Понятие затухания и дисперсии

Классификация проводных линий связи.

Классификация сигналов. Понятия дискретизации и квантования. Примеры цифрового преобразования непрерывных сигналов.

Проведем классификацию сигналов. В первую очередь выделим сигналы:

l детерминированные;

l случайные.

Детерминированными называют сигналы, которые точно определены в любые моменты времени. В отличие от них некоторые параметры случайных сигналов заранее предсказать невозможно.

В зависимости от структуры параметров сигналы подразделяются на:

l дискретные;

l непрерывные;

l дискретно-непрерывные.

Сигнал считают дискретным по данному параметру, если число значений, которое может принимать этот параметр, конечно (счетно). В противном случае сигнал считают непрерывным по данному параметру.

Сигнал, дискретный по одному параметру и непрерывный по другому, называют дискретно-непрерывным.

В соответствии с этим выделяют следующие виды сигналов:

l Непрерывные по уровню и времени (аналоговые) – это сигналы на выходе микрофонов, датчиков температуры, давления и т.д.

l Непрерывные по уровню, но дискретные по времени. Такие сигналы получают в результате дискретизации по времени аналоговых сигналов.

Под ДИСКРЕТИЗАЦИЕЙ подразумевают преобразование функции непрерывного времени (в частности, аналогового сигнала) в функцию дискретного времени, представляющую последовательность величин, называемых выборками или отсчетами (sample value).

Наибольшее распространение получил метод дискретизации, при котором роль координат выполняют мгновенные значения непрерывной функции (аналогового сигнала), взятые в определенные моменты времени S(t_i), где i=1,…,n. Временные интервалы между этими моментами называют интервалами выборки (sample interval).

Такой вид дискретизации часто называют амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

l Дискретные по уровню, непрерывные по времени.

Такие сигналы получают из непрерывных в результате проведения операции квантования по уровню.

l Дискретные по уровню и времени. Такие сигналы получают, осуществляя дискретизацию и квантование одновременно. Данные сигналы легко представить в цифровой форме, заменив каждый импульс числом, обозначающим номер уровня квантования, которого достиг импульс в конкретный момент времени (digital sample).

По этой причине данные сигналы часто называют цифровыми.

Под КВАНТОВАНИЕМ по уровню (или просто квантованием) подразумевают преобразование некоторой величины с непрерывной шкалой значений (например, амплитуда сигнала) в величину, имеющую дискретную шкалу значений.

В цифровых телефонных системах (стандарт G.711) замена аналогового сигнала последовательностью отсчетов происходит с частотой 2F =8000 Гц, интервал между отсчетами Т_д = 125 мкс. Это связано с тем, что диапазон частот телефонного сигнала составляет 300-3400 Гц, а частота выборки для неискаженного преобразования по теореме Найквиста-Котельникова должна быть, как минимум, в два раза больше максимальной частоты преобразовываемого сигнала F.

Далее каждый импульс заменяется в 8-и разрядном аналого-цифровом преобразователе АЦП (ADC – Analog-to-Digital Converter) двоичным кодом, учитывающим знак и амплитуду отсчета (256 уровней квантования). Такой процесс квантования носит название импульсно-кодовой модуляции ИКМ (PCM – Pulse Code Modulation).

Скорость передачи одного телефонного сообщения оказывается
8×8000=64 Кбит/с (такую скорость имеет, например, цифровой телефонный канал ISDN). 30-канальная система передачи телефонных сообщений (система первого уровня иерархии стандарта МККТТ – PDH-E1) с временным разделением каналов работает уже со скоростью 2048 Кбит/с.

При цифровой записи музыки на компакт-диск (CD – Compact Disk), вмещающий максимум 74 минуты стереозвучания, используют частоту дискретизации 2F ≈ 44,1 кГц (т.к. предел слышимости человеческого уха 20 кГц плюс 10%-ный запас) и 16-и разрядное равномерное квантование каждой выборки (65536 уровней звукового сигнала). При этом одна минута стереофонического звука будет занимать около 10,09 Мбайтов.

Использование цифровых сигналов резко снижает вероятность получения искаженной информации, т.к.:

l в этом случае применимы эффективные методы кодирования, которые обеспечивают обнаружение и исправление ошибок;

l можно избежать свойственного непрерывному сигналу эффекта накопления искажений в процессе передачи и обработки, поскольку квантованный сигнал легко восстановить до первоначального уровня всякий раз, когда величина накопленных искажений приблизится к половине шага квантования.

И самое важное, в этом случае обработку и хранение информации можно осуществлять средствами вычислительной техники.

Проводной называется линия связи, в которой информационные сигналы распространяются вдоль искусственной направляющей среды – устройства непрерывной конструкции, способного передавать электромагнитную энергию в заданном направлении.

В вычислительных (компьютерных) сетях в качестве проводных линий передачи данных применяются медные и оптоволоконные кабели, в частности:

l витые пары проводов: экранированные (STP – shielded twisted pair) и неэкранированные (UTP – unshielded twisted pair). В экранированных парах присутствует защита в виде экрана для каждой пары и общий внешний экран в виде медной сетки. Они сравнительно дороги (соизмеримы с ценой коаксиального кабеля) и применяются намного реже неэкранированных. Неэкранированные пары подразделяют на несколько категорий (типов) с 1-й по 7-ю.). Пара категории 1 – это обычный телефонный кабель (полоса частот 100 КГц). Пара категории 2 (полоса частот 1 МГц) может использоваться в сетях со скоростью передачи данных до 4 Мбит/с.

Для первых сетей Ethernet (10Base-T) была разработана пара категории 3 (скорость передачи данных до 10 Мбит/с, полоса частот 16 МГц), а для сетей Token Ring – пара категории 4 (полоса частот 20 МГц) со скоростью передачи данных до 16 Мбит/с.

В высокоскоростных сетях используются более совершенные витые пары: категории 5, которая применима при частотах до 100 МГц и поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с и категории 5е (полоса частот 125 МГц, скорость передачи до 1 Гбит/с при использовании кабеля из 4 пар). Ограничение на длину кабеля между сетевыми устройствами — 100 м.

В последнее время наиболее популярна (70% сетей) витая пара категорий 6 (полоса частот 250 МГц, скорость передачи до 1 Гбит/с. Она применяется в сетях Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.

Созданы также UTP категории 6А (полоса частот 500 МГц, скорость передачи до 10 Гбит/с) и 7 полоса частот 600-700 МГц, скорость передачи до 100 Гбит/с). Кабель 7 категории имеет общий внешний экран из медной оплетки и экраны вокруг каждой пары из фольги, поэтому 7 категория, строго говоря, не UTP, а S/FTP (Screened Fully shielded Twisted Pair).

Обычно используется 8-жильный кабель, состоящий из четырех витых пар;

l коаксиальные кабели: тонкий (RG-58, диаметром 0,2 дюйма (6,25 мм), иногда его называют CheaperNet или ThinNet) и толстый (ThickNet, RG-8 диаметром 0,4 дюйма (12,5 мм)). Толстый кабель имеет меньшее затухание, лучшую помехозащищенность, что обеспечивает возможность работы на больших расстояниях (до 1000 м без повторителя), но монтаж его существенно сложнее, а стоимость выше витой пары в 1,5-3 раза. В настоящее время считается, что коаксиальный кабель устарел и в большинстве случаев его может заменить витая пара или оптоволоконный кабель.

l оптоволоконный кабель: одномодовый (SMF – single mode fiber) и многомодовый (MMF – multi mode fiber). Оптические кабели состоят из одного (симплексные), двух (дуплексные) или многих (4-72, многожильные) волокон, буферной оболочки, силовых элементов и внешней оболочки. ВОЛС являются основой высокоскоростной передачи данных, особенно на большие расстояния. Главный недостаток оптоволоконных кабелей – сложность монтажа.

Так как в направляющей среде (ИНС) любой сигнал ослабляется (затухает), в проводных линиях связи предусмотрено многократное усиление сигнала. Каждый из n усилителей – УС (у ЛВС (LAN - Local area network) – повторитель, repeater) располагается на усилительном пункте. Расстояние между ними зависит от вида и параметров направляющей среды. В ЛВС обычно не превышает нескольких сотен метров.

Затухание (attenuation)или, более точно, погонное затухание в линиях связи определяется потерями мощности сигнала, например на нагрев (для медных кабельных линий) или на поглощение и рассеивание излучения (для оптических волокон), и измеряется децибелами на км:

B (Att) =1/L·10 Lg·Pвх/Pвых (дБ/км),

где L – длина отрезка линии связи в км; Pвх – мощность сигнала на входе линии связи, Pвых – мощность, зафиксированная приемником на выходе.

Для электрических импульсных сигналов можно использовать другую формулу:

B (Att) =1/L·20 Lg·Uвх/Uвых (дБ/км),

где Uвх, Uвых – амплитуда напряжения сигнала на входе и выходе линии связи соответственно.

Затухание в 3 дБ/км означает уменьшение мощности в 2 раза, а уменьшение амплитуды сигнала в 2 раза соответствует затуханию 6 дБ/км.

В ЛВС на неэкранированной витой паре длины соединений обычно не превышают 100 м. Затухание при такой длине на частоте 100 МГц составляет около 24 дБ, а на частоте 10 МГц – около 7 дБ.

Типичные характеристики ВОЛС: SMF работают на волнах 1,3 или 1,55 мкм, затухание 0,3-0,4 и 0,2 - 0,25 дБ/км соответственно; MMF – на волнах 0,85 или 1,3 мкм и затухание 2,4-3,0 и 0,5 - 1,1 дБ/км соответственно.

В оптических линиях связи существенные потери мощности происходят также на стыках световодов (типовые значения 0,1-1 дБ).

Предельные расстояния L для передачи данных по ВОЛС (без усиления) зависят от длины волны излучения λ: для λ =0,85 мкм L = 5 км, а для λ =1,3 мкм L = 50 км, но аппаратурная реализация дороже.

При передаче световых сигналов по многомодовым волокнам наряду с потерями мощности происходят временные искажения, проявляющиеся в расползании светового импульса и приводящие к "наползанию" соседних импульсов друг на друга и, как следствие, либо к появлению ошибок, либо к снижению скорости передачи. Такое искажение импульсов называют дисперсией.

Причина дисперсии связана:

во-первых, с наличием нескольких лучей (мод), входящих в световод под разными углами и распространяющихся по нему различными путями. Это приводит к различному времени прихода лучей к концу линии (модовая дисперсия, присутствующая только в многомодовом волокне);

во-вторых, так как источник излучает свет в некотором диапазоне длин волн (у лазера спектральная ширина излучения – 2 нм, у светодиода – 40 нм), а световые волны различной длины распространяются по волокну с разной скоростью из-за зависимости показателя преломления светопроводящего материала от длины волны, то возникает материальная дисперсия (присутствует во всех оптических волокнах).

При оценке дисперсии пользуются временной характеристикой дисперсии τ_β, мкс/км, которая показывает величину уширения импульса при прохождении им расстояния в 1 км, или полосой пропускания - величиной обратной уширению МГц×км.

Дата добавления: 2015-04-24