Основные характеристики линий связи

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 (decibel, dB) и Вычисляется по следующей формуле;

А =10∙lg(P_вых/Р_вх).

Здесь Р_вых - мощность сигнала на выходе линии, Р_вх - мощность сигнала на входе линии.

Поскольку затухание связано с внутренним сопротивлением линии связи, то его значение возрастает с увеличением протяженности линии (без промежуточных усилителей).

Затухание измеряется для основной частоты передаваемого сигнала, гармоника которой вносит наибольший вклад в его мощность. Например, кабель на витой паре категории 5, на котором работают практически все технологии локальных сетей, характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100м.

Оптический кабель имеет существенно более низкие (по абсолютной величине) величины затухания, обычно в диапазоне от 0,2 до 3 дБ при длине кабеля в 1000 м для используемых длин волн (850 нм, 1310 нм, 1550 нм). Причем, с увеличением длины волны затухание уменьшается (для длины волны 1550 нм - А~0,2 dB).

В качестве характеристики мощности передатчика часто используется абсолютный уровень мощности сигнала:

Р =10∙lg(P/1мВт) [дБм].

Здесь Р - мощность сигнала в милливаттах, а дБм (dBm) - единица измерения уровня мощности (децибел на 1 мВт).

П олоса пропускания – одна из важнейших характеристика линии связи. Теоретически наиболее точными характеристиками линии связи являются АЧХ и ФЧХ (амплитудо- и фазочасточная характеристика), которые отражают значения Авых/Авх и ФUвых/ФUвх для всех частот диапазона [0, fmax], которые могут передаваться по линии, т. е. входить в состав спектров передаваемых сигналов. Ввиду сложности измерения этих характеристик на практике вместо них используется такая характеристика как полоса пропускания. Полоса пропускания определяет диапазон частот, которые передаются линией связи с приемлемым затуханием. Часто граничными частотами считаются частоты, на которых мощность выходного сигнала уменьшается в два раза по отношению к входному, что соответствует затуханию в -3дБ.

Рис. 2.4. Полоса пропускания

Итак, перед передачей по линии связи сигналы кодируются и формируются. Для медных кабелей на выходе передатчика необходимо выполнять согласование выходной аппаратуры с волновым сопротивлением линии связи с помощью линейных трансформаторов (от слов «линия связи»). Следует отметить, что эти трансформаторы не пропускают постоянную составляющую и близкие к ней низкочастотные гармоники сигнала.

Проходя по линии связи, сигналы претерпевают затухание. Неравномерность АЧХ и нелинейность ФЧХ линии, а также внешние шумы и, возможно, перекрестные помехи от близко расположенных проводников приводят к искажениям формы сигнала.

Передаваемый по линии связи сигнал будет правильно распознан приемником, если полоса пропускания линии будет перекрывать те гармоники спектра сигнала, которые вносят основной вклад в мощность и форму этого сигнала. Например, для качественной передачи сигнала, изображенного на рисунке 2.2, необходима линия связи с полосой от ~0Гц до >= 7f₁. Гармониками с f > 7f₁, можно пренебречь из-за их малого вклада в результирующий сигнал.

Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде или на внутренних проводниках самого кабеля. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивым являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной - волоконно-оптические линии, малочувствительные к внешнему электромагнитному излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей, проводники экранируют и/или скручивают.

Параметры, характеризующие перекрестные помехи (одного проводника на другой внутри кабеля), обычно применяются для кабелей, которые состоят из нескольких витых пар, для других типов кабелей (коаксиальные и оптоволоконные) при качественном монтаже эти наводки не существенны.

Пропускная способность линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии данного типа. Это также одна из важнейших характеристик линии связи. Измеряется пропускная способность в бит/сек, поскольку данные передаются по линии последовательно (побитово). Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням 10 (то есть 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 = 1048576.

Максимально возможную пропускную способность линии определяет формула Шеннона и формула Найквиста.

С = F∙log₂ (1 + P_c/P_ш) (формула Шеннона)

Здесь С - максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F - ширина полосы пропускная линии в герцах, Р_с - мощность сигнала, Р_ш - мощность шума. Из соотношения видно, что повысить пропускную способность линии можно за счет увеличения мощности передатчика или же уменьшения мощности шума (помех) на линии связи. На практике изменение этих параметров сверх определенных значений ведет к значительному повышению сложности и стоимости аппаратуры. К тому же, например, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в два раза даст только 15% увеличения пропускной способности линии (логарифмическая зависимость).

Близким по сути к формуле Шеннона является другое соотношение, полученное Найквистом, которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи, но без учета шума на линии;

С = 2F∙log₂ М.

Здесь М - количество различимых состояний информационного параметра. Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (baud). Период времени между соседними изменениями 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. Например, если информационный параметр может иметь 4 состояния (например, 4 значения амплитуды сигнала), то одному боду будет соответствовать 2 бита информации - 2² = 4. Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в выборе количества состояний информационного сигнала. С увеличением количества состояний сигнала соотношение Р_с/Р_ш снижается.

Формулы Шеннона и Найквиста определяют максимально возможную скорость передачи данных по линии связи с полосой пропускания F. Конкретную скорость (меньше максимально допустимой), с которой передатчик передает данные по линии связи, можно определить как:

С_п = f_п∙log₂ М,

где f_п-, тактовая частота работы передатчика.

То есть, при одном и том же способе кодирования скорость передачи данных по линии связи будет тем больше, чем выше частота несущего периодического сигнала (тем больше бод, а значит, и бит в секунду будет передаваться по линии). Но важно помнить, что с ростом тактовой частоты спектр результирующего сигнала будет расширяться в область ВЧ (см. рис. 2.2, где f1=1/Т, а Т - такт работы передатчика). А значит, для качественной передачи такого сигнала нужна линия связи с более широкой полосой пропускания.

Таким образом, скорость возможной передачи данных по линии связи зависит от ее внутренних параметров (в частности, от полосы пропускания), внешних параметров - уровня помех и степени ослабления помех, а также от принятого способа кодирования данных, тактовой частоты и мощности передатчика.