Скачать презентацию Лекция 11 Тема занятия Влияние КС на информационный Скачать презентацию Лекция 11 Тема занятия Влияние КС на информационный

ВССиТб Л11 маи.ppt

  • Количество слайдов: 47

Лекция 11. Тема занятия: Влияние КС на информационный сигнал 3. 5 Характеристики каналов связи Лекция 11. Тема занятия: Влияние КС на информационный сигнал 3. 5 Характеристики каналов связи 3. 5. 1 Затухание и полоса пропускания канала связи 3. 5. 2 Искажение сигнала и коэффициент передачи канала связи 3. 5. 3 Дисперсия сигнала и произведение скорости на длину КС 3. 5. 4 Воздействие помех и помехоустой чивость канала связи 3. 5. 5 Соотношение сигнал/шум и пропускная способность канала связи 1

3. 5 Характеристики каналов связи 3. 5 Характеристики каналов связи

Факторы влияния на передачу данных Четыре основных фактора ограничивают скорость и дальность передачи цифровой Факторы влияния на передачу данных Четыре основных фактора ограничивают скорость и дальность передачи цифровой информации при помощи электромагнитных сигналов в КС. Это затухание, искажения, дисперсия (рассеивание), а также шумы и помехи. Рассмотрим их и связанные с ними характеристики каналов связи.

3. 5. 1 Затухание и полоса пропускания канала связи 3. 5. 1 Затухание и полоса пропускания канала связи

Общие сведения Затухание – это потеря энергии волной при ее распространении по ФСПД. Так, Общие сведения Затухание – это потеря энергии волной при ее распространении по ФСПД. Так, часть энергии волны в кабеле поглощается средой и выделяется в виде тепла (эффект микроволновой печи). Обобщенный график зависимости мощности волны от расстояния дан на графике рис. 3. 24.

Общие сведения Затухание – это потеря энергии волной при ее распространении по ФСПД. Так, Общие сведения Затухание – это потеря энергии волной при ее распространении по ФСПД. Так, часть энергии волны в кабеле поглощается средой и выделяется в виде тепла (эффект микроволновой печи). Обобщенный график зависимости мощности волны от расстояния дан на графике рис. 3. 24.

Причины затухания В беспроводных ФСПД при распространении в вакууме или атмосфере, объем занимаемого волной Причины затухания В беспроводных ФСПД при распространении в вакууме или атмосфере, объем занимаемого волной пространства имеет вид сферы или конуса и увеличивается с ростом R.

Причины затухания Кроме того, электромагнитные волны могут отражаться, преломляться или поглощаться различными объектами на Причины затухания Кроме того, электромагнитные волны могут отражаться, преломляться или поглощаться различными объектами на пути их распространения. Таким образом, в точке приема на некотором расстоянии R от излучателя мощность волны Рпр на входе приемника может оказаться уже недостаточной для осуществления надежного приема. Такое предельное расстояние Rпр зависит от мощности Рпер излучения передатчика и от потерь в КС.

Единицы измерения затухания В свою очередь, потери в канале связи зависят от частоты распространяющейся Единицы измерения затухания В свою очередь, потери в канале связи зависят от частоты распространяющейся электромагнитной волны. Затухание W измеряют в относительных единицах - децибелах, д. Б: (3. 15) Чем меньше затухание, тем выше качество КС.

Затухание в разных кабелях Так, витая пара категории 5 имеет на каждые 100 м Затухание в разных кабелях Так, витая пара категории 5 имеет на каждые 100 м затухание 23, 6 д. Б для частоты сигнала 100 МГц (характерно для Fast Ethernet). Витая пара более высокой категории 6 характеризуется меньшим затуханием 20, 6 д. Б. Значительно меньшее ослабление вносят оптоволоконные кабели. Для них W=0, 2… 3 д. Б на км. Из этого понятно, почему размеры физических сегментов ЛВС без повторителей для оптоволоконных кабелей существенно больше (километры), чем для медных (сотни метров).

Затухание в разных кабелях Так, витая пара категории 5 имеет на каждые 100 м Затухание в разных кабелях Так, витая пара категории 5 имеет на каждые 100 м затухание 23, 6 д. Б для частоты сигнала 100 МГц (характерно для Fast Ethernet). Витая пара более высокой категории 6 характеризуется меньшим затуханием 20, 6 д. Б. Значительно меньшее ослабление вносят оптоволоконные кабели. Для них W=0, 2… 3 д. Б на км. Из этого понятно, почему размеры физических сегментов ЛВС без повторителей для оптоволоконных кабелей существенно больше (километры), чем для медных (сотни метров).

Из таблицы 3. 1 (см. п. 3. 1) следует, что КС пропускает по-разному гармонические Из таблицы 3. 1 (см. п. 3. 1) следует, что КС пропускает по-разному гармонические составляющие разных частот спектра сигнала.

Зависимость нормированной выходной мощности в КС от частоты распространяющегося в нем сигнала, представлена на Зависимость нормированной выходной мощности в КС от частоты распространяющегося в нем сигнала, представлена на рис. 3. 19.

Полоса пропускания КС В некоторой полосе частот выходная мощность максимальна, а затухание минимально. Эту Полоса пропускания КС В некоторой полосе частот выходная мощность максимальна, а затухание минимально. Эту полосу F и называют полосой пропускания КС. Ее измеряют в единицах частоты, Гц на некотором уровне от максимального, единичного значения. На рисунке обозначена величина F на уровне 0, 5. Часто также используют ее значение F 0, 7 на уровне 0, 7 от максимума.

3. 5. 2 Искажение сигнала и коэффициент передачи канала связи 3. 5. 2 Искажение сигнала и коэффициент передачи канала связи

Комплексный коэффициент передачи Важнейшей характеристикой канала связи является его комплексный коэффициент передачи. Он характеризует Комплексный коэффициент передачи Важнейшей характеристикой канала связи является его комплексный коэффициент передачи. Он характеризует влияние КС на спектр сигнала, распространяющегося по ней: (3. 16) где - спектры входного и выходного сигнала в канале связи; - модуль и аргумент коэффициента передачи.

АЧХ канала связи Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты характеризует влияние канала связи на АЧХ канала связи Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты характеризует влияние канала связи на амплитуду сигнала. Поэтому ее называют АЧХ – амплитудно-частотной характеристикой КС. Поскольку мощность сигнала связана с его амплитудой квадратичной зависимостью, внешний вид АЧХ совпадает с зависимостью приведенной в п. 3. 5. 1 на рис. 3. 19. По АЧХ также возможно определение полосы пропускания КС.

ФЧХ канала связи В свою очередь, зависимость характеризует влияние канала связи на фазу сигнала. ФЧХ канала связи В свою очередь, зависимость характеризует влияние канала связи на фазу сигнала. Ее называют ФЧХ – фазо-частотной характеристикой канала связи. Из-за ограниченности полосы пропускания канала связи и неравномерности ее коэффициента передачи спектр Gвх(jω) исходного сигнала Sвх(t) ограничивается и искажается. В свою очередь это приводит к искажению сигнала Sвых(t).

Выходной сигнал канала связи Чтобы определить Sвых(t) необходимо взять обратное Фурье – преобразование от Выходной сигнал канала связи Чтобы определить Sвых(t) необходимо взять обратное Фурье – преобразование от искаженного спектра Gвых(jω): (3. 17) где В результате исходное прямоугольное колебание на выходе канала связи приобретает искаженный вид, затрудняющий извлечение из него информации на приемной стороне (рис. 3. 20).

Выходной сигнал канала связи Выходной сигнал канала связи

Полосы пропускания различных КС Полосы пропускания существенно больше, а коэффициент пропускания равномернее для оптических Полосы пропускания различных КС Полосы пропускания существенно больше, а коэффициент пропускания равномернее для оптических каналов по сравнению с медными. В результате, волоконно-оптические каналы связи могут обеспечить качественную связь на существенно больших удаленьях и скоростях передачи данных. Для снижения рассматриваемых искажений в канал связи могут входить специальные корректоры (эквалайзеры), предназначенные для компенсации различных значений затухания в КС на разных частотах.

3. 5. 3 Дисперсия сигнала и произведение скорости на длину канала связи 3. 5. 3 Дисперсия сигнала и произведение скорости на длину канала связи

Дисперсия сигнала В теории связи выделяют особый вид искажений, вызываемых ограниченностью полосы пропускания сверху. Дисперсия сигнала В теории связи выделяют особый вид искажений, вызываемых ограниченностью полосы пропускания сверху. Называют их дисперсией сигнала. Под ней понимают увеличение длительности сигнала на выходе КС по сравнению с входной длительностью. В п. 3. 2 отмечалась обратная пропорциональность между длительностью сигнала и шириной его частотного спектра (см. (3. 14)). КС искусственно уменьшает ширину спектра исходного сигнала за счет ограниченности своей полосы пропускания.

Дисперсия сигнала Это ведет к слиянию расплывшихся импульсов, если интервалы времени между ними небольшие. Дисперсия сигнала Это ведет к слиянию расплывшихся импульсов, если интервалы времени между ними небольшие. К малым же интервалам следует стремиться для увеличения скорости передачи (сравни bt=0, 1 мкс для Ethernet и bt=0, 01 мкс для Fast Ethernet). Рис. 3. 21

Дисперсия сигнала На рис. 3. 21 иллюстрируется влияние на прямоугольный входной битовый сигнал Sвх(t) Дисперсия сигнала На рис. 3. 21 иллюстрируется влияние на прямоугольный входной битовый сигнал Sвх(t) (изображен сплошной линией) ограниченной сверху полосы пропускания. В выходном сигнале Sвых(t), показанном пунктиром, битовые импульсы потеряли прямоугольную форму, изменили свою амплитуду, расширились и из-за этого наложились друг на друга.

Ограничение произведения V×R На приемной стороне по этому сигналу, подвергнутому дисперсии, крайне затруднительно определить Ограничение произведения V×R На приемной стороне по этому сигналу, подвергнутому дисперсии, крайне затруднительно определить какие биты и сколько их содержится в нем. Практически дисперсия ограничивает произведение V×R, где V- скорость передачи, а R – длина КС. Предельное значение этого произведения зависит от формы импульсов и параметров КС.

3. 5. 4 Воздействие помех и помехоустойчивость канала связи 3. 5. 4 Воздействие помех и помехоустойчивость канала связи

Искажение сигнала помехами К сожалению, сигнал искажают не только неравномерность и ограниченность полосы пропускания Искажение сигнала помехами К сожалению, сигнал искажают не только неравномерность и ограниченность полосы пропускания канала связи, но и различные электромагнитные помехи. Они также как и дисперсия ограничивают скорость и дальность передачи в канале связи. Источники помех могут быть как внутри канала, так и вне его. Так, в одножильном медном кабеле – например коаксиальном - источником шумов может быть тепловое движение электронов, в оптическом – нестабильность оптического генератора и количества фотонов, им излучаемых.

Внешние помехи, как правило, значительнее. Для многожильных медных кабелей это помехи, наводимые соседними парами Внешние помехи, как правило, значительнее. Для многожильных медных кабелей это помехи, наводимые соседними парами или линиями связи, а также различные электромагнитные помехи естественного и искусственного (индустриального) происхождения. Для оптических ФСПД – засветка оптического волокна через неплотности разъемов и повреждения светонепроницаемой изоляционной оболочки.

Помехоустойчивость КС Характеристику, определяющую способность КС противостоять влиянию помех называют помехоустойчивостью канала связи. Помехоустойчивость Помехоустойчивость КС Характеристику, определяющую способность КС противостоять влиянию помех называют помехоустойчивостью канала связи. Помехоустойчивость КС зависит от типа ФСПД, а также от средств, экранирующих и подавляющих помехи, применяемых в КС. Наименее устойчивы к помехам радиолинии. Значительно лучшей помехоустойчивостью характеризуются медные кабели. Самой лучшей помехоустойчивостью обладают волоконно-оптические кабели.

Параметры помехоустойчивости КС Используется несколько параметров канала связи, определяющих устойчивость кабеля к наведенным помехам. Параметры помехоустойчивости КС Используется несколько параметров канала связи, определяющих устойчивость кабеля к наведенным помехам. Для витопарных кабелей это: NEXT, FEXT, PS NEXT, PS FEXT и некоторые другие. Перекрестные наводки на ближнем конце – NEXT (Near End Cross Talk) определяют устойчивость кабеля к наводке от сигнала передатчика, подключенного к одной из соседних пар на том же (ближнем) конце кабеля, на котором работает и приемник (3. 18):

Параметр NEXT (3. 18) где - мощность сигнала передатчика; - наведенная мощность помех. Чем Параметр NEXT (3. 18) где - мощность сигнала передатчика; - наведенная мощность помех. Чем больше этот показатель, тем лучше КС, что указывает на неудачный дословный перевод названия показателя. На самом деле, должно быть хуже если наводки больше.

Параметр NEXT Более правильно определять NEXT как переходное затухание на ближнем конце, а не Параметр NEXT Более правильно определять NEXT как переходное затухание на ближнем конце, а не наводки. Этот показатель полностью определяет качество КС лишь для двунаправленной передачи данных, принятой в стандартах 10 Base T, 100 Base TX. В этих стандартах используются только две пары проводов из четырех – одна на прием информации, а другая – на передачу (рис. 3. 22).

Параметр NEXT Поэтому естественно, что наводки имеет смысл рассматривать лишь со стороны передатчика одной Параметр NEXT Поэтому естественно, что наводки имеет смысл рассматривать лишь со стороны передатчика одной пары на приемник другой пары, то есть на «ближнем» (Near) конце канала связи. Рис. 3. 22 В 1999 г принимается гигабитный стандарт Ethernet передачи данных по витой паре 1000 Base-T.

Параметр NEXT Для обеспечения такой скорости с применением прежней ФСПД UTP cat 5 предложено Параметр NEXT Для обеспечения такой скорости с применением прежней ФСПД UTP cat 5 предложено использовать для передачи все четыре пары кабеля, на каждую из которых приходится ¼ пропускной способности – 250 Мбит/с (рис. 3. 23). Рис. 3. 2

Однонаправленная передача данных При этом применяется одновременная и передача и прием сигнала на противоположных Однонаправленная передача данных При этом применяется одновременная и передача и прием сигнала на противоположных сторонах каждой пары. Чтобы одновременное присутствие в одной паре двух встречных сигналов не вызывало коллизии, применяется устройство гибридной развязки Н. Кроме того, в каждой паре приемник R на каждой стороне вычитает из указанной совокупности двух сигналов известный сигнал, передаваемый передатчиком Т своей стороны.

Однонаправленная передача данных Для выполнения столь непростых операций используют специальные цифровые сигнальные процессоры – Однонаправленная передача данных Для выполнения столь непростых операций используют специальные цифровые сигнальные процессоры – DSP (Digital Signal Processor). Указанную схему называют однонаправленной передачей данных по кабелю. Для такой схемы кроме показателя NEXT наводок на приемник одной пары со стороны передатчика другой пары на ближнем конце необходимо рассмотреть наводки со стороны этого же передатчика на приемник и на другом конце канала связи (приемники и передатчики расположены по обеим сторонам кабеля).

Параметр FEXT Такой показатель называют FEXT (Far End Cross Talk) - перекрестные наводки на Параметр FEXT Такой показатель называют FEXT (Far End Cross Talk) - перекрестные наводки на дальнем конце. Дословный перевод этого показателя не отражает его суть и является жаргонным по тем же причинам, что и для NEXT. Более правильно определять FEXT как переходное затухание на дальнем конце, а не наводки. Для всестороннего тестирования UTP в режиме однонаправленной передачи, необходимо измерить шесть показателей NEXT (наводки на приемник одной пары со стороны передатчиков трех других пар на обоих концах) и двенадцать показателей FEXT. Такое обилие явно неудобно.

Параметр FEXT В последнее время их часто заменяют на два интегральных показателя PS NEXT Параметр FEXT В последнее время их часто заменяют на два интегральных показателя PS NEXT и PS FEXT. Приставка PS (Power Sum) обозначает, что в этих показателях учтено суммарное влияние на пару со стороны всех других пар (рис. 3. 24).

Показатели ACR и ELFEXT Наконец, применяют и такие важные показатели как защищенности кабеля: – Показатели ACR и ELFEXT Наконец, применяют и такие важные показатели как защищенности кабеля: – ACR (attenuation to crosstalk ratio - отношение затухания к наводкам), и ELFEXT (equal level far end crosstalk - равноуровневые наводки на дальнем конце). Эти параметры рассчитываются по следующим формулам: ACR = NEXT - W, ELFEXT = FEXT - W. (3. 19) Чтобы выяснить физический смысл, например ACR, подставим в (3. 19) соответствующие величины из (3. 18) и (3. 16):

Показатели ACR и ELFEXT (3. 20) Из (3. 20) следует, что ACR является ни Показатели ACR и ELFEXT (3. 20) Из (3. 20) следует, что ACR является ни чем иным, как измеренное в д. Б отношение сигнал/наведенная помеха на входе приемника при двунаправленной передаче. Аналогично, показатель ELFEXT является также соотношением сигнал/наведенная помеха на входе приемника, но при однонаправленной передаче.

3. 5. 5 Соотношение сигнал/шум и пропускная способность канала связи 3. 5. 5 Соотношение сигнал/шум и пропускная способность канала связи

Соотношение сигнал/шум Искажения сигнала зависят от интегрального соотношения сигнал/шум N=Pпр /Pш, где Рпр, Pш Соотношение сигнал/шум Искажения сигнала зависят от интегрального соотношения сигнал/шум N=Pпр /Pш, где Рпр, Pш – мощности сигнала и шумов на входе приемника соответственно. Важно отметить, что Pш обусловлен всеми возможными причинами возникновения помех. Естественно, что при снижении N должно падать качество канала связи. Количественно это сказывается на снижении пропускной способности C канала связи.

Пропускная способность КС Дадим определение. Под пропускной способностью КС понимают максимально возможную скорость передачи Пропускная способность КС Дадим определение. Под пропускной способностью КС понимают максимально возможную скорость передачи в нем двоичных данных. Ее измеряют в бит/с, Кбит/с, Мбит/с и т. д. Связь между С и N установил Клод Шеннон: (3. 21) где F – ширина полосы пропускания, Гц. Принципиально, повысить С можно увеличением полосы пропускания F или соотношения N, увеличивая мощность передатчика.

Пропускная способность КС Однако F ограничена свойствами конкретной линии связи, а мощность передатчика сказывается Пропускная способность КС Однако F ограничена свойствами конкретной линии связи, а мощность передатчика сказывается на С лишь в логарифмическом масштабе. При увеличении мощности в 100 раз, N также увеличится в 100 раз, а максимально возможная пропускная способность лишь на 15%.

Выводы Таким образом, приходим к выводу, что канал связи несомненно влияет на физический битовый Выводы Таким образом, приходим к выводу, что канал связи несомненно влияет на физический битовый сигнал, распространяющийся по нему, приводя на приемной стороне к его искажению в широком смысле этого слова. В него входят все виды нежелательных изменений в сигнале – затухание, искажение формы каналом связи, искажение помехами и т. д.

Выводы Коренным становится вопрос, каким же должен быть этот физический информационный битовый сигнал, чтобы Выводы Коренным становится вопрос, каким же должен быть этот физический информационный битовый сигнал, чтобы потери в нем из-за несовершенства КС были минимальны? Суть вопроса заключается в том, что параметры отдельных ФСПД в КС настолько разнятся, что для разных ФСПД необходимы разные рекомендации по выбору информационного сигнала в линии. Рассмотрим вопросы его формирования на следующей лекции.