Які існують інформаційні канали зв'язку. Лінії зв'язку та канали передачі даних. Модель каналу з міжсимвольною інтерференцією та адитивним шумом
Чи знаєте ви,
що таке уявний експеримент, gedanken experiment?
Це неіснуюча практика, потойбічний досвід, уяву того, чого немає насправді. Думкові експерименти подібні до снам наяву. Вони народжують чудовиськ. На відміну від фізичного експерименту, який є досвідченою перевіркою гіпотез, "думковий експеримент" фокусічно підміняє експериментальну перевірку бажаними, не перевіреними на практиці висновками, маніпулюючи логікоподібними побудовами, що реально порушують саму логіку шляхом використання недоведених посилок як доведені. Отже, основним завданням заявників " уявних експериментів " є обман слухача чи читача шляхом заміни справжнього фізичного експерименту його " лялькою " - фіктивними міркуваннями під слово слово без самої фізичної перевірки.
Заповнення фізики уявними, " уявними експериментами " призвело до виникнення абсурдної сюрреалістичної, сплутано-заплутаної картини світу. Справжній дослідник має відрізняти такі "фантики" від справжніх цінностей.
Релятивісти і позитивісти стверджують, що "думковий експеримент" дуже корисний інструмент для перевірки теорій (також виникають у нашому розумі) на несуперечність. У цьому вони дурять людей, оскільки будь-яка перевірка може здійснюватися лише незалежним від об'єкта перевірки джерелом. Сам заявник гіпотези не може бути перевіркою своєї ж заяви, оскільки причиною самої цієї заяви є відсутність видимих для заявника протиріч у заяві.
Це ми бачимо на прикладі СТО та ОТО, які перетворилися на своєрідний вид релігії, керуючої наукою та громадською думкою. Жодна кількість фактів, що суперечать їм, не може подолати формулу Ейнштейна: "Якщо факт не відповідає теорії - змініть факт" (В іншому варіанті "- Факт не відповідає теорії? - Тим гірше для факту").
Максимально, потім може претендувати " уявний експеримент " - це лише внутрішню несуперечність гіпотези у межах своєї, часто зовсім на істинної логіки заявника. Відповідно до практики це не перевіряє. Ця перевірка може відбутися тільки в дійсному фізичному експерименті.
Експеримент на те й експеримент, що він є не витончення думки, а перевірка думки. Несуперечлива в собі думка не може сама себе перевірити. Це доведено Куртом Геделем.
Канал зв'язку - це сукупність засобів, призначених передачі сигналів (повідомлень).
Існують різні типиканалів, які можна класифікувати за різними ознаками:
1. За типом ліній зв'язку: провідні; кабельні; оптико-волоконні; лінії електропередач; радіоканали і т.д.
2. За характером сигналів: безперервні; дискретні; дискретно-безперервні (сигнали на вході системи дискретні, а на виході безперервні, і навпаки).
3. За перешкодами: канали без перешкод; з перешкодами.
Канали зв'язку характеризуються:
1. Ємність каналувизначається як добуток часу використання каналу Tк, ширини спектра частот, що пропускаються каналом Fк та динамічного діапазону Dк., який характеризує здатність каналу передавати різні рівні сигналів Vк = Tк Fк Dк. (1) Умова узгодження сигналу з каналом: Vc Vk; Tc Tk; Fc Fk; Vc Vk; Dc Dk.
2. Швидкість передачі- Середня кількість інформації, що передається в одиницю часу.
3.Пропускна спроможність каналу зв'язку- максимальна теоретично досяжна швидкість передачі за умови, що похибка вбирається у заданої величини.
4. Надмірність- забезпечує достовірність інформації, що передається (R = 01).
Одним із завдань теорії інформації є визначення залежності швидкості передачі інформації та пропускної спроможності каналу зв'язку від параметрів каналу та характеристик сигналів та перешкод. Канал зв'язку образно порівнювати з дорогами. Вузькі дороги – мала пропускна спроможність, але дешево. Широкі дороги – хороша пропускна спроможність, але дорого. Пропускна здатність визначається «найвужчим» місцем. Швидкість передачі даних значною мірою залежить від передавального середовища в каналах зв'язку, як використовуються різні типи ліній зв'язку.
Провідні:
1. Провідні - кручена пара. Швидкість передачі 1 Мбіт/с.
2. Коаксіальний кабель. Швидкість передачі 10-100 Мбіт/с
3. Оптико-волоконна. Швидкість передачі 1 Гбіт/с.
Радіолінії:
Радіоканал. Швидкість передачі 100-400 Кбіт/с. Використовує радіочастоти до 1000 МГц. До 30 МГц за рахунок відбиття від іоносфери можливе поширення електромагнітних хвиль за межі прямої видимості.
Мікрохвильові лінії. Швидкість передачі до 1 Гбіт/с. Використовують радіочастоти понад 1000 МГц. При цьому необхідна пряма видимість та гостроспрямовані параболічні антени. Відстань між регенераторами 10-200 км. Використовуються для телефонного зв'язку, телебачення та передачі даних.
Супутниковий зв'язок.Використовуються мікрохвильові частоти, а супутник є регенератором.
Теорема Шеннона для каналів без перешкодзавжди можна створити систему ефективного кодування дискретних повідомлень, у якій середня кількість двійкових кодових сигналів на один символ повідомлення буде наближатися як завгодно близько до ентропії джерела повідомлень.
Нехай джерело повідомлень має продуктивність H ¢(U) = u C ×H(U), а канал має пропускну здатність C = u K ×log M. Тоді можна закодувати повідомлення на виході джерела таким чином, щоб отримати середню кількість кодових символів елемент повідомлення h = u K / u C = (H (U) / log M) + e (2.2), де e - скільки завгодно мало (пряма теорема). Отримати менше значення h неможливо (зворотна теорема). Зворотна частина теореми стверджує, що неможливо набути значення h = u K / u C< H(U)/ log M (2.3), может быть доказана если учесть, что неравенство (2.3) эквивалентно неравенству u C × H(U) >u K × log M, H¢ (U) > C. Остання нерівність не може бути виконана т.к. аналізоване кодування має бути оборотним перетворенням (тобто без втрат інформації). Ентропія на секунду на вході каналу або продуктивність кодера не може перевищувати пропускну здатність каналу. А ентропія сигналів визначається з умови максимального значення H'(y)= log m.
Теорема Шеннона для дискретного каналуз шумом називається так само основною теоремою кодування Шеннона. Якщо продуктивність джерела повідомлень H¢ (U) менша за пропускну здатність каналу, тобто. H¢(U)< C, то существует такая система кодирования которая обеспечивает возможность передачи сообщений источника со сколь угодно малой вероятностью ошибки (или со сколь угодно малой ненадежностью).
Якщо H¢(U) > C, то можна закодувати повідомлення таким чином, що ненадійність в одиницю часу буде меншою ніж H¢(U)-C+ e, де e ®0(Пряма теорема).
Не існує способу кодування, що забезпечує ненадійність в одиницю часу меншу, ніж H¢(U)-C(Зворотна теорема).
У такому формулюванні ця теорема була дана самим Шенноном. У літературі часто друга частина прямої теореми і зворотна теорема об'єднуються як зворотної теореми сформульованої так: якщо H¢(U) > C, такого способу кодування немає.
2. Типи сигналів, їх дискретизація та відновлення. Спектральна густина сигналів. Частота Найквіста, теорема Котельникова. Частотне уявлення дискретних сигналів. Ортогональні перетворення дискретних сигналів. Завдання інтерполяції та проріджування сигналів.
Типи сигналів, їх дискретизація та відновлення
за видам (типам) сигналіввиділяються такі:
1. аналоговий
2. дискретний
3. цифровий
Аналоговий сигнал (Analog signal) є безперервною функцією безперервного аргументу, тобто. визначено для будь-якого значення аргументів. Джерелами аналогових сигналів , як правило, є фізичні процеси і явища, безперервні в динаміці свого розвитку в часі, в просторі або за будь-якою іншою незалежною змінною, при цьому реєстрований сигнал подібний (аналогічний) породжує його процесу. Приклад математичного запису сигналу: y(t) = 4.8 exp /2.8]. При цьому як сама функція, так і її аргументи можуть приймати будь-які значення в межах деяких інтервалів y J , t J . Якщо інтервали значень сигналу або його незалежних змінних не обмежуються, за замовчуванням вони приймаються рівними від -Ґ до +Ґ . Безліч можливих значень сигналу утворює континуум - безперервний простір, у якому будь-яка сигнальна точка може бути визначена з точністю до нескінченності. Приклади сигналів, аналогових за своєю природою - зміна напруженості електричного, магнітного, електромагнітного поля у часі та просторі.
Дискретний сигнал (discrete signal) за своїми значеннями також є безперервною функцією, але визначеною лише дискретними значеннями аргументу. За множиною своїх значень він є кінцевим (рахунковим) і описується дискретною послідовністю відліків (samples) y(nDt), де y Ј , Dt - інтервал між відліками (інтервал або крок дискретизації, sample time), n = 0, 1, 2, ...,N. Величина, обернена до кроку дискретизації: f = 1/Dt, називається частотою дискретизації (sampling frequency). Якщо дискретний сигналотриманий дискретизацією (sampling) аналогового сигналу, то він являє собою послідовність відліків, значення яких точно рівні значенням вихідного сигналу по координатах nDt.
Цифровий сигнал (digital signal) квантований за своїми значеннями та дискретний за аргументом. Він описується квантованою ґратчастою функцією yn = Qk, де Qk - функція квантування з числом рівнів квантування k, при цьому інтервали квантування можуть бути як з рівномірним розподілом, так і з нерівномірним, наприклад - логарифмічним. задається цифровий сигнал, зазвичай, як дискретного ряду (discrete series) числових даних - числового масиву по послідовним значенням аргументу при Dt = const, але у випадку сигнал може задаватися й як таблиці для довільних значень аргументу.
Дискретизація, відновлення (інтерполяція) сигналів.
Процес дискретизації - це процес отримання значень величин сигналу, що перетворюється, в певні проміжки часу ( відліки).
Під дискретизацією сигналів розуміють перетворення функцій безперервних змінних функції дискретних змінних, якими вихідні безперервні функції можуть бути відновлені з заданою точністю. Роль дискретних відліків виконують, як правило, квантовані значення функцій дискретної шкалою координат. Під квантуванням розуміють перетворення безперервної за значеннями величини величину з дискретною шкалою значень з кінцевого безлічі дозволених, які називають рівнями квантування. Якщо рівні квантування нумеровані, то результатом перетворення є число, яке може бути виражене у будь-якій числовій системі. Округлення з певною розрядністю миттєвих значень безперервної аналогової величини з рівномірним кроком за аргументом є найпростішим випадком дискретизації та квантування сигналів при їх перетворенні на цифрові сигнали.
Принципи дискретизації. Сутність дискретизації аналогових сигналів полягає в тому, що безперервність у часі аналогової функції s(t) замінюється послідовністю коротких імпульсів, амплітудні значення яких визначаються за допомогою вагових функцій або безпосередньо вибірками (відліками) миттєвих значень сигналу s(t) в моменти часу. сигналу s(t) на інтервалі Т сукупністю дискретних значень записується у вигляді:
(С1, с2, ..., cN) = А,
де А – оператор дискретизації. Запис операції відновлення сигналу s(t):
s"(t) = В [(с1, с2, ..., cN)].
Вибір операторів А та В визначається необхідною точністю відновлення сигналу. Найбільш простими є лінійні оператори. У загальному випадку:
(5.1.1)
Де – система вагових функцій.
Відліки у виразі (5.1.1) пов'язані з операцією інтегрування, що забезпечує високу стійкість до перешкод дискретизації. Однак через складність технічної реалізації "зваженого" інтегрування, останнє використовується досить рідко, при високих рівнях перешкод. Більше поширення набули методи, у яких сигнал s(t) замінюється сукупністю його миттєвих значень s() у часи . Роль вагових функцій у разі виконують гребневі (решітчасті) функції. Відрізок часу Dt між сусідніми відліками називають кроком дискретизації.Дискретизація називається рівномірною з частотою F=1/Dt, якщо значення Dt постійно у всьому діапазоні перетворення сигналу. При нерівномірній дискретизації значення Dt між вибірками може змінюватися певній програміабо залежно від зміни будь-яких параметрів сигналу.
Відновлення сигналів
Відновлення безперервногосигналуза вибірками може проводитись як на основі ортогональних, так і неортогональних базисних функцій. Відтворювальна функція s"(t) відповідно є апроксимуючим поліномом: 
Де система базових функцій. Ортогональні базисні функції забезпечують збіжність ряду s(t) при n Ю Ґ . Оптимальними є методи дискретизації, що забезпечують мінімальний числовий ряд за заданої похибки відтворення сигналу. При неортогональних базисних функціях використовуються, в основному, статечні поліноми алгебри виду:
Якщо значення апроксимуючого полінома збігаються зі значеннями вибірок у моменти їхнього відліку, то такий поліном називають інтерполюючим. Як інтерполіруючі поліноми зазвичай використовуються багаточлени Лагранжа. Для реалізації поліномів, що інтерполюють, необхідна затримка сигналу на інтервал дискретизації, що в системах реального часу вимагає певних технічних рішень. Як екстраполюючих поліномів використовують, як правило, багаточлени Тейлора.
Природною вимогою вибору частоти дискретизації є внесення мінімальних спотворень в динаміку зміни сигнальних функцій. Логічно вважати, що спотворення інформації будуть тим меншими, чим вища частота дискретизації F. З іншого боку також очевидно, що чим більше значення F, тим більшою кількістю цифрових даних будуть відображатися сигнали, і тим більше часу буде витрачатися на їхню обробку. У оптимальному варіантізначення частоти дискретизації сигналу F має бути необхідним та достатнім для обробки інформаційного сигналу із заданою точністю, тобто. що забезпечує допустиму похибку відновлення аналогової форми сигналу (середньоквадратичну в цілому за інтервалом сигналу, або за максимальними відхиленнями від істинної форми в характерних інформаційних точках сигналів).
Квантування сигналу.
Дискретизація аналогових сигналів з перетворенням на цифрову форму пов'язана з квантуванням сигналів. Сутність квантування полягає у заміні незліченної множини можливих значень функції, у випадку випадкових, кінцевим безліччю цифрових відліків, і виконується округленням миттєвих значень вхідний функції s(ti) у моменти часу ti до найближчих значень si(ti) = niDs, де Ds- крок квантування шкали цифрових відліків. Квантування із постійним кроком Ds називається рівномірним. Математично операція квантування може бути виражена формулою:
де дужки [..] означають цілу частину значення дужках.
При квантуванні сигналів у великому динамічному діапазоні значень крок квантування може і нерівномірним, наприклад, логарифмічним, тобто. пропорційним логарифму значень вхідного сигналу. Встановлений діапазон шкали квантування від smin до smax і крок квантування Ds визначають кількість поділів шкали Ns = (smax-smin)/Ds і цифрову розрядність квантування. В результаті дискретизації та квантування безперервна функція s(t) замінюється числовою послідовністю (s(kDt)). Похибка округлення ei = s(kDt)-si(kDt) укладена в межах -Ds/2 При досить малому етапі квантування будь-яке значення в його межах можна вважати рівноймовірним, при цьому значення e розподілені за рівномірним законом: p(e) = 1/Ds, -Ds/2 Ј e Ј Ds/2. Відповідно, дисперсія та середнє квадратичне значення шуму квантування: e2 = Ds2/12, »0.3 Ds. .1) При заданні рівня шуму квантування з використанням виразу (5.5.1) легко визначити допустиме значення кроку квантування. Вхідний сигнал містить, як правило, адитивну суміш власне сигналу s(t) та перешкоди q(t) з дисперсією відповідно sq2. Якщо перешкоди не корелюються із сигналом, то після квантування сумарна дисперсія шумів: Насправді крок квантування вибирають зазвичай таким, ніж відбувалося помітного зміни відносини сигнал/шум, тобто. e2< КАНАЛИ ЗВ'ЯЗКУ 1. Класифікація та характеристики каналу зв'язку Канал зв'язку – це сукупність засобів, призначених передачі сигналів (повідомлень). Для аналізу інформаційних процесів каналі зв'язку можна використовувати його узагальнену схему, наведену на рис. 1. На рис. 1 прийняті такі позначення: X, Y, Z, W - сигнали, повідомлення; f – перешкода; ЛЗ – лінія зв'язку; ІІ, ПІ – джерело та приймач інформації; П – перетворювачі (кодування, модуляція, декодування, демодуляція). Існують різні типи каналів, які можна класифікувати за різними ознаками: 1. За типом ліній зв'язку: провідні; кабельні; оптико-волоконні; лінії електропередач; радіоканали і т.д. 2. За характером сигналів: безперервні; дискретні; дискретно-безперервні (сигнали на вході системи дискретні, а на виході безперервні, і навпаки). 3. За перешкодами: канали без перешкод; з перешкодами. Канали зв'язку характеризуються: 1. Місткість каналу визначається як добуток часу використання каналу T до, ширини спектра частот, що пропускаються каналом F до і динамічного діапазону D до ., який характеризує здатність каналу передавати різні рівні сигналів V до = T до F до D к. (1) Умови погодження сигналу з каналом: V c £ V k ; T c £ T k ; F c £ F k ; V c £ V k ; D c £ D k . 2. Швидкість передачі – середня кількість інформації, що передається в одиницю часу. 3. Пропускна здатність каналу зв'язку – найбільша теоретично досяжна швидкість передачі за умови, що похибка вбирається у заданої величини. 4. Надмірність – забезпечує достовірність інформації, що передається (R = 0¸1). Одним із завдань теорії інформації є визначення залежності швидкості передачі інформації та пропускної спроможності каналу зв'язку від параметрів каналу та характеристик сигналів та перешкод. Канал зв'язку образно порівнювати з дорогами. Вузькі дороги – мала пропускна спроможність, але дешево. Широкі дороги – гарна пропускна спроможність, але дорого. Пропускна здатність визначається «найвужчим» місцем. Швидкість передачі значною мірою залежить від передавальної середовища в каналах зв'язку, як яких використовуються різні типи ліній зв'язку. Провідні: 1. Провідні – кручена пара (що частково пригнічує електромагнітне випромінювання інших джерел). Швидкість передачі 1 Мбіт/с. Використовується в телефонних мережах і передачі даних. 2. Коаксіальний кабель. Швидкість передачі 10–100 Мбіт/с – використовується у локальних мережах, кабельному телебаченні тощо. 3. Оптико-волоконна. Швидкість передачі 1 Гбіт/с. У середовищах 1-3 згасання в дБ лінійно залежить від відстані, тобто. потужність падає за експонентом. Тому через певну відстань потрібно ставити регенератори (підсилювачі). Радіолінії: 1. Радіоканал. Швидкість передачі 100-400 Кбіт/с. Використовує радіочастоти до 1000 МГц. До 30 МГц за рахунок відбиття від іоносфери можливе поширення електромагнітних хвиль за межі прямої видимості. Але цей діапазон дуже зашумлений (наприклад, аматорським радіозв'язком). Від 30 до 1000 МГц – іоносфера прозора і потрібна пряма видимість. Антени встановлюються на висоті (іноді встановлюються регенератори). Використовуються в радіо та телебаченні. 2. Мікрохвильові лінії. Швидкість передачі до 1 Гбіт/с. Використовують радіочастоти понад 1000 МГц. При цьому необхідна пряма видимість та гостроспрямовані параболічні антени. Відстань між регенераторами 10-200 км. Використовуються для телефонного зв'язку, телебачення та передачі даних. 3. Супутниковий зв'язок. Використовуються мікрохвильові частоти, а супутник служить регенератором (причому багатьом станцій). Характеристики ті самі, що в мікрохвильових ліній. 2. Пропускна спроможність дискретного каналу зв'язку Дискретний канал є сукупність засобів, призначених передачі дискретних сигналів . Пропускна здатність каналу зв'язку – найбільша теоретично досяжна швидкість передачі за умови, що похибка вбирається у заданої величини. Швидкість передачі – середня кількість інформації, що передається в одиницю часу. Визначимо вирази для розрахунку швидкості передачі інформації та пропускної спроможності дискретного каналу зв'язку. При передачі кожного символу в середньому каналом зв'язку проходить кількість інформації, що визначається за формулою I (Y, X) = I (X, Y) = H (X) - H (X / Y) = H (Y) - H (Y / X), (2) де: I (Y, X) – взаємна інформація, тобто. кількість інформації, що міститься у Y щодо X; H(X) – ентропія джерела повідомлень; H (X/Y) – умовна ентропія, визначальна втрату інформації однією символ, пов'язану з наявністю перешкод і спотворень. При передачі повідомлення X T тривалості T, що складається з n елементарних символів, середня кількість інформації, що передається з урахуванням симетрії взаємної кількості інформації дорівнює: I (Y T , X T) = H (X T) - H (X T / Y T) = H (Y T) - H (Y T / X T) = n. (4) Швидкість передачі залежить від статистичних властивостей джерела, методу кодування і властивостей каналу. Пропускна спроможність дискретного каналу зв'язку Максимально-можливе значення, тобто. максимум функціоналу шукається по всьому безлічі функцій розподілу ймовірності p(x). Пропускна здатність залежить від технічних характеристик каналу (швидкості апаратури, виду модуляції, рівня перешкод та спотворень тощо). Одиницями виміру пропускної спроможності каналу є: , , , . Канал зв'язку - це система технічних засобів та середовище поширення сигналів для передачі повідомлень (не лише даних) від джерела до одержувача (і навпаки). Канал зв'язку, який розуміється у вузькому значенні, представляє лише фізичне середовище поширення сигналів, наприклад, фізичну лінію зв'язку. Від джерела повідомлення (що говорить людини) повідомлення (мова) надходить на вхід пристрою (мікрофон). Передавальний пристрій перетворює повідомлення сигнали, які надходять на вхід каналу зв'язку. На виході каналу зв'язку приймальний пристрій (телефонний капсуль) за прийнятим сигналом відтворює передане повідомлення, останнє сприймається приймачем повідомлення (що слухає людиною). Передавач, канал зв'язку та приймач формують систему передачі інформації або систему зв'язку. За призначенням системи зв'язку розмежовують канали телесигналізації, телевимірювання, телеуправління (телекомандні), телеграфні, телефонні, звукове мовлення, факсимільні, телевізійного мовлення тощо. Канали зв'язку можуть мати багато форм, включаючи канали, що відповідають вимогам зберігання даних, які можуть передавати повідомлення, як тільки виникне ситуація. Приклади каналів зв'язку включають: Всі ці комунікаційні канали поділяють ту властивість, що переносять інформацію, яка переноситься через канал сигналом. Прикладом каналу зв'язку може бути специфічна радіочастота, пара частот чи діапазон частот, зазвичай позначений буквою, номером чи кодовим словом і найчастіше виділена міжнародним угодою. Морське УКХ радіо використовує деякі 88 каналів в УКХ діапазоні для двонаправленого частотно-модульованого голосового зв'язку. Канал 16, наприклад, означає частоту 156,800 МГц. Телевізійні канали розташовані на частоті, визначальною фізичною величиною якого є мегагерці (МГц). Кожен канал має ширину 6 МГц. Крім цих фізичних каналів, телебачення також має віртуальні канали. Wi-Fi (бездротова мережа) є каналом зв'язку, що складається з неліцензованих каналів 1-13 в діапазоні від 2412 МГц до 2484 МГц з кроком в 5 МГц. Для передачі сигналів між взаємодіючими системами комп'ютерних мережах використовуються лінії зв'язку. У вузькому значенні під терміном лінія звязку(transmission link, link) мається на увазі фізичне середовище, яким передаються сигнали між двома кінцевими системами. Сигнали формуються спеціальними технічними засобами (передавачами, підсилювачами, мультиплексорами тощо), що належать до мережного обладнання. Середовище передачі (transmission medium) або фізичне середовище- матеріальна субстанція, якою здійснюється поширення сигналів. У комп'ютерних мережах використовують два типи середовищ передачі: кабельну та бездротову. Мал. 3.1Типи середовищ передачі Основою бездротових середовищ передачі є земна атмосфера чи космічний простір, якими поширюються електромагнітні хвилі. У кабельних середовищах передачі використовуються кабелі різних типів: коаксіальні, волоконно-оптичні, кручена пара. Передача сигналів здійснюється за допомогою електричних (електричний струм) або оптичних (світло) сигналів. У широкому значенні під терміном «
лінія зв'язку» в галузі комп'ютерних мереж мають на увазі канал зв'язку. Канал зв'язку (channel, data link) являє собою сукупність одного або декількох фізичних середовищ передачі та каналоутворюючого (мережевого) обладнання, які забезпечують передачу даних між взаємодіючими системами у вигляді сигналів, відповідних типу фізичного середовища. У цьому контексті терміни лінія зв'язку і канал зв'язку є синонімами. Мал. 3.2Канал зв'язку Розрізняють фізичні (physical link) та логічні (logical link) канали. Фізичний канал зв'язку є засіб передачі сигналів між взаємодіючими системами. Залежно від типу переданих сигналів та фізичного середовища, що використовується для їх поширення, фізичні канали поділяються на електричні(вита пара, коаксіальний кабель), оптичні(волоконно-оптичний кабель) та бездротові(Радіоканали, інфрачервоні канали і т.д). Логічні канали встановлюються між протоколами будь-яких рівнів моделі OSI взаємодіючих систем та визначають шлях, яким дані передаються від джерела до приймача через один або послідовність фізичних каналів. При прокладанні у фізичному каналі кількох логічних каналів ресурси фізичного каналу розподіляються між логічними каналами за допомогою методів мультиплексування. Мал. 3.3Фізичний та логічний канали зв'язку Канали (лінії) зв'язку можна класифікувати на основі таких ознак: ● за типом фізичного середовища; ● за типом подання інформації, що передається; ● за напрямом передачі даних; ● за часом існування; ● за способом підключення; ● шириною смуги пропускання. Залежно від типу подання інформації, що передається, канали діляться на аналогові, призначені для передачі аналогових сигналів та дискретні, службовці передачі дискретних (цифрових) сигналів. Залежно від напрямку передачі розрізняють канали: ● симплексні(simplex), у яких передача здійснюється тільки в одномунапрямі; ● напівдуплексні(half-duplex по черзіу прямому та зворотному напрямку; ● дуплексні(duplex), у яких передача ведеться одночасноу двох напрямках - прямому та зворотному. Мал. 3.4Симплексний канал Мал. 3.5Напівдуплексний канал Мал. 3.6Дуплексний канал Також можна класифікувати канали за часом доступності для абонента. Канали між кінцевими системами, які доступні для передачі даних на тривалий час за рахунок постійно існуючого з'єднання із заданими характеристиками, називаються виділенимиабо некомутованими. Канали зв'язку, передача даних якими можлива лише після встановлення з'єднання між взаємодіючими системами, називаються комутованимиабо тимчасовими. У цьому канал буде лише протягом сеансу зв'язку, тобто. часу, необхідного передачі даних. За способом підключення канали поділяються на: "точка-точка" (point-to-point), «точка-багатоточка» (point-to-multipoint),«багатоточка» ( multipoint). Канал «точка-точка» пов'язує лише два вузли або дві взаємодіючі системи. Канал «точка-багатоточка» забезпечує з'єднання однієї центральної системи (вузла) з групою інших систем (вузлів). Канал багатоточка забезпечує підключення один до одного групи вузлів або систем. Важливою характеристикою каналу зв'язку є його смуга пропуску (bandwidth). Залежно від ширини смуги пропускання (різниці між граничними частотами смуги пропускання) та способу передачі сигналів канали поділяються на основополосні (baseband channel) та широкосмугові (broadband channel). Основополосний канал характеризується простотою та дешевизною реалізації, у зв'язку з чим широко використовується в локальних мережах (слово «BASE» у назвах специфікацій фізичного рівня Ethernet (наприклад, 10BASE-T, 100BASE-FX, 1000BASE-SX), вказує на основополосну передачу . Сигнал по основополосному каналу передається основний смузі частот, тобто. без модуляції несучої, у своїй вся смуга пропускання використовується передачі лише одного сигналу. На відміну від основополосного каналу, вся смуга пропускання широкосмугового каналу розділяється між декількома логічними каналами за допомогою методів мультиплексування, що дозволяє одночасно незалежно один від одного виконувати передачу сигналів між декількома парами взаємодіючих систем. Технології широкосмугового доступу (наприклад, xDSL, PowerLine (PLC), 3G (UMTS), 4G (LTE)) використовуються для організації підключення до набору послуг, запропонованих операторами зв'язку. Сигнали Передача даних каналами зв'язку здійснюється з допомогою їх фізичного представлення - електричних (електричний струм), оптичних (світло) чи електромагнітних сигналів. Якщо розглядати сигнал як функцію часу, він може бути: ● аналоговим (безперервним) - його величина безперервно змінюється у часі; ● цифровим (дискретним) - мають кінцеве, зазвичай невелике число значень. Мал. 3.7Аналоговий сигнал Мал. 3.8Цифровий сигнал Сигнали, використовувані передачі потоку даних би мало бути інформативними, тобто. мати деякі параметри, що змінюються, які дозволять приймачеві ідентифікувати отримані дані. Як такий сигнал часто використовується гармонійний сигнал. Гармонійний сигнал- це гармонійні коливання, що згодом розповсюджуються в просторі, які несуть у собі інформацію або якісь дані. Гармонічні коливання- це коливання, при яких фізична (або будь-яка інша) величина змінюється з часом за синусоїдальним або косинусоїдальним законом. Гармонічний сигнал містить у собі інформацію у вигляді трьох параметрів: амплітуди, фазиі частотита описується формулою: де А – амплітуда сигналу; ω
- Кругова частота: ω=2πf (f- Лінійна частота: f=1/T ,
величина обернена періоду Т); φ 0
- Початкова фаза гармонійного сигналу; t- Час. Мал. 3.9Гармонійний сигнал Для забезпечення високої швидкості передачі даних важлива частота: що вища частота, то більше вписувалося швидкість передачі. Функція часу y(t)може бути довільною та мати різні частоти. Згадаймо теорію гармонійного аналізу та перетворення Фур'є. Французький вчений Ж.Б. Фур'є довів, що будь-яка зміна в часі деякої функції можна апроксимувати у вигляді кінцевої чи нескінченної суми ряду гармонійних коливань з різними амплітудами, частотами та початковими фазами. Іншими словами, будь-який періодичний сигнал (аналоговий або цифровий), що описується складною функцією часу, може бути представлений у вигляді нескінченної або кінцевої суми простих гармонійних коливань (гармонік) з кратними частотами основній частоті ω=2π/Т: де i- Номер гармоніки; А і- Амплітуда, φ i- Початкова фаза, ω i– кругова частота i-ї гармоніки; t- Час. Перша гармоніка ω 1називається першою або основною гармонікою сигналу, решта гармоніки називаються вищими. При цьому частота кожної наступної гармоніки більша за попередню ω 1 < ω 2 < ω 3 ….. < ω ∞.
Періодичним сигналомназивають такий вид впливу, коли форма сигналу повторюється через деякий інтервал часу T, Який називається періодом. Мал. 3.10Формування сигналу із суми перших 4 гармонік та спектральна амплітудна діаграма періодичного сигналу Набір гармонійних коливань, що у сумі становить вихідний сигнал, утворює частотний спектрцього сигналу, тобто. область частот, що становлять даний сигнал. Сигналів, які мали б нескінченний спектр, у природі практично немає. Переважна частина енергії реальних сигналів зосереджена в обмеженій області (смузі) частот, а сам сигнал подається у вигляді кінцевої суми гармонійних коливань. У цьому випадку спектр сигналу y(t)визначається як різниця між частотами верхньої та нижньої гармонік: f n -f 1де n< ∞. З набору гармонік, що становлять сигнал, виділяють та розрізняють амплітуднийі фазовийСпектр. Амплітудним спектром називають набір амплітуд всіх гармонік, який зазвичай представляють діаграмою у вигляді набору вертикальних ліній, довжини яких пропорційні (в обраному масштабі) амплітудним значенням гармонійних коливань, а місце горизонтальної осі визначається частотою (номером гармоніки) даної складової. Амплітудний та фазовий спектр однозначно визначають сигнал. Однак для багатьох практичних завдань достатньо обмежитись амплітудним спектром. При передачі сигналу каналом зв'язку його форма спотворюється внаслідок неоднакової деформації гармонік різних частот. Це відбувається через те, що фізичні параметри зв'язку відрізняються від ідеальних. На сигнал впливають такі фактори, як згасання, шуми та перешкоди. Однак, основним фактором, який впливає на форму сигналу, є смуга пропускання каналу зв'язку. Для того, щоб передати сигнал без значних спотворень, канал зв'язку повинен мати ширину смуги пропускання не менше ширини спектра частотсигналу, що передається. Мал. 3.11Вплив фізичних параметрів середовища передачі сигналу
. (5)
