех типов кабеля: на основе неэкранированной витой пары, на основе экранированной витой пары, коаксиального и волокон­но-оптического кабелей.

 Кабель на основе неэкранированной витой пары в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 5 категорий. Кабели категории 1 применяются там, где требования к скорости передачи минимальны. Главная особенность кабелей категории 2 — способность передавать сигналы со спект­ром до 1 МГц. Кабели категории 3 широко распространены и предназначены как для передачи данных, так и для передачи голоса. Кабели категории 4 пред­ставляют собой несколько улучшенный вариант кабелей категории 3 и на прак­тике используются редко. Кабели категории 5 были специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, ATM, Gigabit Ethernet.

 Кабель на основе экранированной витой пары применяется для передачи данных. Основным стандартом, определяющим параметры экранированной витой пары, является фирменный стандарт 1ВМ. В этом стандарте кабели делятся на типы: Туре 1, Туре 2,..., Туре 9, из которых основным является кабель Туре 1.

Коаксиальные кабели существует в большом количестве вариантов: «толстый» коаксиальный кабель, различные разновидности «тонкого» коаксиального кабеля, которые обладают худшими механическими и электрическими характеристика­ми по сравнению с «толстым» коаксиальным кабелем, зато за счет своей гибко­сти более удобны при монтаже, сюда же относится телевизионный кабель.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными электромагнитными и ме­ханическими характеристиками, недостаток их состоит в сложности и высокой стоимости монтажных работ.