Канал в котором для каждого передаваемого сообщения задана вероятность
Перейти к содержимому

Канал в котором для каждого передаваемого сообщения задана вероятность

  • автор:

Лекция 9. Каналы связи. Ёмкость канала связи.

Информационный канал
Канал информационный — это совокупность устройств, объеди ненных линиями связи, предназначенных для передачи информации от источника информации (начального устройства канала) до ее прием ника (конечного устройства канала).
Линии связи обеспечивают прохождение информационных сигна лов между устройствами канала. Информация обычно передается при помощи электрического тока (по проводам), света (по оптоволокну), электромагнитных волн радиодиапазона (в пространстве) и, редко, зву ка (в плотной среде: атмосфере, воде и т.п.) и прочих.

Устройства канала — это, как правило, репитеры, просто пере дающие усиленным принятый сигнал (пример, радиорелейные линии).
К устройствам канала иногда относят и кодеры/декодеры, но в только тех случаях, когда кодирование/декодирование происходит с высокой скоростью, не требующей ее специального учета, как замедляющего фактора; обычно же кодеры/декодеры относят к источникам или при емникам информации.
Технические характеристики канала определяются принципом действия входящих в него устройств, видом сигнала, свойствами и со ставом физической среды, в которой распространяются сигналы, свой ствами применяемого кода.

Эффективность канала характеризуется скоростью и достоверно стью передачи информации, надежностью работы устройств и задерж кой сигнала во времени.

Задержка сигнала во времени — это интервал времени от отправ ки сигнала передатчиком до его приема приемником. Математически канал задается множеством допустимых сообще ний на входе, множеством допустимых сообщений на выходе и набо ром условных вероятностей P(y/x) получения сигнала y на выходе при входном сигнале x. Условные вероятности описывают статистические
свойства “шумов” (или помех), искажающих сигнал в процессе пере дачи. В случае, когда P(y/x) = 1 при y = x и P(y/x) = 0 при y ≠ x, канал называется каналом без “шумов”. В соответствии со структурой входных и выходных сигналов выделяют дискретные и непрерывные каналы. В дискретных каналах сигналы на входе и выходе представля ют собой последовательность символов одного или двух (по одному для входа и выхода) алфавитов. В непрерывных каналах входной и выход ной сигналы представляют собой функции от непрерывного параметра- времени. Бывают также смешанные или гибридные каналы, но тогда обычно рассматривают их дискретные и непрерывные компоненты раз дельно. Далее рассматриваются только дискретные каналы.

Способность канала передавать информацию характеризуется чис лом — пропускной способностью или емкостью канала (обозначение — C).

Для случая канала без шума формула расчета емкости канала име ет вид

где N(T) — число всех возможных сигналов за время T.

Пример. Пусть алфавит канала без “шумов” состоит из двух симво лов — 0 и 1, длительность τ секунд каждый. За время T успеет пройти n = T/ τ сигналов, всего возможны 2 n различных сообщений длиной n.

В этом случае

рис. 7 Схема, на которой изображен процесс прохо ждения информации по каналу с описанными в примере характеристи ками.

Здесь для кодирования используется уровень сигнала: низкий для 0 и высокий для 1. Недостатки этого способа проявляются в случаях, когда нужно передавать много сплошных нулей или единиц. Малей шее рассогласование синхронизации между приемником и передатчи ком приводит тогда к неисправимым ошибкам. Кроме того, многие но сители информации, в частности, магнитные, не могут поддерживать длительный постоянный уровень сигнала.

Для передачи информации используется обычно другой способ, ко гда для представления 0 и 1 используются две разные частоты, от личающиеся друг от друга ровно в два раза (см. рис. 8) — это так
называемая частотная модуляция (ЧМ или FM).

Рис. 8
Таким образом, при таком кодировании, если сигнал 1 имеет дли тельность τ , то 0 — 2 τ .
Рассчитаем емкость этого канала. Нужно рассчитать N(T). Пусть n = T/ τ , тогда получается, что нужно рассчитать сколькими способа ми можно разбить отрезок длины n отрезками длины 2 и 1. Получаем,
что N(T) = Sn = C n n + C n−2 n-1 + C n−4 n−2 + · · ·, где первое слагаемое — это количество способов, которыми можно разбить отрезок длины n n отрезками длины 1, второе слагаемое — это количество способов, ко торыми можно разбить отрезок длины n (n − 2) отрезками длины 1 и одним отрезком длины 2, третье слагаемое — это количество способов, которыми можно разбить отрезок длины n (n − 4) отрезками длины 1 и двумя отрезками длины 2 и т.д. Таким образом, S1 = 1. Вследствие того, что C k m + C k+1 m = C k+1 m+1 для любых k < m, получается, что
gdfd,
т. е. Sn+1 = Sn + Sn−1 при n > 1. Если положить, что S0 = 1, то S0, S1, . . . — это последовательность 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, . . ., т.е. чис ла Фибоначчи. C XIX века для вычисления n-го члена последователь ности Фибоначчи известна формула
xvvvvv
Таким образом, бод.

При использовании частотной модуляции на практике нули, как правило, кодируются в два раза плотнее. Это достигается тем, что учитываются не уровни сигнала, а смена уровня (полярности). Если частота ν соответствует 1, то с частотой 2 ν производится проверка уровня сигнала. Если он меняется, то это сигнал 1, если нет, то — 0.

На практике частота ν — это частота синхронизации, т.е. частота им пульса, который независимо от данных меняет полярность сигнала. 0 не генерирует импульса смены полярности, а 1 генерирует (см. рис. 9).

adsf

Для записи информации на первые магнитные диски и ленты ис пользовался метод FM. На гибкие диски 5.25” и 3.5” информация за писывается методом MFM (Modified FM) — модификацией метода FM, позволяющей в 2 раза повысить плотность записи. Это достигается тем, что частота синхронизации увеличивается вдвое. MFM можно ис пользовать с теми же физическими каналами, что и FM, потому что импульсы синхронизации не передаются перед 1 и первым 0 в серии нулей (см. рис. 10).

dgdsg

Рис. 10

Метод записи с групповым кодированием, RLL — Run Limited Length, не использует импульсы синхронизации, применяется, в част ности, в жестких дисках “винчестер” и существует в нескольких разно видностях. Одна из них основана на замене тетрад байта на 5-битные группы. Эти группы подбираются таким образом, чтобы при передаче данных нули не встречались подряд более двух раз, что делает код са мосинхронизирующимся.

Например, тетрада 0000 заменяется группой бит 11001, тетрада 1000 — 11010, тетрада 0001 — 11011, тетрада 1111 —01111 (см. рис. 11). Существуют разновидности RLL, в которых заме няются последовательности бит различной длины. Кодирование MFM или FM можно представить как частный случай RLL.

fdsf

Рис. 11

При необходимости передачи записанных с помощью некоторого кода сообщений по данному каналу приходиться преобразовывать эти сообщения в допустимые сигналы канала, т. е. производить надлежа щее кодирование, а при приеме данных — декодирование. Кодирование целесообразно производить так, чтобы среднее время, затрачиваемое на передачу, было как можно меньше. Получается, что исходному входно му алфавиту нужно однозначно сопоставить новый алфавит, обеспечи вающий большую скорость передачи.

Следующий, основной факт теории передачи информации или ос новная теорема о кодировании при наличии помех позволяет при зна нии емкости канала и энтропии передатчика вычислить максимальную скорость передачи данных в канале.

Теорема Шеннона. Пусть источник характеризуется д.с.в. X. Рас сматривается канал с шумом, т.е. для каждого передаваемого сообще ния задана вероятность ε его искажения в процессе передачи (вероят ность ошибки). Тогда существует такая скорость передачи u, завися щая только от X, что ∀ ε > 0 ∃u < u сколь угодно близкая к u такая, что существует способ передавать значения X со скоростью u и с ве роятностью ошибки меньшей ε , причем

Упомянутый способ образует помехоустойчивый код.

Кроме того, Фэно доказана следующая обратная теорема о кодировании при наличии помех. Для u > u можно найти такое поло жительное число «, что в случае передачи информации по линии связи со скоростью u0 вероятность ошибки » передачи каждого символа сооб щения при любом методе кодирования и декодирования будет не меньше ε ( ε очевидно растет вслед за ростом u0).

Канал связи в теории информации

Информационные технологии

Кана́л свя́зи в теории информации , математическая модель устройства, предназначенного для передачи информации . Теория информации отвлекается от конкретной природы таких устройств, подобно тому как геометрия изучает геометрические фигуры и тела, отвлекаясь от материала, из которого они изготовлены. Различные конкретные системы связи рассматриваются только с точки зрения количества информации, которое может быть надёжно передано с их помощью. В теории информации канал связи задаётся множеством < x >\ < x >допустимых сообщений ( сигналов ) на входе, множеством < y >\ < y >сообщений (сигналов) на выходе и набором условных вероятностей p ( y ∣ x ) p(y∣x) p ( y ∣ x ) получения сигнала y y y на выходе при входном сигнале x x x . Эти условные вероятности описывают статистические свойства шумов ( помех ), искажающих сигналы в процессе передачи. В случае когда p ( y ∣ x ) = 1 p(y∣x)=1 p ( y ∣ x ) = 1 при y = x y=x y = x для всех x ∈ < x >, x∈\, x ∈ < x >, канал связи называется каналом без шумов. В соответствии со структурой входных и выходных сигналов выделяют дискретные и непрерывные каналы связи. В дискретных каналах связи сигналы на входе и на выходе представляют собой последовательности букв из одного и того же или различных алфавитов. В непрерывных каналах связи входной и выходной сигналы суть функции непрерывного параметра, который обычно является временем. Возможны также смешанные случаи, но обычно предпочитают рассматривать один из двух указанных случаев.

Способность канала связи передавать информацию характеризуется некоторым числом – пропускной способностью (ёмкостью) канала, которая определяется как максимальное количество информации относительно сигнала на входе, содержащееся в сигнале на выходе (в расчёте на единицу времени). Точнее, пусть входной сигнал X X X принимает значения x ∈ < x >x∈\ x ∈ < x >с вероятностями p ( x ) . p(x). p ( x ) . Тогда по формулам теории вероятностей можно рассчитать как вероятности q ( y ) q(y) q ( y ) того, что сигнал Y Y Y на выходе примет значение y , y, y , q ( y ) = ∑ x p ( x ) p ( y ∣ x ) , q(y)=\sum_xp(x)p(y|x), q ( y ) = ∑ x ​ p ( x ) p ( y ∣ x ) , так и вероятности p ( x , y ) p(x, y) p ( x , y ) совмещения событий X = x , X=x, X = x , Y = y , Y=y, Y = y , p ( x , y ) = p ( x ) p ( y ∣ x ) . p(x, y)=p(x)p(y|x). p ( x , y ) = p ( x ) p ( y ∣ x ) . По этим величинам вычисляется количество информации I ( Y , X ) = I ( X , Y ) = ∑ x , y p ( x , y ) log ⁡ 2 p ( x , y ) p ( x ) q ( y ) I(Y, X)=I(X, Y)=\sum_p(x, y)\log_2\frac I ( Y , X ) = I ( X , Y ) = x , y ∑ ​ p ( x , y ) lo g 2 ​ p ( x ) q ( y ) p ( x , y ) ​ и его среднее значение на единицу времени R = lim ⁡ T → ∞ 1 T I ( Y , X ) , R=\lim_\fracI(Y, X), R = T → ∞ lim ​ T 1 ​ I ( Y , X ) , где T T T – длительность передачи сигнала X . X. X . Верхняя граница C C C величин R , R, R , взятая по всем источникам сообщений на входе, называется пропускной способностью канала связи. Вычисление пропускной способности, подобно вычислению энтропии , легче в дискретном случае и сложнее в непрерывном, где оно основывается на теории стационарных случайных процессов .

В теории информации устанавливается, что в случае дискретного канала связи без шумов общее определение пропускной способности C C C равносильно следующему: C = lim ⁡ T → ∞ log ⁡ 2 N ( T ) T , C=\lim_\frac<\log_2N(T)>, C = T → ∞ lim ​ T lo g 2 ​ N ( T ) ​ , где N ( T ) N(T) N ( T ) – число допустимых сигналов длительности T . T. T .

Пример 1. Пусть входной алфавит канала связи без шумов состоит из символов (букв) 0 0 0 и 1 , 1, 1 , передача каждого из которых занимает τ \textτ τ секунд. Допустимые сигналы длительностью T = n τ T=n\textτ T = n τ представляются последовательностями длины n n n символов 0 0 0 и 1. 1. 1. Их число N ( T ) = 2 n . N(T)=2^n. N ( T ) = 2 n . В этом случае C = lim ⁡ T → ∞ log ⁡ 2 N ( T ) T = lim ⁡ n → ∞ n n τ = 1 τ (двоичные ед./с). C=\lim_\frac<\log_2N(T)>=\lim_\frac=\frac\text <(двоичные ед./с).>C = T → ∞ lim ​ T lo g 2 ​ N ( T ) ​ = n → ∞ lim ​ n τ n ​ = τ 1 ​ ( двоичные ед ./ с ). Пример 2. Пусть символы 0 0 0 и 1 1 1 передаются за τ \textτ τ и 2 τ 2\textτ 2 τ секунд соответственно. Здесь допустимых сигналов длительностью T = n τ T=n\textτ T = n τ будет меньше, чем в примере 1. Так, при n = 3 n=3 n = 3 их будет всего 3 (вместо 8). Можно подсчитать, что C = 1 τ log ⁡ 2 ( 5 + 1 2 ) ≈ 0 , 7 τ (двоичные ед./с). C=\frac\log_2 \left(\frac+1>\right)\approx\frac7>\text <(двоичные ед./с).>C = τ 1 ​ lo g 2 ​ ( 2 5

​ + 1 ​ ) ≈ τ 0 , 7 ​ ( двоичные ед ./ с ). При необходимости передачи сообщений по данному каналу связи приходится преобразовывать эти сообщения в допустимые сигналы канала связи, т. е. производить надлежащее кодирование . После передачи необходимо произвести операцию декодирования, т. е. операцию обратного преобразования сигналов в сообщения. Кодирование целесообразно производить так, чтобы среднее время, затрачиваемое на передачу, было возможно меньше. При одинаковой длительности передачи символов на входе канала связи это означает, что для кодирования сообщений надо выбирать наиболее экономный код с алфавитом, совпадающим со входным алфавитом канала связи. При процедуре согласования источника с каналом связи возникает специфическое явление задержки (запаздывания), которое может пояснить следующий пример.

Пример 3. Пусть источник сообщений посылает независимо друг от друга через промежутки времени длины 1 / v 1/v 1/ v (т. е. со скоростью v v v ) символы x x x (буквы сообщения), принимающие значения x 1 , x 2 , x 3 , x 4 x_1, x_2, x_3, x_4 x 1 ​ , x 2 ​ , x 3 ​ , x 4 ​ с вероятностями, равными соответственно 1 / 2 , 1 / 4 , 1 / 8 , 1 / 8. 1/2, 1/4, 1/8, 1/8. 1/2 , 1/4 , 1/8 , 1/8. Пусть канал связи без шумов такой же, как в примере 1, и кодирование осуществляется мгновенно. Полученный сигнал или передаётся по каналу связи, если последний свободен, или ожидает (помещается в память) до тех пор, пока канал связи не освободится. Если выбран, например, код x 1 = 00 , x_1=00, x 1 ​ = 00 , x 2 = 01 , x_2=01, x 2 ​ = 01 , x 3 = 10 , x_3=10, x 3 ​ = 10 , x 4 = 11 x_4=11 x 4 ​ = 11 и v ⩽ τ / 2 v⩽\textτ/2 v ⩽ τ /2 ( ( ( т. е. 1 / v ⩾ 2 τ ) , 1/v⩾2\textτ), 1/ v ⩾ 2 τ ) , то за время между появлением двух последовательных значений x x x кодовое обозначение первого из них успевает передаться и канал связи освобождается. Таким образом, здесь между появлением какой-либо буквы сообщения и передачей её кодового обозначения по каналу связи проходит промежуток времени 2 τ . 2\textτ. 2 τ . Если v > τ / 2 , v>\textτ/2, v > τ /2 , то n n n -я буква сообщения появляется в момент ( n − 1 ) / v (n-1)/v ( n − 1 ) / v и её кодовое обозначение будет передано по каналу в момент 2 n τ . 2n\textτ. 2 n τ . Промежуток времени между появлением n n n -й буквы сообщения и моментом её получения после декодирования переданного сигнала будет больше, чем n ( 2 τ − 1 / v ) , n(2\textτ-1/v), n ( 2 τ − 1/ v ) , эта величина стремится к бесконечности при n → ∞ , n→∞, n → ∞ , т. е. в этом случае передача будет вестись с неограниченным запаздыванием. Поэтому для возможности передачи без неограниченного запаздывания при данном коде необходимо и достаточно выполнение условия v ⩽ τ / 2. v⩽\textτ/2. v ⩽ τ /2. Выбором более удачного кода можно увеличить скорость передачи, сделав её сколь угодно близкой к пропускной способности канала связи, но эту последнюю границу невозможно превзойти (сохраняя требование ограниченности запаздывания). Сформулированное утверждение имеет общий характер и называется основной теоремой о канале связи без шумов.

Утверждение основной теоремы (с заменой безошибочной передачи на почти безошибочную) справедливо и для канала связи с шумами. Этот факт, по существу основной для всей теории передачи информации, называется теоремой Шеннона . Возможность уменьшения вероятности ошибочной передачи через канал связи с шумами достигается применением т. н. помехоустойчивых кодов.

Пример 4. Пусть входной алфавит канала связи состоит из двух символов 0 0 0 и 1 1 1 и действие шумов сводится к тому, что каждый из этих символов при передаче может с небольшой вероятностью p p p перейти в другой или с вероятностью q = 1 − p q=1-p q = 1 − p остаться неискажённым. Применение помехоустойчивого кода сводится, по сути дела, к выбору нового алфавита на входе канала связи. Его буквами являются n n n -членные цепочки символов 0 0 0 и 1 , 1, 1 , отличающиеся одна от другой достаточным числом d d d знаков. Так, при n = 5 n=5 n = 5 и d = 3 d=3 d = 3 новыми буквами могут быть 00000 , 00000, 00000 , 01110 , 01110, 01110 , 10101 , 10101, 10101 , 11011. 11011. 11011. Поскольку при малых p p p вероятность более чем одной ошибки на группу из пяти знаков мала, то, даже искажённые, эти буквы почти не перепутываются. Например, если получен сигнал 10001 , 10001, 10001 , то он, скорее всего, возник из 10101. 10101. 10101. Оказывается, что при надлежащем выборе достаточно больших n n n и d d d такой способ значительно эффективнее простого повторения, т. е. использования алфавитов типа 000 , 000, 000 , 111. 111. 111. Однако возможное на этом пути улучшение качества передачи сопряжено с возрастающей сложностью кодирующих и декодирующих устройств. Например, если первоначально p = 1 0 − 2 p=10^ p = 1 0 − 2 и требуется уменьшить это значение до p 1 = 1 0 − 4 , p_1=10^, p 1 ​ = 1 0 − 4 , то следует выбирать длину n n n кодовой цепочки не менее 25 (или 380) в зависимости от того, желают ли использовать пропускную способность канала связи на 53 % (или на 80 %).

В конце 20 в. в связи с развитием квантовой теории информации и квантовых компьютеров появились и исследуются квантовые каналы связи.

Опубликовано 27 июля 2022 г. в 10:34 (GMT+3). Последнее обновление 5 мая 2023 г. в 15:33 (GMT+3). Связаться с редакцией

Сжатие информации с потерями

Таким образом, при таком кодировании, если сигнал 1 имеет длительность \tau, то 0 — 2\tau.

Рассчитаем емкость этого канала. Нужно рассчитать N(T). Пусть n=T/\tau, тогда получается, что нужно рассчитать сколькими способами можно разбить отрезок длины nотрезками длины 2 и 1. Получаем, что N(T)=S_n=C^n_n + C^_ + C^_ + \cdots, где первое слагаемое — это количество способов, которыми можно разбить отрезок длины n nотрезками длины 1, второе слагаемое — это количество способов, которыми можно разбить отрезок длины n (n-2)отрезками длины 1 и одним отрезком длины 2, третье слагаемое — это количество способов, которыми можно разбить отрезок длины n (n-4)отрезками длины 1 и двумя отрезками длины 2 и т.д. Таким образом, S_1=1. Вследствие того, что C^k_m+C^_m=C^_ для любых k<m, получается, что

$\matrix<S_</p><div class='code-block code-block-5' style='margin: 8px 0; clear: both;'>
<!-- 5theinternet -->
<script src=

&=&&&C^_&+&C^_&+&C^_&+ \cdots\cr\\ S_n&=&C^n_n&+&C^_&+&C^_&+&C^_&+\cdots\cr\\ S_&=&C^_&+&C^_n&+&C^_&+&C^_&+ \cdots\cr>,$» />

т.е. S_<n+1>=S_n+S_» /> при <img decoding=, то S_0,S_1,\ldots— это последовательность 1,1,2,3,5,8,13,21,34,\ldots, т.е. числа Фибоначчи . C XIX века для вычисления n-го члена последовательности Фибоначчи известна формула

S_n=<1\over\sqrt5></p>
<p>\biggl(\Bigl(<1+\sqrt5\over2>\Bigr)^- \Bigl(<1-\sqrt5\over2>\Bigr)^\biggr).» /></p>
<p><img decoding=соответствует 1, то с частотой 2\nuпроизводится проверка уровня сигнала. Если он меняется, то это сигнал 1, если нет, то — 0. На практике частота \nu— это частота синхронизации, т.е. частота импульса, который независимо от данных меняет полярность сигнала. 0 не генерирует импульса смены полярности, а 1 генерирует (См. рис. 7.3).

Рис. 7.3.

Для записи информации на первые магнитные диски и ленты использовался метод FM. На гибкие диски 5.25″ и 3.5″ информация записывается методом MFM ( Modified FM) — модификацией метода FM, позволяющей в 2 раза повысить плотность записи. Это достигается тем, что частота синхронизации увеличивается вдвое. MFM можно использовать с теми же физическими каналами, что и FM, потому что импульсы синхронизации не передаются перед 1 и первым 0 в серии нулей (См. рис. 7.4).

Рис. 7.4.

Метод записи с групповым кодированием, RLL — Run Limited Length , не использует импульсы синхронизации, применяется, в частности, в жестких дисках » винчестер » и существует в нескольких разновидностях. Одна из них основана на замене тетрад байта на 5-битные группы. Эти группы подбираются таким образом, чтобы при передаче данных нули не встречались подряд более двух раз, что делает код самосинхронизирующимся. Например, тетрада 0000 заменяется группой бит 11001, тетрада 1000 — 11010, тетрада 0001 — 11011, тетрада 1111 — 01111 (См. рис. 7.5). Существуют разновидности RLL , в которых заменяются последовательности бит различной длины. Кодирование MFM или FM можно представить как частный случай RLL .

Рис. 7.5.

При необходимости передачи записанных с помощью некоторого кода сообщений по данному каналу приходиться преобразовывать эти сообщения в допустимые сигналы канала, т.е. производить надлежащее кодирование , а при приеме данных — декодирование . Кодирование целесообразно производить так, чтобы среднее время , затрачиваемое на передачу, было как можно меньше. Получается, что исходному входному алфавиту нужно однозначно сопоставить новый алфавит , обеспечивающий большую скорость передачи . В этом случае возникает явление задержки или запаздывания .

Поясним последнее на примере. Пусть источник сообщений посылает через промежутки времени длиной 1/u(т.е. со скоростью u) независимые символы x_1,x_2,x_3,x_4с вероятностями 1/2, 1/4, 1/8, 1/8, т.е., можно сказать, что источник характеризуется некоторой д.с.в. X. Пусть канал — без шумов. Символ либо передается по каналу, если тот свободен, либо ожидает (помещается в память ) до тех пор, пока канал не освободится. Выберем в качестве кода для передачи символов источника по каналу следующий: x_1-00, x_2-01, x_3-10, x_4-11. Пусть время, необходимое для передачи как 0, так и 1, равно \tau. Тогда если 2\tau\le1/u, то за время между появлениями двух последовательных значений Xкодовое значение успеет передаться и канал освобождается. Если же 2\tau>1/u» />, то <img decoding=-й символ появится в момент n/u, а его кодовое обозначение будет передано по каналу в момент 2n\tau. Следовательно, промежуток времени между появлением n-го символа и моментом его получения равен n(2\tau-1/u), т.е. этот промежуток стремится к бесконечности при n\rightarrow\inftyи передача будет вестись с неограниченным запаздыванием. Выбором более удачного кода (например, Хаффмена) можно увеличить скорость передачи .

Следующий, основной факт теории передачи информации или основная теорема о кодировании при наличии помех позволяет при знании емкости канала и энтропии передатчика вычислить максимальную скорость передачи данных в канале.

Теорема Шеннона. Пусть источник характеризуется д.с.в. X. Рассматривается канал с шумом, т.е. для каждого передаваемого сообщения задана вероятность \varepsilonего искажения в процессе передачи ( вероятность ошибки). Тогда существует такая скорость передачи u, зависящая только от X, что \forall\varepsilon>0\; \exists u» /> сколь угодно близкая к <img decoding=такая, что существует способ передавать значения Xсо скоростью uи с вероятностью ошибки меньшей \varepsilon, причем

u=<C\over HX></p><div class='code-block code-block-7' style='margin: 8px 0; clear: both;'>
<!-- 7theinternet -->
<script src=

.» />

Упомянутый способ образует помехоустойчивый код .

Кроме того, Фэно доказана 1 20 следующая обратная теорема о кодировании при наличии помех. Для uможно найти такое положительное число \varepsilon, что в случае передачи информации по линии связи со скоростью uвероятность ошибки \varepsilonпередачи каждого символа сообщения при любом методе кодирования и декодирования будет не меньше \varepsilon( \varepsilonочевидно растет вслед за ростом u).

Упражнение 33 По каналу связи без шума могут передаваться четыре сигнала длительностью 1 мс каждый. Вычислить емкость такого канала.

Упражнение 34 Три передатчика задаются случайными величинами со следующими законами распределениями вероятностей:

  1. P(X_1=-1)=1/4, P(X_1=0)=1/2, P(X_1=1)=1/4;
  2. P(X_2=-1)=1/3, P(X_2=0)=1/3, P(X_2=1)=1/3;
  3. P(X_3=n)=2^<-n>,\, n=1, 2, \ldots» /></li>
</ol>
<p>Емкость канала связи с шумом равна 4000 бод. Вычислить максимальную скорость передачи данных по этому каналу каждым из передатчиков, обеспечивающую сколь угодно высокую надежность передачи.</p>
<h2>Что называется каналом связи: для чего используется и примеры приемников и источников</h2>
<p><img loading=

    Вместилищами исходных данных являются различные сообщения, передаваемые от их источников к получателям. Между ними есть каналы для передачи информации. Преобразователи (шифраторы) специальных технических устройств формируют физические носители информации (сигналы) на основе содержания сообщений. Последние подвергаются ряду преобразований, включая кодирование, сжатие, модуляцию, а затем отправляются в линии связи. После прохождения через них сигналы подвергаются обратным преобразованиям, включающим демодуляцию, декомпрессию и декодирование, в результате чего из них извлекаются исходные сообщения и воспринимаются приемниками.

    каналы передачи информации

    Аналоговые и дискретные величины

    В жизни нам приходится иметь дело как с электрическими, так и с неэлектрическими величинами: температурой, количеством жидкости, напряжением, током. Все величины можно разделить на две группы:

    — величины с непрерывными значениями в определенных пределах;

    являются величинами с фиксированным числом значений.

    Величины с непрерывными значениями — это те, которые могут принимать любое значение в определенных пределах. Например, при измерении температуры абсолютно реальными являются следующие значения: -1,59°С, +52°С, -36,82°С, +198,4527°С. При этом фиксированных значений нет: температура, как и многие физические величины, может быть измерена бесконечным числом знаков; все зависит от измерительного прибора и отображения полученных значений. Такие величины называются аналоговыми.

    Ряд величин имеет фиксированное число состояний. Например: контакт замкнут или разомкнут, ток в цепи есть или нет. Такие величины называются дискретными. Из толкового словаря: «дискретный — отдельный, состоящий из отдельных частей; индивидуально идентифицируемыми».

    Все величины часто преобразуются в электрические сигналы; их легче передавать по кабелям и процессам.

    Кодирование сигналов и интерфейс

    Теперь необходимо дать определение такому понятию, как «кодирование сигнала». В данном контексте под словом «шифрование» не подразумевается шифрование и криптозащита данных. Здесь под словом «код» понимается «язык», используемый «отправителем» и «получателем» информации при приеме, передаче и обработке принятых сигналов.

    При передаче сигналов предполагается, что «Получатель» понимает «язык» «Отправителя». Поясним это на примере. У нас простейшая схема: блок питания, выключатель и лампочка, соединенные последовательно. В данном случае у нас есть ОДИН физический канал связи:

    «Отправитель» должен отправить сообщение «Получателю». Он делает это, замыкая контакты переключателя. Перед передачей сообщения было оговорено, что «передача сообщения = включение лампочки». Как только «Отправитель» замыкает контакты переключателя, включается «Получатель» и понимает, что пришло сообщение от отправителя.

    Конкретно сообщение — это МОМЕНТ включения лампочки, переход из неактивного состояния в активное. А то, что лампочка загорается, это всего лишь подтверждение того, что событие УЖЕ произошло. Для того чтобы «Отправитель» передал новое сообщение, также необходимо согласовать продолжительность контактов выключателя, а также указать время, по истечении которого система должна вернуться в исходное состояние (дежурный режим.

    Все это позволяет сделать следующие выводы:

    1. Правила, по которым происходит обмен сообщениями, называются протоколом обмена. Часто используются термины «логика протокола обмена» или «логика обмена».

    2. Канал связи имеет два уровня:

    -физический — совокупность средств для передачи и преобразования сигнала;

    — логический — протокол обмена, в котором предварительно были указаны способы проверки появления сигнала, времени его активности и времени перехода системы в дежурный режим.

    3. Совокупность ФИЗИЧЕСКОГО и ЛОГИЧЕСКОГО уровней канала связи называется интерфейсом обмена данными или просто «интерфейсом».

    4. Имея один и тот же ФИЗИЧЕСКИЙ канал связи, мы можем использовать РАЗНЫЕ правила обмена сообщениями. Никто не мешает «Отправителю» и «Получателю» ЗАРАНЕЕ договориться о других правилах. Например: «сообщение = лампочка гаснет» или три вспышки света — «да», а 10 вспышек света — «нет».

    Передача сообщений

    У нас есть ДВА состояния схемы:

    — контакты переключателя разомкнуты = лампа выключена;

    — контакты выключателя замкнуты = свет горит.

    Используя эту схему и руководствуясь заранее заданными правилами (логикой), мы можем передать ОДНО сообщение от «Отправителя» к «Получателю». Следовательно, определенный физический и логический уровень позволяет кодировать ОДНО сообщение. Что, если нам нужно отправить два сообщения? Это можно сделать несколькими способами. Например, увеличим количество каналов передачи данных: используем ЕЩЕ ОДИН канал связи для передачи сообщений между «Отправителем» и «Получателем.

    Этот способ общения имеет как положительные, так и отрицательные стороны.

    — БЕЗ ИЗМЕНЕНИЯ протокола обмена данными мы увеличили количество передаваемых сообщений;

    — все сообщения могут передаваться независимо друг от друга, и отсутствуют временные задержки, связанные с занятием канала связи: у нас два НЕЗАВИСИМЫХ канала связи.

    — каждое сообщение занимает ВЕСЬ канал связи;

    — для увеличения количества передаваемых сообщений необходимо использовать еще один канал связи. Что делать, если вам нужно отправить сотни или тысячи сообщений? Так что приходится использовать много каналов связи… Это очень дорогое мероприятие.

    То, как сигналы передаются параллельно (одновременно), называется «параллельным интерфейсом». Этот метод хорош для отправки относительно небольшого количества сообщений.

    Но что делать, когда увеличение количества отдельных каналов связи недопустимо? Можно применить метод обмена сообщениями с использованием заранее заданных уровней (напряжения или тока) — дискретных сообщений. Схемная реализация устройства для передачи сообщения может быть различной. Например, как показано на рисунке ниже, это может быть источник питания, реостат (или блок сопротивлений) и вольтметр, соединенные последовательно.

    «Отправитель» и «Получатель» ПЕРЕД отправкой сообщения договорились:

    1) сообщения будут передаваться изменением напряжения на линии связи и будем использовать источник напряжения 12 вольт;

    2) для каждого из сообщений есть фиксированное напряжение (ссылка:

    — сообщение №1 — напряжение 2 Вольта;

    — сообщение №2 — напряжение 3 Вольта;

    — сообщение №9 — напряжение 10 Вольт;

    — сообщение №10 — напряжение 11 вольт.

    3) Для повышения шумозащиты применялись следующие методы:

    — напряжения ниже 1,5 вольт и выше 11,5 вольт считаются ошибкой и поэтому игнорируются.

    — повышены пороги достоверности принимаемой информации: принимаемый сигнал опорного напряжения (2, 3, 4… 10, 11 вольт) может отличаться на +0,2 и -0,2 вольта.

    Что мы имеем в этом случае? Имея канал связи, мы смогли передать довольно большое количество сообщений. Но у этого метода есть большие минусы:

    — более сложная техническая реализация устройств передачи и приема сообщений;

    — необходимость калибровки всего комплекта оборудования как минимум перед началом эксплуатации. Дело в том, что канал связи вносит искажения в передаваемый сигнал. В нашем случае эта помеха будет проявляться в виде падения напряжения, с помощью которого мы кодируем наши сообщения. Например, вместо напряжения 3 Вольта мы можем получить 2,5 Вольта, что сделает невозможным получение сообщения. Поэтому ПЕРЕД эксплуатацией станции необходимо произвести калибровку (настройку) приемного оборудования, что в некоторых случаях может стать большой проблемой.

    Вы можете исключить необходимость постоянной калибровки, изменив ЛОГИЧЕСКИЙ и/или ФИЗИЧЕСКИЙ уровни интерфейса. Например, сделайте калибровочное напряжение 6 вольт (половина напряжения питания) и назовите этот сигнал «Калибровка». При отсутствии сообщений «Отправитель» постоянно выдает 6 вольт в канал/линию связи. «Приемник» при работе канала связи автоматически настраивает свой приемник на это опорное напряжение.

    Характеристики каналов передачи

    К основным отличительным характеристикам каналов относятся пропускная способность и помехозащищенность.

    В канале информационный сигнал подвержен шуму и помехам. Они могут быть вызваны естественными причинами (например, атмосферными для радиоканалов) или специально созданными противником.

    Помехоустойчивость каналов передачи повышается за счет применения различных типов аналоговых и цифровых фильтров для отделения информационных сигналов от шума, а также специальных методов передачи сообщений, минимизирующих влияние шума. Одним из таких способов является добавление дополнительных символов, не имеющих полезного содержания, но помогающих контролировать правильность сообщения, а также исправлять в нем ошибки.

    Полоса пропускания канала равна максимальному количеству двоичных символов (кбит/с), передаваемых по нему при отсутствии помех за одну секунду. Для разных каналов она варьируется от нескольких кбит/с до сотен Мбит/с и определяется его физическими свойствами.

    Теория передачи информации

    Клод Шеннон — автор специальной теории кодирования передаваемых данных, открывший методы борьбы с шумом. Одной из основных идей этой теории является необходимость избыточности цифрового кода, передаваемого по линиям передачи информации. Это позволяет восстановить потерю, если какая-либо часть кода будет утеряна при передаче. Такие коды (цифровые информационные сигналы) называются помехоустойчивыми. Тем не менее, избыточность кода не должна заходить слишком далеко. Это приводит к задержке передачи информации, а также к увеличению стоимости систем связи.

    передача и обработка информации

    Цифровая обработка сигналов

    Другой важной составляющей теории передачи информации является система методов цифровой обработки сигналов в каналах передачи. К таким методам относятся алгоритмы оцифровки исходных аналоговых информационных сигналов с определенной частотой дискретизации, определяемой на основе теоремы Шеннона, а также методы формирования на их основе помехозащищенных несущих сигналов для передачи по линиям связи и цифровой фильтрации сигналов принятых сигналов, чтобы отделить их от помех.

    Классификация

    Сегодня вся информация распространяется через вибрации, единственный способ существования материи, воспринимаемый человеком, приборами. Тесла считал, что Вселенная соткана из вибраций. Трудно ошибиться, назвав каналы связи колебательными. Классификация тесно связана с изучением гармонических процессов. Фурье показал, что волна любой формы может быть представлена ​​суммой элементарных колебаний.

    По природе волн

    Напрашивается первая классификация:

    Механическая волна

    1. Механик:
      • Акустический. Канал использует сарафанное радио.
      • Твердое состояние. Активно эксплуатируется консервный телефон).
      • Жидкие среды. Первая рабочая модель Белла использовала воду для вибрации омического преобразователя. Механическая волна
    2. Электромагнитный:
      • Инфракрасный. Знакома строителям, постоянно ищущим способы экономии тепла здания.
      • Свет. Первый светофор использовал визуально различимые сигналы.
      • Ультрафиолет. Солнечные ожоги лучше всего покажут наличие невидимого солнечного излучения.
      • Радиочастоты. Доставляйте информацию миллионам зрителей.
      • Рентгеновское излучение.Позволяет проверить целостность скелета.
      • Радиация. Жители Чернобыля горько сетуют на отсутствие счетчиков Гейгера.

    Мысли также могут быть периодическими. Сегодня наука занимается установлением природы возникающих сигналов. Вышеприведенные примеры — малая толика достижений человеческой цивилизации. Проявив минимум умственного напряжения, читатели поймут: повсюду распространяются электромагнитные и механические волны. Постепенно исчезает. Электромагнитные вообще умудряются проникнуть больше. Вакуум, окружающий планеты, действует как естественный ограничитель для механики.

    Электромагнитное излучение обычно классифицируют по типу модуляции несущей:

    1. Амплитуда.
    2. Частота.
    3. Фаза.
    4. Одиночный ряд.
    5. Код-импульс.
    6. Умение обращаться:
    • Частоты
    • Этапы.
    • Амплитуды.

    Электромагнитное излучение

    По форме волн

    Изначально мужчина пытался использовать электричество. Задача передачи информации требовала изменения формы сигналов:

    1. Аналог, переключение плавное.
    2. Импульсивный, характеризуется кратковременностью.
    3. Дискретные искусственно сломаны. Цифровой сигнал отличается нормализацией уровней символов 0, 1.

    Требования по минимизации затрат и энергопотребления постоянно порождают методы улучшения качества. Сегодня цифровой сигнал, ставший отдельной ветвью сегмента передачи информации, считается величайшим достижением человеческой мысли. Вышеизложенное позволяет нам классифицировать каналы:

    1. Шифрование — открытое.
    2. Зашифрованный (например, псевдошумовой сигнал) — не зашифрованный.
    3. Широкая полоса — узкая полоса.
    4. Дуплекс — односторонний.
    5. Мультиплекс — без сжатия.
    6. Скорость нормальная.
    7. По возрастанию, по убыванию.
    8. Распространение — индивидуальное.
    9. Прямой — обратный (обратный).

    Иерархия сетевых протоколов OSI

    Также сетевые протоколы образуют иерархию OSI, каждый уровень можно рассматривать как канал. Возможны другие критерии разделения.

    По корректирующему действию

    Каналы изменяют информацию о шагах. Иногда намеренно:

    1. Линейный. Исходный сигнал легко восстановить, зная характеристики канала.
    2. Не линейно. Часть информации безвозвратно утеряна.
    3. Стохастический. Фактические помехи в канале редко предсказуемы даже статистическими методами.

    По среде распространения

    Подраздел классификации касается электромагнитной энергии:

    1. Прокладка кабеля.
    2. Беспроводной.

    Принцип действия

    Информационные данные путешествуют по пути между локациями, преодолевая окружающую среду. Путь называется каналом связи. Современная техника использует последний тип классификации, рассматривая методы:

    1. Проводные (витая пара, кабель, оптоволокно, медный провод).
    2. Беспроводная связь (спутники, радио, тепловое излучение, свет).

    Материал проводной среды стал преимущественно медным из-за лучшего сочетания цена/сопротивление. Стекло, полимеры обещают стать достойной заменой: на это указывали специалисты еще в середине 1980-х (20 века). В вычислительной технике понятие канала считается гораздо более широким и включает в себя устройства хранения данных, записывающие устройства, накопители и пленку.

    Модуляция

    Первоначально форма сигналов была максимально простой, чаще всего ненавязчивой (азбука Морзе, код Шиллинга, визуальные знаки семафоров). Исследователи быстро осознали неэффективность элементных техник. Попов уже предполагал использовать амплитудную модуляцию несущей. Частота родилась от руки Эдвина Армстронга (30 лет). Инженеры GE убедительно продемонстрировали превосходную стабильность приема передачи в условиях грозы.

    Цифровая эра

    Вторая мировая война принесла миру более сложные возможности, в том числе псевдошумовое кодирование, частотную манипуляцию. Принятые меры позволили значительно снизить спектральную плотность сигнала. Обнаружить передачу стало невероятно сложно, расшифровать ее практически невозможно. Достижения военных лет развернулись в течение нескольких следующих десятилетий. Сейчас, когда доминируют цифровые технологии, шаги завтрашней капризной истории трудно предсказать.

    Сети

    Основные современные каналы относятся непосредственно к сегменту сети, то есть к линиям, объединяющим активно взаимодействующие электронные объекты: компьютеры, телефоны, модемы. До создания ARPANET обменом информацией управлял один человек. Стремительный рост сетевых технологий позволил создать глобальные конформации: Интернет, услуги операторов сотовой связи. Международное взаимодействие сделало возможной полную стандартизацию протоколов. В частности, изначально (RFC 733) Интернет определялся как сеть, использующая стек TCP/IP. Сегодня это понятие стало намного шире, подразумевая планетарную систему взаимосвязанных хостов, несущих программное обеспечение HTTP-сервера.

    ARPANET

    Персональные компьютеры

    Шины для персональных компьютеров — это отдельная линейка. Эпохе появления многоядерных процессоров предшествовали такие неизвестные сегодня аббревиатуры, как PCI, ISA. Фидонет обязан своим рождением плате расширения S-100. Неправильно: забудьте об исторической подоплеке. Примером может служить крах Фидонета, заброшенного собственным разработчиком, предварительно проверившим экономическую целесообразность использования телефонных линий. Творец ушел: система рухнула, без поддержки в виде технологической адекватности, соответствия возрастающим требованиям, завышенным конкурирующими интернет-методами. Технический уровень пользователей был недостаточен, он был бессилен продлить агонию умирающей концепции.

    Отсутствие информационной поддержки

    Западные телекоммуникационные СМИ образуют совокупность экономически обоснованных видов передачи информации. Для терминов, передаваемых веб-доменом, на английском языке не существует национальных эквивалентов. Для телекоммуникационных технологий параметры должны принимать зарубежный сертификат. Еще одним слабым звеном, тормозящим развитие отрасли, назовем отсутствие информационного обеспечения.

    Модели каналов

    Физическая среда обычно моделируется. Исследователи пытаются предсказать результат будущих действий, полагая, что они сведут к минимуму затраты и увеличат выгоды. Часто толчком к работе служат экстремальные ситуации, войны, революции. Клод Шеннон опубликовал первую работу о реальных каналах передачи информации, оснащенных моделями шума и интерференции (1948 г.). Ученый исследовал движения дискретных сигналов и предложил методы оптимизации.

    Ученый Клод Шеннон

    Математики неустанно разрабатывают модели интерференции, преломления, отражения, шума, затухания, резонанса. Например, разработчики мобильной связи реализуют аддитивные помехи. Точные методы расчета отсутствуют. Модель канала учитывает область применения, преследует несколько целей. Потребности есть, искомые значения следующие:

    1. Оценка пропускной способности.
    2. Расчет битрейта.
    3. Использование канала.
    4. Спектральная плотность сигнала.
    5. Уровень колебания.
    6. Процент битов, переданных с ошибкой.
    7. Оценка отношения сигнал/шум.
    8. Задержка линии.

    Вышки сотовой связи делят канал между фиксированным набором абонентов. Часто сигнал подвержен сильным помехам. Сложный канал представлен суммой двухточечных взаимодействий. Принято выделять группы подходящих моделей, описывающих связь, закреплять за каждой областью стандартный набор «отчетных» методов».

    Цифровые

    Дискретные каналы легче моделировать. Сообщение представлено цифровым сигналом выбранного уровня протокола (иерархия OSI). Часто физический канал заменяют упрощенными представлениями:

    • Рамка.
    • Упаковка.
    • Дейтаграмма.

    Цифровой канал

    Поведение более сложных структур легче отследить при расчете производительности, скорости и вероятности ошибки. Примеры:

    • Симметричный цифровой канал — простейший пример передачи битов, учитывающий влияние шума.
    • Ошибка пакета битов (модель Гильберта-Эллиота). Описан случай обязательного наличия неверно принятых первого и последнего символов при длине сегмента выборки больше некоторого значения m, называемого защитной полосой. «Неудачные» участки обычно разделяются относительно длинными (свыше метра) участками хорошего приема.
    • Бит очищен. Модель, представленная Питером Элиасом (Массачусетский технологический институт, 1955 г.), описывает случай системы, в которой сигнал периодически падает. Вводится определенная вероятность «удаления». Кажущаяся простота обманчива, широкий круг реальных задач решается рядом допущений указанным способом.
    • Сломанный пакет. Время от времени часть кода исчезает.
    • Случайное изменение канала имитирует непредсказуемые условия реального мира. Специалисты противопоставляют симметричный цифровой метод, предложенный Шенноном.

    Аналоговые

    Сами модели могут быть:

    1. Линейный — нелинейный.
    2. Непрерывный — дискретный.
    3. Константа — динамическая вероятность.
    4. Узкая полоса в широкую полосу.
    5. Инвариант — переменные во времени.
    6. Королевский (королевский) — сложный.

    Аналоговый канал

    1. Модель шума:
      • Аддитивная (белый гауссовский шум) представляет собой линейную непрерывную постоянную.
      • Фазовый джиттер.
    2. Система интерференции: перекрестные помехи, интерференция между символами.
    3. Искажения являются нелинейными каналами.
    4. Моделирование амплитудно-частотной характеристики.
    5. Групповая задержка (фаз.
    6. Моделирование физических условий канала.
    7. Расчет распространения радиоволн.
      • Ослабление мощности, вызванное увеличением дальности.
      • Затухание: Рэлеевское, Райсовое, частотно-избирательное, теневое.
      • Увеличенный доплеровский сдвиг с замиранием.
      • Трассировка лучей.
      • Моделирование сотовой связи.

    Сотовые

    Имеются в виду мобильные абоненты: скорость, ускорение и координаты постоянно меняются. Моделирование беспроводных децентрализованных самоорганизующихся систем требует учета конкретных условий: схемы трафика, особенностей регламента связи, поведения абонентов.

    Сотовый канал

    • Вариант передачи часто называют типом эллипса. Один передатчик отправляет несколько сообщений. Расстояние узлов неодинаково. Представьте себе, что большинство беспроводных каналов, за исключением любительского радио, являются двусторонней связью. Нисходящая ветка сотового трафика вписывается идеально, особенно при отсутствии помех от соседней вышки.
    • Множественный доступ подразумевает параллельную отправку сообщений несколькими передатчиками. Количество рецепторов варьируется. Существующая схема доступа к ресурсам дополняется методами контроля среды, включая схемы мультиплексирования. Приемлемо описывает восходящую ветвь трафика мобильной сети.
    • Канал ретрансляции дополняет передатчик взаимосвязанной системой повторителей. Модель прекрасно описывает стандарт LTE.
    • Канал помех предполагает наличие взаимных помех от двух базовых станций. Помимо перекрещенных, образуются канальные. Понятие относится непосредственно к сотовым операторам мобильной связи. Ситуация усугубляется отсутствием методов ортогонального кодирования.
    • Индивидуальная передача описывает поведение мобильного телефона, который получил выделенный ресурс башни.
    • Схема передачи использовалась пейджерами. Система Chameleon является хорошим примером.
    • Многоадресная рассылка описывает случай отправки сообщения фиксированной группе подписчиков. Он тесно связан со стандартом LTE.

    Другие разновидности

    характеристики канала связи

    В зависимости от скорости передачи каналов связи их делят на:

    • Низкая скорость. К этой категории относятся все виды телеграфных линий, для которых характерна крайне низкая скорость передачи данных (практически отсутствующая по нынешним меркам), достигающая максимум 200 бит/с.
    • Средняя скорость. Существуют аналоговые телефонные линии, обеспечивающие скорость передачи до 56 000 бит/с.
    • Высокоскоростные или, как их еще называют, широкополосные. Передача данных по каналам связи этого типа осуществляется на скорости более 56 000 бит/с.

    В зависимости от возможностей организации направлений передачи данных каналы связи можно разделить на следующие виды:

    • Симплекс. Организация каналов связи такого типа обеспечивает возможность передачи данных только в определенном направлении.
    • Полудуплекс. По таким каналам данные могут передаваться как в прямом, так и в обратном направлении.
    • Дуплекс или полный дуплекс. С помощью таких каналов обратной связи данные могут передаваться одновременно в прямом и обратном направлениях.
    Проводные

    Кабельные каналы связи включают массу витых или параллельных медных кабелей, волоконно-оптические линии связи и специализированные коаксиальные кабели. Если рассматривать, в каких каналах связи используются кабели, то стоит выделить несколько основных:

    • Витая пара Он обеспечивает возможность передачи информации на скорости до 1 Мбит/с.
    • Коаксиальные кабели В эту группу входят кабели телевизионного формата, как тонкие, так и толстые. При этом скорость передачи данных уже достигает 15 Мбит/с.
    • Оптоволоконные провода. Самый современный и производительный вариант. Каналы связи для передачи информации такого типа обеспечивают скорость около 400 Мбит/с, что значительно превышает все остальные технологии.
    Витая пара

    технические каналы связи

    Он состоит из изолированных проводников, скрученных вместе попарно, чтобы значительно уменьшить помехи между парами и проводниками. Стоит отметить, что на сегодняшний день существует семь категорий кабелей витой пары:

    • Первый и второй используются для обеспечения низкоскоростной передачи данных, а первый — всем известный стандартный телефонный кабель.
    • Третья, четвертая и пятая категории используются для обеспечения скоростей передачи до 16, 25 и 155 Мбит/с, при этом разные категории обеспечивают разные частоты.
    • Шестая и седьмая категории являются наиболее продуктивными. Речь идет о возможности передачи данных на скоростях до 100 Гбит/с, что является наиболее продуктивной особенностью каналов связи.

    Третья категория, безусловно, самая распространенная. Сосредоточившись на нескольких перспективных решениях, касающихся необходимости постоянного развития пропускной способности сети, наиболее оптимальным было бы использование сетей связи (каналов связи) пятой категории, обеспечивающих скорость передачи данных по линиям стандартной телефонной связи.

    Коаксиальный кабель

    скорость передачи канала связи

    Специализированная медная жила заключена в экранирующую защитную гильзу цилиндрической формы, которая намотана из достаточно тонких жил и также полностью изолирована от жилы диэлектриком. Он отличается от стандартного телевизионного кабеля тем, что содержит волновое сопротивление. По таким информационным каналам связи данные могут передаваться со скоростью до 300 Мбит/с.

    Этот формат кабеля делится на тонкий, который имеет толщину 5 мм, и толстый – 10 мм. В современных ЛВС часто принято использовать тонкий кабель, так как он чрезвычайно прост в прокладке и установке. Чрезвычайно высокая стоимость при сложной прокладке достаточно сильно ограничивает возможности использования таких кабелей в современных сетях передачи информации.

    Сети кабельного телевидения

    Такие сети основаны на использовании специализированного коаксиального кабеля, по которому аналоговый сигнал может передаваться на расстояние до нескольких десятков километров. Типичная сеть кабельного телевидения характеризуется древовидной структурой, в которой главный узел получает сигналы со выделенного спутника или по оптоволокну. На сегодняшний день активно используются такие сети, в которых используется оптоволоконный кабель, с помощью которого возможно обслуживать большие территории, а также передавать более объемные данные, сохраняя при этом чрезвычайно высокое качество сигнала при отсутствии повторителей.

    При симметричной архитектуре прямой и обратный сигналы передаются по одному кабелю в разных частотных диапазонах и на разных скоростях одновременно. Следовательно, обратный сигнал медленнее, чем прямой сигнал. В любом случае с помощью таких сетей можно обеспечить в несколько сотен раз более высокие скорости передачи данных по сравнению со стандартными телефонными линиями, в связи с чем последние уже давно перестали использоваться.

    В организациях, устанавливающих собственные кабельные сети, чаще всего применяют симметричные схемы, так как в этом случае прямая и обратная передача данных осуществляется с одинаковой скоростью, которая составляет примерно 10 Мбит/с.

    Спутниковые

    В спутниковых системах используются специализированные микроволновые антенны, которые используются для приема радиосигналов от некоторых наземных станций, а затем ретранслируют полученные сигналы на другие наземные станции. Следует отметить, что такие сети предполагают использование трех основных типов спутников, находящихся на средних или низких орбитах, а также геостационарных. В подавляющем большинстве случаев спутники принято запускать группами, так как, отделяясь друг от друга, они обеспечивают покрытие всей поверхности нашей планеты.

    Особенности использования проводов

    основные каналы связи

    Количество кабелей, которые можно использовать для соединения домашних компьютеров и различных электронных устройств, увеличивается с каждым годом. По статистике, полученной в ходе исследований от профессиональных специалистов, в квартире площадью 150 метров проложено около 3 км различных кабелей.

    В 90-х годах прошлого века британская компания UnitedUtilities предложила довольно интересное решение этой проблемы с помощью собственной разработки под названием DigitalPowerLine, более известной сегодня сокращением DPL. Компания предлагала использовать стандартные электрические сети как средство обеспечения высокоскоростной передачи данных, передачи информации или голосовых пакетов по обычным электрическим сетям, напряжение которых составляло 120 или 220 В.

    Наиболее успешной в этом плане является израильская компания Main.net, которая первой запустила технологию PLC (Powerline Communications). По этой технологии передача голоса или данных осуществлялась на скоростях до 10 Мбит/с, при этом информационный поток распределялся на несколько низкоскоростных, которые передавались на отдельных частотах и ​​окончательно рекомбинировались в единый сигнал.

    Использование технологии ПЛК на сегодняшний день актуально только в условиях малоскоростной передачи данных, в связи с чем она применяется в домашней автоматике, различных бытовых устройствах и другом оборудовании. Благодаря этой технологии можно получить доступ к Интернету со скоростью около 1 Мбит/с для тех приложений, которые требуют высокой скорости соединения.

    При небольшом расстоянии между зданием и промежуточным приемопередающим пунктом, которым является трансформаторная подстанция, скорость передачи данных может достигать 4,5 Мбит/с.Использование данной технологии активно осуществляется при формировании локальной сети в жилом доме или небольшом офис, так как минимальная скорость передачи обеспечивает возможность покрытия расстояния до 300 метров. С помощью данной технологии можно реализовать различные сервисы, связанные с удаленным мониторингом, защитой объектов, а также управлением режимами объектов и их ресурсов, что входит в состав элементов умного дома.

    Оптоволоконный кабель

    Этот провод состоит из специализированного кварцевого сердечника, диаметр которого составляет всего 10 микрон. Это ядро ​​окружено уникальной отражающей защитной оболочкой с внешним диаметром около 200 микрон. Передача данных осуществляется путем преобразования электрических сигналов в световые с использованием, например, светодиода какого-либо типа. Кодирование данных осуществляется изменением интенсивности светового потока.

    При передаче данных луч отражается от стенок волокна, где в итоге достигает приемного конца, имея минимальное затухание. С таким кабелем достигается чрезвычайно высокая степень защиты от воздействия любого внешнего электромагнитного поля, а также достигается достаточно высокая скорость передачи данных, которая может достигать 1000 Мбит/с.

    С помощью оптоволоконного кабеля можно одновременно организовать работу сразу нескольких сотен тысяч телефонных, видеофонных и телевизионных каналов. Если говорить о других достоинствах, присущих таким кабелям, то стоит отметить следующие:

    • Чрезвычайно высокая сложность несанкционированного подключения.
    • Высшая степень защиты от любого пожара.
    • Достаточно высокая скорость передачи данных.

    Однако если говорить о недостатках таких систем, то стоит отметить тот факт, что они достаточно дороги и требуют преобразования световых лазеров в электрические и наоборот. Использование таких кабелей в большинстве случаев осуществляется в процессе прокладки магистральных линий связи, а уникальные свойства кабеля сделали его также достаточно распространенным среди провайдеров, обеспечивающих организацию сети Интернет.

    Коммутация

    Помимо прочего, каналы связи можно переключать или не переключать. Первые создаются только на определенное время, пока необходимо передавать данные, а непереключаемые закрепляются за абонентом на определенный период времени и не зависят от того, как долго происходила передача данных.

    WiMAX

    организация каналов связи

    Эти линии, в отличие от традиционных технологий радиодоступа, также могут работать с отраженным сигналом, который не находится в зоне прямой видимости конкретной базовой станции. Экспертное мнение сегодня однозначно сходится в том, что такие мобильные сети открывают перед пользователями огромные перспективы по сравнению с фиксированным WiMAX, который предназначен для корпоративных клиентов. При этом информация может передаваться на достаточно большое расстояние (до 50 км), при этом к характеристикам каналов связи этого типа относятся скорости до 70 Мбит/с.

    Ошибки в каналах связи

    Количество ошибок в трех популярных потоковых медиа значительно отличается друг от друга. Наименьшая из всех ошибок возникает в оптическом кабеле. Как повлиять на свет, входящий в темную оболочку, очень сложно. На медных кабелях тоже бывают жучки, но очень редко. С другой стороны, в беспроводной среде ошибки возникают очень часто. Частота возникновения ошибок в среде передачи данных учитывалась при создании сетевых технологий, использующих эту среду.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *