Основные характеристики и параметры систем связи

Работа любой системы связи оценивается точностью передачи сообщения и скоростью передачи информации. Первое определяет качество передачи, второе – количество. В реальной системе связи качество передачи связано со степенью искажений принятого сообщения. Эти искажения зависят от свойств и технического состояния системы, а также от интенсивности и характера помех. Если система связи спроектирована правильно и технически исправна, то необратимые искажения сообщений обусловлены лишь воздействием помех. В этом случае качество передачи полностью определяется помехоустойчивостью системы.

Под помехоустойчивостью понимают способность системы связи противостоять вредному влиянию помех на передачу сообщений. Поскольку действие помех проявляется в том, что принятое сообщение отличается от переданного, то количественно помехоустойчивость при заданной помехе можно характеризовать степенью соответствия принятого сообщения переданному. Данную величину называют общим термином – верность.

Количественную оценку верности выбирают по-разному, в зависимости от характера сообщения и требований получателя. Можно показать, что верность передачи зависит от отношения средних мощностей сигнала и помехи (чаще говорят «отношение сигнал/шум»). В разработанной В.А. Котельниковым и К.Э. Шенноном теории потенциальной помехоустойчивости показано, что при выбранном критерии и заданном множестве сигналов, принимаемых при определенной помехе (так называемом «белом шуме»), существует предельная (потенциальная) помехоустойчивость, которая ни при каком способе приема не может быть превзойдена. Приемное устройство, реализующее потенциальную помехоустойчивость, называют оптимальным (наилучшим) по данному критерию.

При данной интенсивности помехи вероятность ошибки тем меньше, чем сильнее различаются между собой сигналы, соответствующие разным сообщениям. Проблема состоит в том, чтобы выбрать для передачи информации сильно различающиеся сигналы. Верность передачи можно повысить за счет усложнения методов модуляции-демодуляции и введения кодирования сообщений. Наконец, верность передачи зависит и от способа приема. Необходимо выбрать такой способ приема сообщений, который наилучшим образом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнал/шум.

Другим важнейшим показателем работы системы связи является скорость передачи информации. В системах передачи дискретных сообщений скорость измеряется числом передаваемых символов в единицу времени v, Бод. Количество передаваемой информации принято измерять в битах. Бит – один двоичный разряд – символ, принимающий лишь два значения: 0 или 1. Так, символы 101 есть 3-битовое число. Как показал К.Э. Шеннон, максимальное количество информации, которое можно передать двоичным символом, равно 1 биту. При использовании не двоичных, а m-ичных символов максимальное количество информации, которое можно передать, равно log₂m бит. Поэтому дискретный источник может обеспечить максимальную скорость выдачи информации (максимальную производительность):

R_и = бит/с,

где Т_и − длительность одной посылки; m – основание цифрового кода.

Если m = 2, то R_и = 1/ Т_и бит/с и скорость передачи информации численно равна технической скорости v. При m > 2 возможна скорость передачи информации R_и > v. Однако нередко в цифровых системах связи скорость передачи информации R_и < v. Такой вариант бывает, когда не все посылки используются для передачи информации, например, если часть из них служит для синхронизации или для обнаружения и исправления ошибок (при использовании так называемого самокорректирующегося кода)

Системы связи также характеризуются средней скоростью передачи информации по каналу в секунду с заданной верностью. Существует максимально возможная (предельная) скорость передачи – пропускная способность канала – С. Это фундаментальное понятие определяет потенциальные возможности системы связи. В реальной системе связи средняя скорость передачи информации всегда меньше пропускной способности. В теории информации К.Э Шенноном доказана теорема, согласно которой для источника без избыточности при R_и< С можно найти такой способ кодирования-декодирования, при котором возможна передача сообщений по каналу с помехами со сколь угодно малой ошибкой.

Универсальным показателем системы связи является информационная эффективность η, характеризующая использование системой пропускной способности канала η = R_и/ С.

Своевременность передачи сообщений определяется допустимой задержкой, обусловленной преобразованием сообщений и сигналов, а также конечным временем распространения сигнала по каналу связи (особенно это заметно в спутниковых системах связи). Она зависит от двух показателей: характера и протяженности канала и длительности обработки сигнала в передающем и приемном устройствах. Скорость передачи информации и задержка являются независимыми характеристиками, практически не связанными друг с другом.

Любой канал связи можно так же как и сигнал, характеризовать тремя параметрами: временем Т_к, в течение которого по каналу возможна передача, динамическим диапазоном D_к и полосой пропускания канала F_к.

Под динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности неизбежно присутствующей в канале помехи, выраженной в дицибелах.

Общепринятой обобщенной характеристикой канала связи служит его емкость (объем)

V_к = Т_к F_к D_к.

Необходимым условием неискаженной передачи по каналу сигналов с объемом V_с, очевидно должно быть

V_с < V_к. (8.1)

Часто преобразование первичного сигнала в высокочастотный сигнал и преследует цель согласования сигнала с каналом. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трем параметрам, т.е. добиваются выполнения условий:

Т_с < Т_к, F_с <F_к, D_с <D_к. (8.2)

При соблюденииэтих условий объем сигнала полностью «вписывается» в объем канала.

В ряде случаев неравенство (8.1) может выполняться и тогда, одно или два из неравенств (8.2) не выполнены. Это означает, что можно производить «обмен» длительности на ширину спектра или ширину спектра на динамический диапазон и т.д. Например, пусть записанный на магнитофон телефонный сигнал с шириной спектра 3400 Гц необходимо передать через канал связи, полоса пропускания которого 340 Гц. Это можно осуществить, воспроизводя сигнал со скоростью, в 10 раз меньше той, с которой он был записан. При этом все значения частот исходного сигнала уменьшаются в 10 раз и во столько раз увеличится время передачи. Принятый сигнал также записывается на магнитофон, а затем, воспроизводя его со скоростью в 10 раз большей, можно восстановить исходный сигнал. Аналогично можно передать сигнал быстрее, если полоса пропускания канала шире спектра сигнала.

Наибольший интерес вызывает возможность обмена динамического диапазона на полосу пропускания. Оказывается, что при внедрении ИКМ можно передать сообщение с динамическим диапазоном например 60 дБ, по каналу, в котором сигнал превышает помеху всего лишь на 30 дБ. При этом используется полоса пропускания канала в несколько раз более широкая, чем спектр сообщения.

Существуют и другие характеристики и параметры, оценивающие качества систем связи, такие как скрытность связи, надежность системы, габаритные размеры и масса аппаратуры, стоимость оборудования, эксплуатационные расходы и т.д.

Линии связи Виды линий связи, по которым передается информация, многочисленны и разнообразны. Различают каналы проводной связи (воздушные, кабельные, световодные и др.) и каналы радиосвязи. Кабельные линии связи являются основой магистральных сетей дальней связи, по ним осуществляется передача сигналов в диапазоне частот от десятков кГц до сотен МГц. Весьма перспективными являются волоконно-оптические линии связи. Они позволяют в диапазоне 600...900 ТГц (0,5...0,3 мкм) обеспечить очень большую пропускную способность (сотни телевизионных или сотни тысяч телефонных каналов). Наряду с проводными линиями связи широко используются радиолинии различных диапазонов (от сотен кГц до десятков ГГц). Эти линии более экономичны и незаменимы для связи с подвижными объектами. Наибольшее распространение для многоканальной радиосвязи получили радиорелейные линии метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов на частотах от 60 МГц до 15 ГГц. Разновидностью радиорелейных линий являются тропосферные линии с использованием отражений от неоднородностей тропосферы. Все большее применение находят спутниковые линии связи – РРЛ с ретранслятором на ИСЗ. Для этих линий (систем) связи отведены диапазоны частот 4...6 и 11...275 ГГц. Большая дальность передачи при одном ретрансляторе на спутнике, гибкость и возможность организации глобальной связи – важные преимущества спутниковых систем.