Основные характеристики систем связи. Оценка качества сигнала в цифровых системах передачи Влияние параметров абонентской линии

Основные показатели системы связи:

1)достоверность передачи сообщений.

Степень соответствия между принятым и преданным сообщением – называют достоверностью передачи.

При передачи дискретных сообщений достоверность определяется коэффициентом ошибок.

Где - это число ошибочно принятых элементов сообщения, -общее число элементов сообщения.

Частность ошибок, величина случайная.

При передачи непрерывных сообщений, различие между переданным и принятым сообщением характеризуется случайной ошибкой.

принятое сообщение, x(t)-полученное сообщение;

Случайная помеха на выходе системы связи.

Часто пользуются критерием среднеквадратической ошибки ().

Среднеквадратическая ошибка определяется:

Средняя мощность помехи;

Средняя мощность полезного сигнала.

Р(- одномерная плотность вероятностной помехи.

Заданный порог помехи.

Физически это условие соответствует вероятностному отсутствию так называемой аномальной ошибки, т.е. ошибка которая может иметь несоответствие для получателя.

Например: кратко временное выход из строя системы, импульсная помеха и т.д.

2)помехоустойчивость.

Передача информации с требуемой достоверностью предполагает надёжную работу системы связи, это возможно если система связи обладает высокой надёжностью, т.е. способность приборов и устройств длительно выполнять возложенные на них функции и обеспечивать необходимую помехоустойчивость - способность противостоять действию помех.

Помехоустойчивость зависит от факторов:

1)способы практической реализации системы связи;

2)элементной базы;

3)изготовление, технология аппаратуры;

4)условия эксплуатации;

5)принципы построения системы связи и т.д.

Надёжность системы связи количественно оценивается вероятностью того, что аппаратура будет выполнять свои функции в течение заданного времени.

Отношение сигнал - шум – фактор оценивающий помехоустойчивость системы связи:

Чем меньше требуется отношение сигнал-шум, тем выше помехоустойчивость системы связи.

3)скорость передачи информации.

Если передача непрерывных сообщений осуществляется в реальном масштабе времени. Однако, часто бывает целесообразно сообщение записать, а потом передать со скоростью отличающуюся в большую или меньшую сторону от времени создания. Это позволяет эффективно использовать каналы связи.

Численно скорость передачи определяется количеством информации поступившей от отправителя к получателю за 1 секунду. Измеряется бит в секунду.

Скорость зависит:

1)от сообщения и статистических его свойств;

2)характеристик канала связи;

3)искажения и помех в канале.

Очень часто при передаче дискретных сообщений для характеристик аппаратной части системы связи пользуются понятием технической скорости передачи.

Предельная возможность скорости передачи оценивают величиной пропускной способности канала, численно определяется максимальным количеством информации передаваемой по нему за 1 секунду.

эффективная полоса частот канала связи;

средняя мощность помехи.

4)эффективность системы связи.

Для оценки качества работы используют показатели связанные с затратами.

1)энергетические;

2)полоса частот ;

3)стоимость аппаратуры;

4)массогабаритные и т.д.

Совокупность свойств характеризующих экономичность системы с точки зрения затрат называют эффективность системы связи.

Для выбора системы связи по эффективности используют критерии, при этом учитывают определённые заранее установленные ограничения на некоторые параметры и характеристики системы связи.

Критерий удельных затрат- это такие критерии, в соответствие с которыми системы связи оцениваются величиной затрат на передачу 1 бита информации при заданной достоверности.

Удельная энергетическая затрата, где

Энергия сигнала на входе приёмника затраченная на передачу 1 бита;

Спектральная плотность помехи.

Удельная затрата полосы, где

Эквивалентная полоса пропускания системы связи;

R-скорость передачи (бит*сек).

Значение иможно рассматривать как показатели работы системы связи.

1.3.Классификация систем и линий передачи информации .

Признаки классификации:

1)область применения (телефонные системы, передача данных, телевидение, телеметрия);

2)по форме сообщения (дискретные, непрерывные);

3)по виду линейного сигнала (непрерывная, импульсная);

4)по диапазону рабочих частот и ширине полосы (узкополосные, широкополосные);

5)по виду связи (стационарные, мобильные);

6)по принципу уплотнения и разделения (временное, частотное, по коду).

Все системы связи делятся на две группы:

1)системы со свободным распространением сигналов.

Уровень рассеяния сигнала пропорционален квадрату расстояния между передатчиком и приёмником (радиотехнические).

2)системы с направленным распространением сигналов.

Принудительное распространение сигнала. Для этого используется устройства. Энергия в них не рассеивается, а поглощается направляющим устройством. Системы стабильны, являются идеальными с точки зрения достоверности. Идеальное решение проблемы электромагнитной совместности- высокая пропускная способность. Однако, эти системы очень дороги, требуют создания усилительных ретрансляционных пунктов.

Проблемы:

1)проблемы электромагнитной совместимости, действие помех;

2)высокая экономичность, гибкость, мобильность.

Системы со свободным распространением сигналов делятся на:

1) системы с постоянными параметрами - системы, в которых параметры сигнала проходя через среду распространения не претерпевают существенных случайных изменений, за исключением фазы (системы радиорелейной связи, спутниковой связи – они работают в диапазоне сантиметровых волн).

2)системы со случайными параметрами – параметры сигнала изменяются про прохождение через среду. Эти изменения приёмника или в системах с отражённой или прямой волной (коротковолновые системы- сигналы претерпевают глубокие замирания).

При длине волны l=3-10 метров, радиосигналы хорошо отражаются от ионосферы, что позволяет распространяться им на 2000 км.

При l<3 метров радиоволны распространяются в пределах видимости.

Классификация волн:

Лекция 3

Факторы, определяющие параметры качества соединений в ADSL

Факторы, влияющие на параметры качества ADSL

Наше исследование технологии ADSL является сугубо практическим и ори­ентированным на изучение методов измерений.

По этой причине в книге нас бу­дут интересовать не столько сами принципы работы систем ADSL, сколько те факторы, которые определяют параметры качества сети ADSL и в конечном сче­те - технологический и коммерческий успех технологии в целом.

В этом небольшом разделе на основании приведенных выше сведений о технологии ADSL постараемся выявить факторы, характеризующие парамет­ры качества ADSL.

Для того, чтобы выделить группы интересующих нас факторов, вернемся к рис. 1.8.

Как следует из рисунка, в составе схемы подключения пользователя ADSL присутствуют три объекта: модем, DSLAM и участок абонентской пары.

Отдельные параметры модема или DSLAM нас интересуют меньше, чем пара­метры этих устройств как технологической пары.

Следовательно, можно выде­лить две группы факторов влияния на параметры качества ADSL.

Влияние со стороны пары модем-DSLAM. Влияние параметров абонентской кабельной пары.

Изучим эти факторы отдельно.

Влияние оконечных устройств и DSLAM

Рассмотренные выше принципы работы пары модем-DSLAM показывают, что параметры таких устройств могут оказывать влияние на общие парамет­ры качества доступа ADSL. Здесь сказывается несколько факторов.

Технология ADSL предусматривает технологическую независимость параметров DSLAM и модема, эти устройства могут быть разного про­изводства. Любые варианты нестыковки в паре модем-DSLAM должны сказываться на качестве доступа ADSL.

Фактор нестыковки на уровне «рукопожатия» может проявиться в том, что модем и DSLAM могут установить не самый эффективный режим работы и обмена данными.

На уровне диагностики соединения фактор нестыковки может привес­ти к неправильной настройке эквалайзеров и эхокомпенсаторов, что скажется на параметрах скорости передачи. Здесь же может присут­ствовать фактор нарушения в работе только одного устройства.

На­пример, сама процедура настройки эхокомпенсатора в модеме может оказаться некорректной и могут возникнуть нарушения.

Аналогичные нарушения могут быть вызваны некорректной работой процедур вы­равнивания уровня сигнала в DSLAM и т. д..

Аналогично проблемы могут быть обусловлены нестыковкой на уров­не диагностики канала. Здесь нарушения в процессе согласования схем кодирования и любые сбои в работе алгоритмов диагностики SNR мо­гут привести к ухудшению качества подключения ADSL.

Забегая вперед, отметим, что диагностика всех перечисленных факторов может быть реализована только в процессе сложных исследований устройств по методикам тестов соответствия. Эти методики слишком сложны для эксп­луатации и требуют слишком больших затрат.

Влияние параметров абонентской линии

Наиболее интересным для эксплуатации фактором, непосредственно вли­яющим на параметры качества ADSL, являются параметры абонентской ка­бельной пары.

Поскольку абонентский кабель и его параметры не привносит­ся технологией ADSL извне, а уже имеется у оператора в том виде и состоя­нии, в котором он дожил до эры NGN, то здесь содержится самый слабый элемент технологической цепи ADSL. И хотя между измерениями параметров кабеля и измерениями ADSL нельзя поставить знак равенства, измерения параметров абонентских пар - это более 50% всех эксплуатационных изме­рений на начальных этапах внедрения ADSL.

Рассмотрим коротко, какие параметры абонентских линий могут оказать­ся критичными для качества ADSL. Более подробно каждый из перечисленных параметров приведен в глава 4.

Базовые параметры абонентских кабелей

Начнем с общих (или базовых) параметров абонентских кабелей. К ним относятся все те параметры, которые исторически использовались для пас­портизации кабельной системы оператора.

Можно утверждать, что это груп­па параметров и методов их анализа, одинаковая для любых абонентских ка­белей, несмотря на их тип и способ использования.

Действительно, если есть металлический кабель, то он имеет сопротивление, емкость, параметры изо­ляции, и все перечисленные параметры не зависят от того, с какой целью ка­бель проложен. Он может использоваться для обычной телефонной связи, для ADSL, для системы радиофикации и пр.

И для всех приложений необходим определенный набор параметров, позволяющих судить о качестве абонентс­кой пары.

Именно поэтому такие параметры называются базовыми.

Базовые параметры абонентской пары полностью описаны в норматив­ных документах и хорошо известны.

К основным базовым параметрам мож­но отнести:

наличие постоянного/переменного напряжения на линии; сопротивление абонентского шлейфа; сопротивление изоляции абонентского шлейфа; емкость и индуктивность абонентского шлейфа; комплексное сопротивление линии на определенной частоте (импе­данс линии); симметрию пары в смысле омического сопротивления.

Значения перечисленных параметров определяют качество абонентской пары, и уже на этом основании можно говорить, что они важны для паспорти­зации кабелей под ADSL.

Специализированные параметры кабеля

Как было показано выше на параметры передачи ADSL влияют не столько базовые параметры абонентской пары, сколько параметры абонентского ка­беля как канала передачи сигналов 256DMT/QAM.

В таком случае важной ока­зывается группа параметров, связанная непосредственно с процедурой пе­редачи, куда входят такие параметры, как искажение сигнала, затухание сиг­нала, различного рода шумы и влияния на линию извне.

Поскольку эта группа параметров непосредственно связана с областью применения кабеля в ADSL, они называются специализированными.

Процедурно специализированные параметры отличаются от базовых тем, что любые измерения этих параметров всегда опираются на методики час­тотного тестирования линии.

Согласно данным методикам для диагностики абонентского кабеля следует подать тестовый специализированный сигнал (воздействие) и анализировать качество прохождения такого сигнала по ли­нии (отклик).

К специализированным параметрам относятся:

затухание в кабеле;

шум в широкой полосе частот и отношение сигнал/шум (SNR); амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); переходное затухание на ближнем конце (NEXT); переходное затухание на дальнем конце (FEXT); импульсные помехи; возвратные потери; симметрия пары в смысле неравномерности характеристик передачи.

Неоднородности в кабеле

Третий фактор, непосредственно влияющий на параметры качества ADSL на уровне абонентского кабеля, - наличие в кабеле неоднородностей.

Любые неоднородности в абонентском кабеле негативно сказываются на парамет­рах передачи.

В качестве иллюстрации процессов, происходящих в системе передачи, на рис.3.1 показана параллельная отпайка, представляющая со­бой довольно частое явление на отечественной сети.

В случае передачи ши­рокополосного сигнала через параллельную отпайку передаваемый сигнал сначала разветвляется, а затем отражается от несогласованного конца от­пайки.

В результате на стороне приемника два сигнала - прямой и отражен­ный - накладываются друг на друга, причем отраженный сигнал может рас­сматриваться как шумовой. Поскольку шумовой сигнал в случае, изображен­ном на рис.3.1, имеет ту же структуру, что и обычный сигнал, его влияние оказывается максимальным на параметры качества передачи.

Рис. 3.1. Параллельная отпайка и ее влияние на параметры передачи ADSL

Уровень деструктивного влияния отраженного сигнала будет напрямую зависеть от уровня отражения на отпайке. Из теории сигналов уровень отраже­ния будет тем выше, чем больше частота передаваемого сигнала.

В результа­те любые системы широкополосной передачи оказываются очень чувствитель­ными к любым неоднородностям в кабеле. В случае ADSL чувствительность к неоднородностям немного компенсируется адаптивной подстройкой пары мо­дем-DSLAM, так что наличие отпаек не отменяет возможность передачи.

Но в случае отпайки скорость передачи ADSL резко падает, что позволяет произво­дителям оборудования и системщикам выдвигать требования о недопустимо­сти никаких неоднородностей в кабеле для ADSL.

Переходные помехи

Понятие переходного затухания менее понятно с точки зрения природы появления этого фактора, но лучше отражает метод измерения. Поэтому на практике используются оба понятия.

Четвертым фактором, влияющим в кабеле на параметры передачи ADSL, выступает фактор взаимного влияния абонентских кабелей друг на друга.

Ме­тодически параметры взаимного влияния получили название переходных по­мех, или переходного затухания.

Рис.3.2. Переходные помехи NEXT и FEXT

Различают два параметра переходных по­мех (рис.3.2).

переходное затухание на ближнем конце (т. е. влияние ближнего пере­датчика на приемник на ближнем конце); переходное затухание на дальнем конце (т. е. влияние удаленного пе­редатчика на приемник на ближнем конце).

Номинально FEXT и NEXT относятся к специализированным параметрам кабельной пары. Но роль этого параметра настолько уникальная, что требует отдельного рассмотрения и исследования.

Достаточно сказать, что, несмот­ря на существование понятий NEXT и FEXT уже не один десяток лет, общей методологии измерений этих параметров нет, и в условиях абонентских се­тей NGN ее едва ли можно построить.

Например, взаимное влияние одной пары на другую может существовать потенциально, но никак не проявляться до тех пор, пока по одной паре идет телефония, а по другой ADSL.

Но стоит подключить нового абонента ADSL - и это влияние может «убить» качество связи в обеих парах.

То же относится к помехам от внешних источников электромагнитного излучения - в общем случае предсказать их проявление на отдельной паре невозможно.

Можно указать в качестве наиболее важных для параметров качества ADSL следующие типы возможных переходных помех.

Влияния абонента ADSL на другого абонента ADSL. Влияние радиочастот диапазона AM на ADSL. Влияние внешних электромагнитных помех. Влияние от цифровых систем передачи (Е1, HDSL и пр.).

Долгое время дискутировался вопрос о потенциальной возможности вли­яния ADSL на качество традиционной телефонии. Поводом для обсуждения данной темы стали жалобы абонентов традиционной телефонии на ухудше­ние качества связи в процессе массового внедрения ADSL.

Хотя по теории применения сплиттеров влияние ADSL на телефонную сеть исключается, ста­тистика жалоб показывала устойчивую связь между уровнем внедрения ADSL и количеством жалоб.

Специальные исследования показали, что переход­ных помех между телефонной сетью и ADSL действительно нет, а жалобы обусловлены в большей степени деятельностью самих операторов.

Для бо­лее качественного предоставления услуг ADSL операторы осуществляли коммутацию пар, так что пользователь ADSL получал лучшую по качеству пару, тогда как обычный телефонный абонент получал пару хуже, что и при­водило к оценке негативной роли ADSL.

Кстати, этот пример показывает, что в процессе массового внедрения ADSL факторы чисто технического свой­ства сильно перемешиваются с социальными, историческими и админист­ративными факторами. Как показано в глава 7, данный пример не един­ственный случай, когда оказывается трудно разделить влияние техники и других процессов в системе эксплуатации.

Некоторые применения ADSL

Теперь от общего анализа технологии ADSL перейдем к рассмотрению не­которых вариантов использования этой технологии в сетях абонентского доступа NGN.

Как следует из самой парадигмы сетей NGN, основная цель построения сетей широкополосного абонентского доступа - обеспечение пользователей мак­симально возможной полосой передачи данных в транспортную сеть. От это­го зависит номенклатура предоставляемых пользователю услуг, а сам успех внедрения NGN - от эффективности внедрения новых услуг, ведь именно ради них совершается новая техническая революция.

Таким образом, тема услуг является основополагающей при изучении лю­бых вопросов, связанных с NGN. Не исключение и технология ADSL. В данном разделе мы рассмотрим варианты применения ADSL на современной сети, что должно дополнить наше представление о месте этой технологии в совре­менной системе связи.

Индивидуальное подключение

Самое простое применение технологии ADSL - индивидуальное использо­вание широкополосного доступа для предоставления услуг отдельному пользователю.

Несомненным преимуществом ADSL является то, что она пред­лагает очень эффективный метод миграции абонентов из телефонной сети в сеть NGN.

Напомним, что для этого требуется только установить на обоих концах абонентской линии сплиттеры, тем самым, разделив трафик передачи данных и телефонный трафик, а затем подключить ADSL-модем на стороне пользователя и DSLAM на станционной стороне.

Рис.3.3. Схема индивидуального подключения абонента

В результате такого процесса миграции технология ADSL становится ин­дивидуально ориентированной. Она нацелена на отдельных абонентов теле­фонной сети и предлагает с минимальными издержками подключить их к сети NGN. Соответственно, наиболее часто ADSL используется именно в режиме индивидуального подключения (рис.3.3).

Как показано на рисунке, в случае индивидуального подключения абонен­та к ADSL ставится задача обеспечения широкополосным доступом единич­ного пользователя.

Например, это может быть квартира абонента. В таком случае абоненту оставляется обычный телефон, подключенный через сплитер, и добавляется широкополосный доступ в сеть NGN. В зависимости от конфигурации и типа модема ADSL, это может быть интерфейс USB для под­ключения одного компьютера или Ethernet, к которому можно подключить даже домашнюю локальную сеть. В свою очередь, в домашней локальной сети мо­гут быть установлены компьютеры либо устройства IPTV для обеспечения трансляции телевизионных сигналов.

Технология VoDSL

Новое по отношения к традиционным услугам ADSL приложение связано с развитием технологии передачи голоса в пакетных сетях (Voice over IP, VoIP). В настоящее время VoIP получила очень широкое распространение. В каче­стве примера можно привести услугу skype, которой широко пользуется уже более 5 млн абонентов во всем мире.

Если существует потенциальная возможность передачи голоса поверх дан­ных, то еще одним приложением ADSL может стать предоставление услуг VoIP. Такую услугу можно назвать передачей голоса поверх ADSL, или VoDSL.

Схе­ма услуги представлена на рис. 3.4. На стороне пользователя к модему ADSL подключаются не только компьютер, но и VoIP-телефон. Со станционной стороны после DSLAM ставится коммутатор доступа (BRAS), который выделяет график VoIP и передает его на телефонный шлюз VoIP/PSTN, так что трафик VoIP преобразуется в обычный телефонный трафик и уходит в сети общего пользования.

Колл" href="/text/category/koll/" rel="bookmark">коллективное использование ADSL

Рассмотренные выше услуги VoDSL имеют еще одно интересное приме­нение, а именно возможность коллективного использования одного ADSL-под­ключения.

Как было показано выше, современные технологии VoIP позволя­ют установить на стороне пользователя ADSL дополнительный телефон. Но никто не запрещает вместо одного телефона подключить несколько теле­фонов VoIP, а вместо одного компьютера составить локальную сеть (рис. 3.5). В таком случае мы получаем целую сеть для небольшого офиса на одной ADSL.

Такой подход к использованию ADSL обещает большие перспективы этой технологии. Например, небольшая компания снимает новый офис и традици­онно задается вопросом, каким образом обеспечить связь с внешним миром. Если офисное помещение было до этого квартирой, то в ней есть только один телефон. И вот тогда на помощь может прийти решение по ADSL. Достаточно подключиться к единственной паре ADSL, как в офисе появятся необходимое количество телефонов и достаточно широкая «труба» в Интернет.

https://pandia.ru/text/78/444/images/image006_42.gif" width="534" height="418">

Рис.3.6. Интегральная сеть широкополосного доступа и место ADSL в ней

уровень адаптации ATM - AAL2, пакеты данных также преобразуются в поток ячеек ATM (уровень адаптации AAL5). Иными словами, IAD выполняет задачу мультиплексирования по­токов речи и данных в виртуальные каналы (VC) для передачи по линии DSL, а также функции моста или маршрутизатора трафика локальных сетей Ethernet, одновременно поддерживая достаточное количество речевых соединений.

Уже сейчас применение IAD для создания корпоративных сетей очень по-

пулярно в рамках проектов массового внедрения ADSL в Москве и С-Петербурге. По мере развития «интернетизации» малого и среднего бизнеса и се­тей ADSL предлагаемая схема использования будет и далее находить своих клиентов.

Библиография

1. Бакланов ADSL/ADSL2+: теория и практика применения.-М.: Метротек,2007.

Контрольные вопросы

Перечислите факторы влияющие на параметры качества ADSL. Как влияют на параметры качества ADSL оконечные устройства и DSLAM. Перечислите и охарактеризуйте базовые параметры абонентского кабеля. Перечислите и охарактеризуйте специализированные параметры кабеля. Как влияют неоднородности в кабеле на ADSL. Как влияет параллельная отпайка в кабеле на параметры передачи ADSL. Охарактеризуйте термины «переходные помехи и переходное затухание». Изобразите схему возникновения переходных помех. Назовите и охарактеризуйте параметры переходных помех. Назовите наиболее важные типы переходных помех. Изобразите схему индивидуального подключения абонента ADSL. Изобразите схема организации услуги VoDSL. Изобразите схему коллективного подключения к ADSL. Что такое IAD и какие функции он выполняет. Изобразите интегральную сеть широкополосного доступа и место ADSL в ней

Характеристики линий связи можно разделить на две группы:

• параметры распространения характеризуют процесс распространения полезного сигнала в зависимости от собственных параметров линии, например погонной индуктивности медного кабеля;
• параметры влияния описывают степень влияния на полезный сигнал других сигналов - внешних помех, наводок от других пар проводников в медном кабеле.

В свою очередь, в каждой из этих групп можно выделить первичные и вторичные параметры. Первичные - характеризуют физическую природу линии связи: например, погонное активное сопротивление, погонную индуктивность, погонную емкость и погонную проводимость изоляции медного кабеля или зависимость коэффициента преломления оптического волокна от расстояния от оптической оси. Вторичные параметры выражают некоторый обобщенный результат процесса распространения сигнала по линии связи и не зависят от ее природы - например, степень ослабления мощности сигнала при прохождении им определенного расстояния вдоль линии связи, так называемое затухание сигнала. Для медных кабелей не менее важен и такой вторичный параметр влияния, как степень ослабления помехи от соседней витой пары.

Вторичные параметры определяются по отклику линии передачи на некоторые эталонные воздействия. Подобный подход позволяет достаточно просто и однотипно определять характеристики линий связи любой природы, не прибегая к сложным теоретическим исследованиям и построению аналитических моделей. Для исследования реакции линий связи чаще всего в качестве эталонных используются синусоидальные сигналы различных частот.

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИГНАЛОВ НА ЛИНИЯХ СВЯЗИ

Любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд (см. Рисунок 1). Каждую составляющую синусоиду называют также гармоникой, а набор всех гармоник - спектральным разложением исходного сигнала. Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла синусоидальных сигналов с непрерывным спектром частот.

При передаче по линии связи форма сигнала искажается вследствие неодинаковой деформации синусоид различных частот. Если это аналоговый сигнал, передающий речь, то изменяется тембр голоса вследствие неточного воспроизведения обертонов - боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму (см. Рисунок 2). Поэтому на приемном конце линии сигналы могут плохо распознаваться.

При передаче по линии связи сигналы искажаются из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных. Так, например, медные провода всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки. В результате для синусоид различных частот линия будет обладать различным полным сопротивлением, а значит, и передаваться они будут по-разному. Волоконно-оптический кабель также имеет отклонения от идеальной среды для передачи света - вакуума. Если линия связи включает промежуточную аппаратуру, то и она может вносить дополнительные искажения.

Не только неоднородность внутренних физических параметров линии связи становится причиной неточных сигналов, свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии вносят и внешние помехи. Их создают различные электрические двигатели, электронные устройства, атмосферные явления и т. д. Несмотря на защитные меры, предпринимаемые разработчиками кабелей и усилительно-коммутирующей аппаратуры, полностью компенсировать влияние внешних помех не удается. Кроме того, в кабеле существуют и внутренние помехи - так называемые наводки одной пары проводников на другую. В результате сигналы на выходе линии связи обычно имеют сложную форму (как это и показано на Рисунке 2), по которой иногда трудно понять, какая дискретная информация была подана на вход линии.

Качество исходных сигналов (крутизна фронтов, общая форма импульсов) зависит от качества передатчика, генерирующего сигналы в линию связи. Одна из самых важных характеристик передатчика - спектральная, т.е. спектральное разложение генерируемых им сигналов. Для генерации качественных прямоугольных импульсов необходимо, чтобы спектральная характеристика передатчика представляла собой как можно более узкую полосу. Например, лазерные диоды имеют значительно меньшую ширину спектра излучения (1-2 нм) по сравнению со светодиодами (30-50 нм) при генерации импульсов, поэтому частота модуляции лазерных диодов может быть намного выше, чем светодиодов.

ЗАТУХАНИЕ И ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается с помощью таких характеристик, как затухание и полоса пропускания.

Затухание показывает, насколько уменьшается мощность эталонного синусоидального сигнала на выходе линии связи по отношению к мощности сигнала на входе этой линии. Затухание А обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по следующей формуле:

А = 10 lg Р вых /Р вх ,

где P вых - мощность сигнала на выходе линии, а Р вх - мощность сигнала на ее входе.

При отсутствии промежуточных усилителей мощность выходного сигнала кабеля всегда меньше мощности входного, поэтому затухание кабеля, как правило, имеет отрицательную величину.

Степень затухания мощности синусоидального сигнала при прохождении им по линии связи обычно зависит от частоты синусоиды, поэтому полную характеристику дает лишь зависимость затухания от частоты во всем диапазоне, используемом на практике (Рисунок 3).

Рисунок 3. Зависимость затухания от частоты.

Затухание представляет собой обобщенную характеристику линии связи, так как позволяет судить не о точной форме сигнала, а о его мощности (интегральной результирующей от формы сигнала). На практике затухание является важным атрибутом описания линий связи: в частности, в стандартах на кабель этот параметр считается одним из основных.

Чаще всего при описании параметров линии связи приводятся значения затухания всего в нескольких точках общей зависимости, при этом каждая из них соответствует определенной частоте, на которой измеряется затухание. Отдельное значение затухания называют коэффициентом затухания. Применение всего нескольких значений вместо полной характеристики связано, с одной стороны, со стремлением упростить измерения при проверке качества линии, а с другой, основная частота передаваемого сигнала часто заранее известна - это та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать уровень затухания на данной частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на различных частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.

Чем меньше затухание, тем выше качество линии связи или кабеля, по которому она проложена. Обычно затухание определяют для пассивных участков линии связи, состоящих из кабелей и кроссовых секций, без усилителей и регенераторов. Например, кабель с витыми парами Категории 5 для внутренней проводки в зданиях, применяемой практически для всех технологий локальных сетей, характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м.

Частота 100 МГц выбрана потому, что кабель этой категории предназначен для высокоскоростной передачи данных, чьи сигналы имеют значимые гармоники с частотой примерно 100 МГц. Более качественный кабель Категории 6 уже имеет на частоте 100 МГц затухание не ниже -20,6 дБ, т. е. мощность сигнала снижается в меньшей степени. Часто в документации приводятся абсолютные значения затухания, т. е. его знак опускается, так как затухание всегда отрицательно для пассивного, не содержащего усилители и регенераторы, участка линии, например непрерывного кабеля.

Оптический кабель отличается существенно более низкими (по абсолютной величине) размерами затухания, обычно в диапазоне от 0,2 до 3 дБ при длине кабеля в 1000 м. Практически всем оптическим волокнам свойственна сложная зависимость затухания от длины волны, с тремя так называемыми «окнами прозрачности». Характерный пример показан на Рисунке 4. Как можно видеть, область эффективного использования современных волокон ограничена волнами длин 850, 1300 и 1550 нм, при этом окно в 1550 нм обеспечивает наименьшие потери, а значит, максимальную дальность при фиксированной мощности передатчика и фиксированной чувствительности приемника. Выпускаемый многомодовый кабель обладает двумя первыми окнами прозрачности, т. е. 850 и 1300 нм, а одномодовый кабель - двумя окнами прозрачности в диапазонах 1310 и 1550 нм.

Мощность передатчика часто характеризуется абсолютным уровнем мощности сигнала. Уровень мощности, как и затухание, измеряется в децибелах. При этом в качестве базового принимается значение в 1 мВт. Таким образом, уровень мощности p вычисляется по следующей формуле:

P = 10 lg P/1 мВт [дБм],

где P - мощность сигнала в милливаттах, а дБм - единица измерения уровня мощности (дБ на 1 мВт).

Важным вторичным параметром распространения медной линии связи является ее волновое сопротивление. Этот параметр представляет собой полное (комплексное) сопротивление, которое электромагнитная волна определенной частоты встречает при распространении вдоль однородной цепи. Волновое сопротивление измеряется в Омах и зависит от таких первичных параметров линии связи, как активное сопротивление, погонная индуктивность и погонная емкость, а также от частоты самого сигнала. Выходное сопротивление передатчика должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии, иначе затухание сигнала будет чрезмерно большим.

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ

Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех со стороны внешней среды или проводников самого кабеля. Она зависит от типа используемой физической среды, от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной - волоконно-оптические, малочувствительные к внешнему электромагнитному излучению. Обычно уменьшения помех от внешних электромагнитных полей добиваются экранированием и/или скручиванием проводников. Величины, характеризующие помехоустойчивость, относятся к параметрам влияния линии связи.

Первичные параметры влияния медного кабеля - электрическая и магнитная связи. Электрическая связь определяется отношением наведенного тока в цепи, подверженной влиянию, к напряжению, действующему во влияющей цепи. Магнитная связь - это отношение электродвижущей силы, наведенной в цепи, подверженной влиянию, к току во влияющей цепи. Результатом электрической и магнитной связи будут наведенные сигналы (наводки) в цепи, подверженной влиянию. Устойчивость кабеля к наводкам характеризуется несколькими различными параметрами.

Переходное затухание на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT) определяет устойчивость кабеля в том случае, когда наводка образуется в результате действия сигнала, генерируемого передатчиком, подключенным к одной из соседних пар на том же конце кабеля, на котором работает подключенный к подверженной влиянию паре приемник. Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен 10 lg Pвых/Pнав, где Pвых - мощность выходного сигнала, Pнав - мощность наведенного сигнала. Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Так, для витой пары Категории 5 показатель NEXT должен быть лучше -27 дБ на частоте 100 МГц.

Переходное затухание на дальнем конце (Far End Cross Talk, FEXT) описывает устойчивость кабеля к наводкам для случая, когда передатчик и приемник подключены к разным концам кабеля. Очевидно, что этот показатель должен быть лучше, чем NEXT, так как до дальнего конца кабеля сигнал приходит ослабленный вследствие затухания в каждой паре.

Показатели NEXT и FEXT обычно используются применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, когда взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для одинарного коаксиального кабеля (т. е. состоящего из одной экранированной жилы) подобный показатель не имеет смысла, не применяется он и для двойного коаксиального кабеля вследствие высокой степени защищенности каждой жилы. Оптические волокна также не создают сколько-нибудь заметных помех друг для друга.

В связи с тем, что в некоторых новых технологиях передача данных осуществляется одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стали применяться суммарные показатели (PowerSUM, PS) - PS NEXT и PS FEXT. Они отражают устойчивость кабеля к суммарной мощности перекрестных наводок на одну из пар кабеля от всех остальных передающих пар.

Весьма важной характеристикой передающей среды является показатель защищенности кабеля (ACR), представляющий собой разность между уровнями полезного сигнала и помех. Чем больше это значение, тем с потенциально более высокой скоростью можно передавать данные по указанному кабелю.

ДОСТОВЕРНОСТЬ

Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate, BER). Величина BER для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило, 10-4-10-6, а в волоконно-оптических линиях связи - 10-9. Значение достоверности передачи данных, например в 10-4, говорит о том, что в среднем из 10000 бит неправильно интерпретируется значение одного бита.

Битовые ошибки происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы сигнала вследствие ограниченной полосы пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а также использовать линии связи с более широкой полосой рабочих частот.

ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ

Полоса пропускания - еще одна вторичная характеристика. С одной стороны, она непосредственно зависит от затухания, а с другой - прямо влияет на такой важнейший показатель линии связи, как максимально возможная скорость передачи информации.

Полоса пропускания (bandwidth) - это непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает заранее заданный определенный предел. Иными словами, полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений (часто за граничные принимаются частоты, где мощность выходного сигнала уменьшается в два раза по отношению к входному, что соответствует затуханию в -3 дБ). Как мы увидим ниже, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи.

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.

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Пропускная способность (количество бит информации, передаваемых в единицу времени) и достоверность передачи данных (вероятность доставки неискаженного бита или же вероятность его искажения) интересуют разработчиков компьютерной сети в первую очередь, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети.

Пропускная способность и достоверность передачи данных зависят как от характеристик физической среды, так и от способа передачи данных. Следовательно, нельзя говорить о пропускной способности линии связи до определения протокола физического уровня. Пропускная способность (throughput) линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Она измеряется в битах в секунду (бит/c), а также в производных единицах - килобит в секунду (Кбит/c), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.

Пропускная способность линий связи и коммуникационного сетевого оборудования традиционно измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно, т. е. побитно, а не параллельно, байтами, как это происходит между устройствами внутри компьютера. Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням 10 (т. е. килобит - это 1000 бит, а мегабит - это 1000000 бит), как это принято во всех отраслях науки и техники, а не близким к этим числам степеням 2, как это принято в программировании, где приставка «кило» равна 210 = 1024, а «мега» - 220 = 1 048 576.

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, например от затухания и полосы пропускания, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (т. е. те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) не выходят за полосу пропускания линии, такой сигнал будет хорошо передаваться, и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком. Если же значимые гармоники выходят за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал станет значительно искажаться, приемник - ошибаться при распознавании информации, а сама информация в конечном итоге не сможет передаваться с заданной пропускной способностью.

СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Выбор способа представления дискретной информации в виде подаваемых на линию связи сигналов называется физическим, или линейным, кодированием.

От выбранного способа кодирования зависят спектр сигналов и пропускная способность линии. Итак, разным способам кодирования может соответствовать разная пропускная способность. Например, витая пара Категории 3 способна передавать данные с пропускной способностью 10 Мбит/c при способе кодирования стандарта физического уровня 10BaseT и 33 Мбит/с при способе кодирования стандарта 100BaseT4.

Согласно теории информации, информацию несет лишь различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала. Таким образом, прием синусоиды, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации не несет, так как изменение сигнала хотя и происходит, но легко предсказуемо. Аналогично, импульсы на тактовой шине компьютера не несут в себе информации, так как их изменения постоянны во времени. А вот импульсы на шине данных предсказать заранее нельзя, поэтому они переносят информацию между отдельными блоками или устройствами компьютера.

Большинство способов кодирования использует 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 применяется синусоида.

Если сигнал изменяется так, что различаются только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации - биту. Если же сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение содержит несколько бит информации.

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (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.

Когда у сигнала более двух различимых состояний, пропускная способность в битах в секунду окажется выше, чем число бод. Например, если информационными параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды (причем различаются четыре состояния фазы - в 00, 900, 1800 и 2700 и два значения амплитуды сигнала), то информационный сигнал может иметь восемь различимых состояний. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (с тактовой частотой 2400 Гц), передает информацию со скоростью 7200 бит/с, так как при одном изменении сигнала передается три бита информации.

При использовании сигналов с двумя различимыми состояниями возможна обратная картина. Это часто происходит потому, что для надежного распознавания приемником пользовательской информации каждый бит в последовательности кодируется с помощью нескольких изменений информационного параметра несущего сигнала. Например, при кодировании единичного значения бит импульсом положительной полярности, а нулевого значения бит - импульсом отрицательной полярности физический сигнал дважды изменяет свое состояние при передаче каждого бит. При таком кодировании пропускная способность линии в два раза ниже, чем число бод, передаваемое по линии.

На пропускную способность линии оказывает влияние не только физическое, но и логическое кодирование. Выполняемое до физического кодирования, оно подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей, кроме этого, дополнительными свойствами, в частности возможностью для приемной стороны обнаруживать ошибки в принятых данных. Сопровождение каждого байта исходной информации одним битом четности - очень часто применяемый способ логического кодирования при передаче данных с помощью модемов. Другим примером логического кодирования может служить шифрация данных, обеспечивающая их конфиденциальность при передаче через общедоступные каналы связи. При логическом кодировании чаще всего исходная последовательность бит заменяется более длинной последовательностью, поэтому пропускная способность канала по отношению к полезной информации при этом уменьшается.

Наталья Олифер - обозреватель «Журнала сетевых решений/LAN». С ней можно связаться по адресу: [email protected] . Виктор Олифер - главный специалист «Корпорации Юни». С ним можно связаться по адресу:

В некоторых помимо вынесения решения о виде принятого единичного элемента («1» или «0») одновременно оценивается и качество принятого решения, т. е. путем контроля сигнала определяется условная вероятность неправильного (Н) приема где - вектор параметров контролируемого сигнала. При где к - порог, зависящий от требуемой вероятности необнаружения ошибки, выдается сигнал стирания. Этот сигнал может служить сигналом отказа от принятого решения или просто меткой, говорящей о том, что принятый элемент ненадежен. Отказ от принятого решения (стирание) в сомнительной ситуации является эффективным средством уменьшения числа неправильных решений. На последующих ступенях обработки сигнала и, в частности, при декодировании в УЗО стертые элементы могут быть восстановлены. Как известно , процедура восстановления стертых элементов значительно проще процедуры исправления ошибок и любой корректирующий код может существенно больше восстановить стираний, чем исправить ошибок.

Оценку качества принимаемых сигналов осуществляет ДКС. Все многообразие типов ДКС можно свести к нескольким основным видам, выделив типовые узлы:

1. Устройства, осуществляющие контроль уровня сигнала или его формы в различных точках приемного тракта (контроль до демодулятора, после демодулятора и т. д.). Контроль может производиться в одной или одновременно в нескольких точках приемного тракта.

2 Устройства, выполняющие контроль отдельных параметров принимаемого сигнала с их выделением путем дополнительной обработки сигнала

3. Устройства контроля совокупности параметров принимаемого сигнала.

Рис. 6.71 Детектор качества сигналов с перестраиваемым порогом

Рис. 6.72. Структурная схема ДКС с выделенном контролируемого параметра

Контролируя качество сигнала на интервале анализа (чаще всего равном то), обычно исходят из того, что все необходимые сведения о канале заданы. На практике, как правило, такими сведениями при контроле качества элемента сигнала мы не располагаем. В этой связи задача оценки качества сигнала должна решаться в два этапа. На первом этапе - этапе обучения - определяются требуемые для выставления порога К характеристики канала связи. По результатам оценки качества канала выносится заключение о качестве сигнала. Такое решение позволяет обеспечить заданные характеристики ДКС при переходе с одного канала связи на другой, а также в случае нестационарности канала связи. Устройство, осуществляющее оценку качества канала, назовем детектором качества канала ДКК- Результаты оценки качества канала используются для выставления порога ДКС. Таким образом, детектор качества сигнала с перестраиваемым порогом ДКСП должен содержать ДКС и ДКК (рис. 6.71). Ниже будут рассмотрены принципы построения ДКСП для каналов, в которых действует систематическая помеха. К такого рода помехам можно отнести, в частности, межсимвольную помеху, которая проявляет себя при работе с высокими удельными скоростями, сказываясь при неудачном выборе порога стирания на вероятности стирания и, следовательно, на пропускной способности канала

На рис. 6.72 приведена структурная схема ДКС, осуществляющего контроль одного параметра. Рассмотрим назначение отдельных блоков ДКС Согласующее устройство СУ предназначено для согласования сопротивления в точке подключения ДКС с входным сопротивлением ДКС, а также в случае необходимости для изменения уровня или мощности сигнала. Устройство преобразования параметров УПП предназначено для выделения измеряемого параметра. Измерительное устройство ИУ предназначено для нелинейного преобразования принятого сигнала в «1», если условная вероятность неправильного приема выше заданной, и если условная вероятность неправильного приема ниже заданной. Датчик опорного сигнала ДОС предназначен для формирования опорного (эталонного) сигнала, необходимого для работы ИУ. Этим датчиком задается то значение апостериорной вероятности неправильного приема сигнала, превышение которого должно сопровождаться стиранием.

Рис. 6.73. Структурная схема ДКС с контролем параметра по максимуму и минимуму

Рис. 6.74 Структурная схема ДКС при независимом контроле нескольких параметров

Выходное устройство ВУ предназначено для согласования сопротивлений, уровня, мощности или длительности сигнала на выходе ИУ с соответствующими сопротивлением, уровнем, мощностью или длительностью сигнала, необходимого для дальнейшего использования

Иногда под измерением параметра подразумевается определение того, находится или нет параметр сигнала в определенной зоне, ограниченной максимальным и минимальным значениями. Примером такого контроля может служить контроль уровня по максимуму и минимуму, когда сигнал стирания выдается, если уровень окажется ниже некоторого заданного уровня и выше, чем итах. Для этого случая структурная схема измерителя представлена на рис. 6.73.

Рис. 6.75. Структурная схема ДКС с контролем совокупности параметров

Здесь УОСС - устройство объединения сигналов стирания, которые выдаются и . При этом выдает сигнал стирания при иитах, а - при Если же то сигнал стирания не выдается.

При слежении за параметрами сигнала возможны две разновидности построения структурной схемы:

каждый параметр контролируется раздельно, а результаты контроля объединяются (рис. 6.74) ;

параметры контролируются совместно, т. е. предварительно объединяются по какому-либо закону. Тогда структурная схема примет вид, представленный на рис. 6.75. Здесь УОП - устройство объединения параметров - предназначено для объединения сигналов у, в сигнал