Каналы передачи данных

Лекция №7

Тема: Каналы передачи данных

 

1.     Характеристики каналов передачи данных

1.                Обобщенные характеристики сигналов и каналов

2.                Характеристики каналов передачи данных без помех

3.                Характеристики каналов передачи данных с помехами

2.     Методы повышения помехоустойчивости

3.     Современные технические средства

Лекция №7

Тема: Каналы передачи данных

 

1.     Характеристики каналов передачи данных

1.1. Обобщенные характеристики сигналов и каналов

Сигнал может быть охарактеризован различными параметрами. Таких параметров, вообще говоря, очень много, но для задач, которые приходится решать на практике, существенно лишь небольшое их число. Например, при выборе прибора для контроля технологического процесса может потребоваться знание дисперсии сигнала; если сигнал используется для управления, существенным является его мощность и так далее. Рассматривают три основных параметра сигнала, существенных для передачи информации по каналу. Первый важный параметр - это время передачи сигнала T_с. Второй характеристикой, которую приходится учитывать, является мощность P_с  сигнала, передаваемого по каналу с определенным уровнем помех P_с . Чем больше значение P_с  по сравнению с P_с, тем меньше вероятность ошибочного приема. Таким образом, представляет интерес отношение P_с /P_с. Удобно пользоваться логарифмом этого отношения, называемым превышением сигнала над помехой:

Третьим важным параметром является спектр частот F_x . Эти три параметра позволяют представить любой сигнал в трехмерном пространстве с координатами L, T, F в виде параллелепипеда с объемом T_x F_x L_x . Это произведение носит название объема сигнала и обозначается через V_x

 

Информационный канал можно характеризовать также тремя соответствующими параметрами: временем использования канала Т_к , шириной полосы частот, пропускаемых каналом F_k, и динамическим диапазоном канала D_k характеризующим его способность передавать различные уровни сигнала.

Величина

называется емкостью канала.

Неискаженная передача сигналов возможна только при условии, что сигнал по своему объему «вмещается» в емкость канала.

Следовательно, общее условие согласования сигнала с каналом передачи информации определяется соотношением

Однако соотношение выражает необходимое, но недостаточное условие согласования сигнала с каналом. Достаточным условием является согласование по всем параметрам:

Для информационного канала пользуются понятиями: скорость ввода информации, скорость передачи информации и пропускная способность канала.

Под скоростью ввода информации (потоком информации) I(X) понимают среднее количество информации, вводимое от источника сообщений в информационный канал в единицу времени. Эта характеристика источника сообщений и определяется только статистическими свойствами сообщений.

Скорость передачи информации I(Z,Y) – среднее количество информации, передаваемое по каналу в единицу времени. Она зависит от статистических свойств передаваемого сигнала и от свойств канала.

Пропускная способность С – наибольшая теоретически достижимая для данного канала скорость передачи информации. Это характеристика канала и не зависит от статистики сигнала.

С целью наиболее эффективного использования информационного канала необходимо принимать меры к тому, чтобы скорость передачи информации была как можно ближе к пропускной способности канала. Вместе с тем скорость ввода информации не должна превышать пропускную способность канала, иначе не вся информация будет передана по каналу.

Это основное условие динамического согласования источника сообщений и информационного канала.

Одним из основных вопросов в теории передачи информации является определение зависимости скорости передачи информации и пропускной способности от параметров канала и характеристик сигналов и помех. Эти вопросы были впервые глубоко исследованы К. Шенноном.

 

1.1. Характеристики канала передачи информации без помех

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выходной алфавит символов источника сообщений:

Количество информации, приходящееся в среднем на один символ источника:

, где p_i – вероятность появления символа a_i на выходе источника.

Алфавит символов канала связи:

 

Среднее количество информации, выдаваемое источником в единицу времени – информационная производительность:

 где - среднее число символов, выдаваемое источником в единицу времени.

Скорость передачи информации по каналу:

 где -среднее число символов, передаваемое по каналу в единицу времени.

Пропускная способность канала:

множество всех возможных распределений     вероятностей символов алфавита B канала.

Пропускная способность канала (с учетом свойств энтропии):

 

- технические характеристики канала связи.

 

1.2. Характеристики каналов передачи информации с помехами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выходной алфавит символов источника сообщений:

Количество информации, приходящееся в среднем на один символ источника:

, где p_i – вероятность появления символа a_i на выходе источника.

Среднее количество информации, выдаваемое источником в единицу времени – информационная производительность:

 где - среднее число символов, выдаваемое источником в единицу времени.

Алфавиты символов канала связи:

Матрица переходных вероятностей:

Среднее количество информации на один входной и на один выходной символ канала:

Информация, которую несет выход канала о входе:

где - ненадежность канала, - энтропия шума.

Скорость передачи информации по каналу:

 где -среднее число символов, передаваемое по каналу в единицу времени.

Пропускная способность канала:

множество всех возможных распределений  вероятностей входного алфавита символов  канала

- max p характеристики канала.

 

2.     Методы повышения помехоустойчивости

В основах всех способов повышения помехоустойчивости информационных систем лежит использование определенных различий  между полезным сигналом и помехой. Поэтому для борьбы с помехами необходимы априорные сведения о свойствах помехи и сигнала.

В настоящее время известно большое число способов повышения помехоустойчивости систем. Эти способы удобно разбить на две группы.

I группа – основана на выборе метода передачи сообщений.

II группа – связана с построением помехоустойчивых приемников.

Простым и применяемым способом повышения помехоустойчивости является увеличение отношения сигнал/помеха за счет увеличения мощности передатчика. Но этот метод может оказаться экономически не выгодным, так как связан с существенным ростом сложности и стоимости оборудования. Кроме того, увеличение мощности передачи сопровождается усилением мешающего действия данного канала на другие.

Важным способом повышения помехоустойчивости передачи непрерывных сигналов  является рациональный выбор вида модуляции сигналов. Применяя виды модуляции, обеспечивающие значительное расширение полосы частот сигнала, можно добиться существенного повышения помехоустойчивости передачи.

Радикальным способом повышения помехоустойчивости передачи дискретных сигналов является использование специальных помехоустойчивых кодов. При этом имеется два пути повышения помехоустойчивости кодов:

1.          Выбор таких способов передачи, которые обеспечивают меньшую вероятность искажения кода;

2.          Увеличение корректирующих свойств кодовых комбинаций. Этот путь связан с использованием кодов, позволяющих обнаруживать и устранять искажения  в кодовых комбинациях. Такой способ кодирования связан с введением в код дополнительных, избыточных символов, что сопровождается увеличением времени передачи или частоты передачи символов кода.

Повышение помехоустойчивости передачи может быть также достигнуто путем повторной передачи одного и того же сообщения.  На приемной стороне сравниваются полученные сообщения и в качестве истинных принимаются те, которые имеют наибольшее число совпадений. Чтобы исключить неопределенность при обработке принятой информации и обеспечить отбор по критерию большинства, сообщение должно повторяться не менее трёх раз. Этот способ повышения помехоустойчивости связан с увеличением времени передачи.

Системы с повторением передачи дискретной информации делятся на системы с групповым суммированием, у которых сравнение производится по кодовым комбинациям, и на системы с посимвольным суммированием, у которых сравнение осуществляется по символам кодовых комбинаций. Посимвольная проверка является более эффективной, чем групповая.

Разновидность систем, у которых повышение помехоустойчивости достигается за счет увеличения времени передачи, являются системы с обратной связью. При наличии искажений в передаваемых сообщениях информация, поступающая по обратному каналу, обеспечивает повторение передачи. Наличие обратного канала приводит к усложнению системы. Однако в отличие от систем с повторением передачи в системах с обратной связью повторение передачи будет иметь место лишь в случае обнаружения искажений в передаваемом сигнале, т.е. избыточность в целом оказывается меньшей.

Помехоустойчивый прием состоит в использовании избыточности, а также априорных сведений о сигналах и помехах для решения оптимальным способом задачи приема: обнаружения сигнала, различия сигналов или восстановления сообщений. В настоящее время для синтеза оптимальных приемников широко используется аппарат теории статистических решений.

Ошибки приемника уменьшаются с увеличением отношения сигнал/помеха на входе приемника. В связи с этим часто производят предварительную обработку принятого сигнала с целью увеличения отношений полезной составляющей к помехе. К таким методам предварительной обработки сигналов относится метод ШОУ (сочетание широкополосного усилителя, ограничителя и узкополосного усилителя), селекция сигналов по длительности, метод компенсации помехи, метод фильтрации, корреляционный метод, метод накопления и др.

 

3.     Современные технические средства обмена данными и каналообразующая аппаратура

	Передатчик – устройство, являющееся источником данных. Приемник – устройство, принимающее данные.

 

 

 

 

Приемником могут быть компьютер, терминал или какое-либо цифровре устройство.

	Сообщение – цифровые данные определенного формата, предназначенные для передачи.

 

 

Чтобы обеспечить передачу информации из ЭВМ в коммуникационную

 

Это может быть файл базы данных, таблица, ответ на запрос, текст или изображение.

	Средства передачи –физическая передающая среда и специальная аппаратура, обеспечивающая передачу сообщений.

 

 

 

 

Для передачи сообщений в вычислительных сетях используются различные типы каналов связи. Наиболее распространены выделенные телефонные каналы и специальные каналы для передачи цифровой информации. Применяются также радиоканалы и каналы спутниковой связи.

Особняком в этом отношении стоят ЛВС, где в качестве передающей среды используются витая пара проводов, коаксиальный кабель и оптоволоконный кабель.

Чтобы обеспечить передачу информации из ЭВМ в коммуникационную среду, необходимо согласовать сигналы внутреннего интерфейса ЭВМ с параметрами сигналов, передаваемых по каналам связи. При этом должно быть выполнено как физическое согласование (форма, амплитуда и длительность сигнала), так и кодовое.

      Технические устройства, выполняющие функции сопряжения ЭВМ с каналами связи, называются адаптерами или сетевыми адаптерами. Один адаптер обеспечивать сопряжение с ЭВМ одного канала связи. Кроме одноканальных адаптеров используются и многоканальные устройства – мультиплексоры передачи данных или просто мультиплексоры.

 Мультиплексор передачи данных – устройство сопряжения ЭВМ с несколькими каналами связи.

      Мультиплексоры передачи данных использовались в системах телеобработки данных – первом шаге на пути к созданию вычислительных сетей. В дальнейшем при появлении сетей со сложной конфигурацией и с большим  количеством абонентских систем для реализации функций сопряжения стали применяться специальные связные процессоры.

      Как уже говорилось ранее, для передачи цифровой информации по каналу связи необходимо поток битов преобразовать в аналоговые каналы, и при приеме информации из канала связи в ЭВМ выполнить обратное действие – преобразовать аналоговые сигналы в поток битов, которые может обрабатывать ЭВМ. Такие преобразования выполняет специальное устройство – модем.

Модем – устройство выполняющее модуляцию и демодуляцию информационных сигналов при передаче их из ЭВМ в канал связи и при приеме в ЭВМ из канала связи.

      Наиболее дорогим компонентом вычислительной сети является канал связи. Поэтому при построении ряда вычислительных сетей стараются сэкономить на каналах связи, коммутируя несколько внутренних каналов связи на один  внешний. Для выполнения функций коммутации используются специальные устройств – концентраторы.

Концентратор – устройство, коммутирующее несколько каналов связи на один путем частотного разделения.

       В ЛВС, где физическая передающая среда представляет собой кабель ограниченной длины, для увеличения протяженности сети используются специальные устройства – повторители.

Повторитель – устройство, обеспечивающее сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды, расстояние.

      Существуют локальные и дистанционные повторители. Локальные повторители позволяют соединять фрагменты сетей, расположенные на расстоянии до 50 м., а дистанционные – до 2000 м.