Основные параметры процесса передачи сигналов

Электрическим сигналом принято называть электрическую величину (ток, напряжение) параметры которой изменяются по закону изменения состояния наблюдаемого процесса. Классификацию сигналов производят по различным основаниям, в частности различают аналоговые, дискретные и цифровые сигналы. В качестве сигнала используется как непрерывные периодические процессы, так и процессы, ограниченные во времени.

Для представления дискретной информации в среде передачи дан­ных применяются сигналы двух типов: прямоугольные импульсы (видеоимпульсы) и синусоидальные колебания (радиоимпульсы).

В соответствии с основным постулатом теории информации любое различимое непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию. Отсюда следует, что синусоида, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации не несет, так как изменение сигнала хотя и происходит, но является абсолютно предсказуемым. Аналогично, не несут в себе информации импульсы на тактовой шине компьютера, так как их изменения тоже постоянны во времени [19].

Периодический сигнал, параметры которого подвергаются изменениям, называют несущим сигналом, а его частоту f_н – несущей частотой. Процесс изменения параметров несущего сигнала в соответствии с передаваемой информацией называется модуляцией, а если передаваемая информация дискретная, то иногда используют термин манипуляция.

Кодированием называют преобразование сигнала в цифровой системе с целью передачи или хранения. Различают кодирование источника и физическое кодирование сигналов, распространяющихся по среде передачи.

Кодирование источника заключается в сопоставлении сообщению набора букв или цифр. В случае если источник выдает информацию в аналоговой форме, то предварительно изменяют параметры электрической величины по закону изменения информации, затем выполняется дискретизация и квантование электрической величины и только после этого сопоставление полученному цифровому сигналу символов (набора букв или цифр, как правило, двоичных).

Процесс преобразования сигнала для подачи в линию связи называют физическим кодированием, которое может разделяться на два этапа, логическое и сигнальное. При логическом кодировании для достижения помехоустойчивости изменяется битовое представление символов. Сигнальное кодирование (импульсная модуляция) преобразует дискретные символы в физические сигналы линии.

Модуляция используется для обеспечения возможности передачи полученных цифровых кодов (битового потока). При выборе кодировки сигналов стремятся минимизировать ширину спектра сигнала и мощность передатчика, обеспечить синхронизацию между приемником и передатчиком, создать условия для обнаружения битовых ошибок. Наиболее простой импульсной кодировкой является кодирование без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ). Простая реализация, хорошая распознаваемость ошибок, основная гармоника спектра при передаче чередующихся 1 и 0 составляет f₀=N/2 (где N битовая скорость). Недостатком данной кодировки является отсутствие самосинхронизации и наличие низкочастотных составляющих (особенно при передаче серий из 1 или 0). Примеры кодировок показаны на рис.51, а также в [20].

Передача дискретной информации в телекоммуникационных сетях осуществляется тактировано, то есть изменение сигнала происходит через фиксированный интервал времени T_c, называемый тактом или бодовым интервалом. Приемник информации считывает вначале каждого такта новую информацию. Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала за единицу времени называют бодовой скоростью. Один бод равен одному изменению информационного параметра в секунду.

Если информационный параметр может принимать множество значений M, то принято говорить, что один бод несет на себе k=log₂(M) бит, а пропускная способность канала связи (информационная скорость) определится, как v=k/T_c бит/с.

Если сигнал имеет два состояния (то есть несет информацию в 1 бит), то информационная скорость обычно совпадает с бодовой. Однако в тех случаях, когда для надежного распознавания информации каждый бит в последовательности кодируется несколькими изменениями информационного параметра несущего сигнала, информационная скорость может быть меньше бодовой.

В качестве характеристики мощности сигнала используются абсолютный и относительный уровни мощности. Абсолютный уровень мощности измеряется в ваттах или милливаттах, относительный уровень мощности, как и затухание, измеряется в децибелах. При этом уровень в децибелах обычно измеряется либо относительно мощности 1 мВт и обозначается дБм, либо относительно мощности 1 Вт и обозначается дБ.

р = 10· lg Р=20 lg S (2.1)

где Р=S² – абсолютная мощность сигнала в милливаттах или ваттах,

S – уровень сигнала.

Основные характеристики канала связи – пропускная способность и достоверность передачи данных. Пропускная оценивается числом бит данных, передаваемых по каналу за единицу времени (в бит/с), она определяется полосой частот и помехоустойчивостью канала. Полоса частот, в которой амплитудно-частотная характеристика линии связи имеет значение, не ниже заданного, называется полосой пропускания. Проводные линии связи имеют полосу частот примерно 10 кГц, кабельные – 100 кГц, коаксиальные – 100 МГц, радиорелейные – 1000 МГц, волоконно-оптические – 100 ГГц. Коротковолновая радиосвязь для передачи данных использует диапазон частот от 3 до 30 МГц.

Достоверность передачи в первую очередь зависит от отношения мощности сигнала к мощности шума (SNR) и от межсимвольной интерференции (ISI). При передаче сигнал подвергается воздействием помех, в результате может происходить его искажение. Искажение сигнала происходит также из-за неидеальных характеристик преобразовательной аппаратуры. Достоверность передачи данных оценивается интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate, BER). Величина BER для беспроводных линий связи составляет, 10^-3, т.е. в среднем искажается значение одного бита из тысячи. Для оптоволоконных линий BER составляет10^-9. В качестве характеристики потери пакетов используется доля потерянных пакетов, равная отношению количества потерянных пакетов к общему количеству переданных пакетов.

Вероятность возникновения ошибки BER зависит [20] от отношения энергии бита Е_c (мощность сигнала P_out, умноженная на время передачи бита T_c) к спектральной мощности шума P₀ (средняя мощность шума P_ns, деленная на ширину полосы пропускания W=2· p· f). Ширина пропускания – это разность между наибольшей и наименьшей частотами (угловыми частотами) спектра канала. Характер зависимости приведен на рис. 14.

Рис. 14. Вероятность ошибки в передаче бита

Степень ослабления синусоидальных сигналов линиями связи оценивается затуханием. Затухание показывает, насколько уменьшается мощность гармонического сигнала на выходе линии связи P_out по отношению к мощности сигнала на входе этой линии P_in. Затухание измеряется в децибелах и обычно из расчета на единицу длины, километр или метр. Величина затухания зависит от параметров линии связи и частоты сигнала.

А= 10· lg P_out/P_in.

Передача битового потока в основной полосе частот имеет ряд особенностей. Спектр прямоугольных импульсов длительностью T_и, показанный на рис. 15, имеет медленный спад. Для передачи его без искажений требуется бесконечная полоса частот канала связи. На рис. 16 показано изменение формы импульса при различных соотношениях между полосой пропускания канала W_f (аппроксимированного RC цепью) и шириной частотного спектра сигнала W_p (аппроксимированного прямоугольным импульсом).

Рис. 16. Прохождение импульсного сигнала через фильтр нижних частот

а – схема замещения фильтра, б - частотная характеристика фильтра, в, г, д – форма выходного импульса для случаев полосы пропускания: больше ширины частотного спектра (в), равной ширине спектра(г), меньшей ширины спектра(д)

Если допустить незначительные искажения, то граничное значение полосы частот должно быть во много раз больше величины, обратной длительности импульса Т_и.

Если ширина полосы частот недостаточна, то в результате переходный процесс, связанный с приемом одного импульса не заканчивается к моменту прихода следующего. Возникает наложение импульсов, называемое межсимвольной интерференцией.

Межсимвольная интерференция ограничивает максимальную символьную скорость канала связи. Максимальная возможная скорость передачи без межсимвольной интерференции найдена Найквистом и равна 2 символа в секунду на 1 Гц полосы пропускания линии связи (см. рис.17).

Ограниченная полоса пропускания всегда искажает или расширяет импульсные сигнала, поскольку спектр сигнала на выходе определяется как произведение спектра сигнала на частотную передаточную функцию линии связи. Если ширина полосы пропускания значительно больше спектра сигнала, то импульсы сигнала искажаются незначительно, при равных значениях искажения будут превышать длительность передачи символа, что приведет к наложению импульсов.

а)

Рис. 17. Межсимвольная интерференция (а) и получение нулевой
межсимвольной интерференции (б, в)

б – передаточная функция фильтра, в) импульсная характеристика системы h(t)=sinc(t/T)

На рис. 18 показан пример передачи дискретных сигналов (видео- и радиоимпульсов) в линии связи с различной полосой пропускания [19, 20].