Windows 7
Какой параметр определяет качество передаваемого сигнала. Основные характеристики и параметры систем связи. Специализированные параметры кабеля

Какой параметр определяет качество передаваемого сигнала. Основные характеристики и параметры систем связи. Специализированные параметры кабеля

Государственный экзамен

(State examination)

Вопрос №3 «Каналы связи. Классификация каналов связи. Параметры каналов связи. Условие передачи сигнала по каналу связи».

(Пляскин )

Канал связи. 3

Классификация. 5

Характеристики (параметры) каналов связи. 10

Условие передачи сигналов по каналам связи. 13

Литература. 14

Канал связи

Канал связи - система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот). Канал связи, понимаемый в узком смысле (тракт связи ), представляет только физическую среду распространения сигналов, например, физическую линию связи.

Канал связи предназначен для передачи сигналов между удаленными устройствами. Сигналы несут информацию, предназначенную для представления пользователю (человеку), либо для использования прикладными программами ЭВМ.

Канал связи включает следующие компоненты:

1) передающее устройство;

2) приемное устройство;

3) среду передачи различной физической природы (Рис.1) .

Формируемый передатчиком сигнал, несущий информацию, после прохождения через среду передачи поступает на вход приемного устройства. Далее информация выделяется из сигнала и передается потребителю. Физическая природа сигнала выбирается таким образом, чтобы он мог распространяться через среду передачи с минимальным ослаблением и искажениями. Сигнал необходим в качестве переносчика информации, сам он информации не несет.

Рис.1. Канала связи (вариант №1)

Рис.2 Канал связи (вариант №2)

Т.е. это (канал) - техническое устройство (техника+среда).

Классификация

Классификаций будет приведено ровно три типа. Выбирайте на вкус и цвет:

Классификация №1:

Существует множество видов каналов связи, среди которых наиболее часто выделяют каналы проводной связи (воздушные, кабельные, световодные и др.) и каналы радиосвязи (тропосферные, спутниковые и др.). Такие каналы в свою очередь принято квалифицировать на основе характеристик входного и выходного сигналов, а также по изменению характеристик сигналов в зависимости от таких явлений, происходящих в канале, как замирания и затухание сигналов.

По типу среды распространения каналы связи делятся на:

Проводные;

Акустические;

Оптические;

Инфракрасные;

Радиоканалы.

Каналы связи также классифицируют на:

· непрерывные (на входе и выходе канала – непрерывные сигналы),

· дискретные или цифровые (на входе и выходе канала – дискретные сигналы),

· непрерывно-дискретные (на входе канала–непрерывные сигналы, а на выходе–дискретные сигналы),

· дискретно-непрерывные (на входе канала–дискретные сигналы, а на выходе–непрерывные сигналы).

Каналы могут быть как линейными и нелинейными , временными и пространственно-временными .

Возможна классификация каналов связи по диапазону частот .

Системы передачи информации бывают одноканальные и многоканальные . Тип системы определяется каналом связи. Если система связи построена на однотипных каналах связи, то ее название определяется типовым названием каналов. В противном случае используется детализация классификационных признаков.

Классификация №2 (более подробная) :

1. Классификация по диапазону используемых частот

Ø Километровые (ДВ) 1-10 км, 30-300 кГц;

Ø Гектометровые (СВ) 100-1000 м, 300-3000 кГц;

Ø Декаметровые (КВ) 10-100 м, 3-30 МГц;

Ø Метровые (МВ) 1-10 м, 30-300 МГц;

Ø Дециметровые (ДМВ) 10-100 см, 300-3000 МГц;

Ø Сантиметровые (СМВ) 1-10 см, 3-30 ГГц;

Ø Миллиметровые (ММВ) 1-10 мм, 30-300 ГГц;

Ø Децимилимитровые (ДММВ) 0,1-1 мм, 300-3000 ГГц.

2. По направленности линий связи

- направленные (используются различные проводники):

Ø коаксиальные,

Ø витые пары на основе медных проводников,

Ø волоконнооптические.

- ненаправленные (радиолинии);

Ø прямой видимости;

Ø тропосферные;

Ø ионосферные

Ø космические;

Ø радиорелейные (ретрансляция на дециметровых и более коротких радиоволнах).

3. По виду передаваемых сообщений:

Ø телеграфные;

Ø телефонные;

Ø передачи данных;

Ø факсимильные.

4. По виду сигналов:

Ø аналоговые;

Ø цифровые;

Ø импульсные.

5. По виду модуляции (манипуляции)

- В аналоговых системах связи :

Ø с амплитудной модуляцией;

Ø с однополосной модуляцией;

Ø с частотной модуляцией.

- В цифровых системах связи :

Ø с амплитудной манипуляцией;

Ø с частотной манипуляцией;

Ø с фазовой манипуляцией;

Ø с относительной фазовой манипуляцией;

Ø с тональной манипуляцией (единичные элементы манипулируют поднесущим колебанием (тоном), после чего осуществляется манипуляция на более высокой частоте).

6. По значению базы радиосигнала

Ø широкополосные (B>> 1);

Ø узкополосные (B»1).

7. По количеству одновременно передаваемых сообщений

Ø одноканальные;

Ø многоканальные (частотное, временное, кодовое разделение каналов);

8. По направлению обмена сообщений

Ø односторонние;

Ø двусторонние.
9. По порядку обмена сообщения

Ø симплексная связь - двусторонняя радиосвязь, при которой передача и прием каждой радиостанции осуществляется поочередно;

Ø дуплексная связь - передача и прием осуществляется одновременно (наиболее оперативная);

Ø полудуплексная связь - относится к симплексной, в которой предусматривается автоматический переход с передачи на прием и возможность переспроса корреспондента.

10. По способам защиты передаваемой информации

Ø открытая связь;

Ø закрытая связь (засекреченная).

11. По степени автоматизации обмена информацией

Ø неавтоматизированные - управление радиостанцией и обмен сообщениями выполняется оператором;

Ø автоматизированные - вручную осуществляется только ввод информации;

Ø автоматические - процесс обмена сообщениями выполняется между автоматическим устройством и ЭВМ без участия оператора.

Классификация №3 (что-то может повторяться):

1. По назначению

Телефонные

Телеграфные

Телевизионные

Радиовещательные

2. По направлению передачи

Симплексные (передача только в одном направлении)

Полудуплексные (передача поочередно в обоих направлениях)

Дуплексные (передача одновременно в обоих направлениях)

3. По характеру линии связи

Механические

Гидравлические

Акустические

Электрические (проводные)

Радио (беспроводные)

Оптические

4. По характеру сигналов на входе и выходе канала связи

Аналоговые (непрерывные)

Дискретные по времени

Дискретные по уровню сигнала

Цифровые (дискретные и по времени и по уровню)

5. По числу каналов на одну линию связи

Одноканальные

Многоканальные

И еще рисунок сюда:

Рис.3. Классификация линий связи.

Характеристики (параметры) каналов связи

1. Передаточная функция канала : представляется в виде амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ипоказывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе канала связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Нормированная амплитудно-частотная характеристика канала показана на рис.4. Знание амплитудно-частотной характеристики реального канала позволяет определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники. Для экспериментальной проверки амплитудно-частотной характеристики нужно провести тестирование канала эталонными (равными по амплитуде) синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит количество экспериментов должно быть большим.

-- отношение спектра выходного сигнала к входному
- полоса пропускания

Рис.4 Нормированная амплитудно-частотная характеристика канала

2. Полоса пропускания : является производной характеристикой от АЧХ. Она представляет собой непрерывный диапазон частот, для которых отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел, то есть полоса пропускания определяет диапазон частот сигнала, при которых этот сигнал передается по каналу связи без значительных искажений. Обычно полоса пропускания отсчитывается на уровне 0,7 от максимального значения АЧХ. Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по каналу связи.

3. Затухание : определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по каналу сигнала определенной частоты. Часто при эксплуатации канала заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по каналу сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.

Затухание обычно измеряется в децибелах (дБ) и вычисляется по следующей формуле: , где

Мощность сигнала на выходе канала,

Мощность сигнала на входе канала.

Затухание всегда рассчитывается для определенной частоты и соотносится с длиной канала. На практике всегда пользуются понятием "погонное затухание", т.е. затухание сигнала на единицу длины канала, например, затухание 0.1 дБ/метр.

4. Скорость передачи : характеризует количество бит, передаваемых по каналу в единицу времени. Она измеряется в битах в секунду - бит/с , а также производных единицах: Кбит/c, Мбит/c, Гбит/с . Скорость передачи зависит от ширины полосы пропускания канала, уровня шумов, вида кодирования и модуляции.

5. Помехоустойчивость канала : характеризует его способность обеспечивать передачу сигналов в условиях помех. Помехи принято делить на внутренние (представляет собой тепловые шумы аппаратуры ) и внешние (они многообразны и зависят от среды передачи ). Помехоустойчивость канала зависит от аппаратных и алгоритмических решений по обработке принятого сигнала, которые заложены в приемо-передающее устройство. Помехоустойчивость передачи сигналов через канал может быть повышена за счет кодирования и специальной обработки сигнала.

6. Динамический диапазон : логарифм отношения максимальной мощности сигналов, пропускаемых каналом, к минимальной.

7. Помехозащищенность: это помехозащищенность, т.е. помехозащищенность.

Основные показатели системы связи:

1)достоверность передачи сообщений.

Степень соответствия между принятым и преданным сообщением – называют достоверностью передачи.

При передачи дискретных сообщений достоверность определяется коэффициентом ошибок.

Где - это число ошибочно принятых элементов сообщения, -общее число элементов сообщения.

Частность ошибок, величина случайная.

При передачи непрерывных сообщений, различие между переданным и принятым сообщением характеризуется случайной ошибкой.

принятое сообщение, x(t)-полученное сообщение;

Случайная помеха на выходе системы связи.

Часто пользуются критерием среднеквадратической ошибки ().

Среднеквадратическая ошибка определяется:

Средняя мощность помехи;

Средняя мощность полезного сигнала.

Р(- одномерная плотность вероятностной помехи.

Заданный порог помехи.

Физически это условие соответствует вероятностному отсутствию так называемой аномальной ошибки, т.е. ошибка которая может иметь несоответствие для получателя.

Например: кратко временное выход из строя системы, импульсная помеха и т.д.

2)помехоустойчивость.

Передача информации с требуемой достоверностью предполагает надёжную работу системы связи, это возможно если система связи обладает высокой надёжностью, т.е. способность приборов и устройств длительно выполнять возложенные на них функции и обеспечивать необходимую помехоустойчивость - способность противостоять действию помех.

Помехоустойчивость зависит от факторов:

1)способы практической реализации системы связи;

2)элементной базы;

3)изготовление, технология аппаратуры;

4)условия эксплуатации;

5)принципы построения системы связи и т.д.

Надёжность системы связи количественно оценивается вероятностью того, что аппаратура будет выполнять свои функции в течение заданного времени.

Отношение сигнал - шум – фактор оценивающий помехоустойчивость системы связи:

Чем меньше требуется отношение сигнал-шум, тем выше помехоустойчивость системы связи.

3)скорость передачи информации.

Если передача непрерывных сообщений осуществляется в реальном масштабе времени. Однако, часто бывает целесообразно сообщение записать, а потом передать со скоростью отличающуюся в большую или меньшую сторону от времени создания. Это позволяет эффективно использовать каналы связи.

Численно скорость передачи определяется количеством информации поступившей от отправителя к получателю за 1 секунду. Измеряется бит в секунду.

Скорость зависит:

1)от сообщения и статистических его свойств;

2)характеристик канала связи;

3)искажения и помех в канале.

Очень часто при передаче дискретных сообщений для характеристик аппаратной части системы связи пользуются понятием технической скорости передачи.

Предельная возможность скорости передачи оценивают величиной пропускной способности канала, численно определяется максимальным количеством информации передаваемой по нему за 1 секунду.

эффективная полоса частот канала связи;

средняя мощность помехи.

4)эффективность системы связи.

Для оценки качества работы используют показатели связанные с затратами.

1)энергетические;

2)полоса частот ;

3)стоимость аппаратуры;

4)массогабаритные и т.д.

Совокупность свойств характеризующих экономичность системы с точки зрения затрат называют эффективность системы связи.

Для выбора системы связи по эффективности используют критерии, при этом учитывают определённые заранее установленные ограничения на некоторые параметры и характеристики системы связи.

Критерий удельных затрат- это такие критерии, в соответствие с которыми системы связи оцениваются величиной затрат на передачу 1 бита информации при заданной достоверности.

Удельная энергетическая затрата, где

Энергия сигнала на входе приёмника затраченная на передачу 1 бита;

Спектральная плотность помехи.

Удельная затрата полосы, где

Эквивалентная полоса пропускания системы связи;

R-скорость передачи (бит*сек).

Значение иможно рассматривать как показатели работы системы связи.

1.3.Классификация систем и линий передачи информации .

Признаки классификации:

1)область применения (телефонные системы, передача данных, телевидение, телеметрия);

2)по форме сообщения (дискретные, непрерывные);

3)по виду линейного сигнала (непрерывная, импульсная);

4)по диапазону рабочих частот и ширине полосы (узкополосные, широкополосные);

5)по виду связи (стационарные, мобильные);

6)по принципу уплотнения и разделения (временное, частотное, по коду).

Все системы связи делятся на две группы:

1)системы со свободным распространением сигналов.

Уровень рассеяния сигнала пропорционален квадрату расстояния между передатчиком и приёмником (радиотехнические).

2)системы с направленным распространением сигналов.

Принудительное распространение сигнала. Для этого используется устройства. Энергия в них не рассеивается, а поглощается направляющим устройством. Системы стабильны, являются идеальными с точки зрения достоверности. Идеальное решение проблемы электромагнитной совместности- высокая пропускная способность. Однако, эти системы очень дороги, требуют создания усилительных ретрансляционных пунктов.

Проблемы:

1)проблемы электромагнитной совместимости, действие помех;

2)высокая экономичность, гибкость, мобильность.

Системы со свободным распространением сигналов делятся на:

1) системы с постоянными параметрами - системы, в которых параметры сигнала проходя через среду распространения не претерпевают существенных случайных изменений, за исключением фазы (системы радиорелейной связи, спутниковой связи – они работают в диапазоне сантиметровых волн).

2)системы со случайными параметрами – параметры сигнала изменяются про прохождение через среду. Эти изменения приёмника или в системах с отражённой или прямой волной (коротковолновые системы- сигналы претерпевают глубокие замирания).

При длине волны l=3-10 метров, радиосигналы хорошо отражаются от ионосферы, что позволяет распространяться им на 2000 км.

При l<3 метров радиоволны распространяются в пределах видимости.

Классификация волн:

Метод комплексного статистического оценивания основан на вычислении статистики временных и спектральных параметров и их изменений на основе сравнения искаженного в канале и исходного сигналов. Эта методика объединяет возможность оценки по субъективным критериям и аппаратную объективность измерений. Она базируется на закономерностях восприятия человеком внешних возбуждений.

Высокая корреляция изменений свойств сигнала и субъективной оценки качества передачи слушателем позволяет сформировать оценку по следующим критериям:

- заметность изменений сигнала;

- балльная оценка качества передачи;

- предпочтительность передаваемого сигнала.

При осуществлении оценки по критерию «заметности изменений сигнала», предельно допустимым искажениям соответствует 50%-ная заметность. Это предельная норма для каналов с полосой 6300 Гц. Для для каналов с полосой 10 кГц - Р мах = 30%, а для каналов с полосой 15 кГц - Р мах = 15%.

В качестве критерия «заметности» изменений сигнала, используется величина интегрального отклонения ∆S (численное значение суммы абсолютных отклонений функций - ИО) от двух распределений ОСМ для исходного и искаженного сигналов. На рис. 7.5 приведены (НЧПЗ) ОСМ на интервалах анализа 200 мс для двух видов искажений: компактного представления с использованием алгоритма MP-3 и ограничения полосы снизу.

ИО ∆S позволяет оценить степень расхождения двух распределений . При внесении искажений в сигнал ИО повторяет изменение среднего значения НЧПЗ, определяясь изменением СКО и моментами высших порядков. Для подтверждения корреляционной связи величины ∆S с заметностью искажений Р, вносимых трактом передачи ЗВС, на рис. 7.14 представлена интегральная кривая заметности искажений типа «ограничение полосы частот снизу» (пунктирная кривая) , полученная при восприятии реальных сигналов . Сплошными линиями на этом же рисунке построены оценки интегральных отклонений НЧПЗ ОСМ вещательных сигналов, подвергшихся тем же искажениям. Измерения проводились на часовых программах РВС «Маяк», «Орфей» и «Эхо Москвы». Очевидна высокая корреляция зависимостей. Аналогичный характер имеют графики и по всем другим характерным искажениям, что делает обоснованным широкое использование этого критерия в разных приложениях.

Характер и тип искажений может определяться с использованием статистик ряда других параметров ЗВС. Наиболее информативными из них оказались, кроме энергетического параметра ОСМ, параметры формы , отображающие изменения огибающей на участках нестационарности ЗВС, т. е. атаки и спады сигнала. На рис. 7.15 показано изменение ИО НЧПЗ крутизны атак для тех же, что и на рис. 7.14, сигналов при тех же искажениях.

Использование других участков нестационарности ЗВС - спадов сигнала - также перспективно, поскольку изменения участков спадов звукового сигнала воспринимаются как изменения времени реверберации, т. е. акустической обстановки, что негативно сказывается на субъективной оценке звучания.

На рис. 7.16 и 7.17 показано изменение ИО НЧПЗ ОСМ и крутизны атак соответственно для тех же, что и на рис. 7.14 и 7.15, сигналов, но при введении нелинейных искажений.

Весьма информативными для каналов с устранением избыточности являются кепстрапьные параметры. На рис. 7.20 представлена зависимость пик-фактора кепстра от скорости передачи с использованием алгоритма МР-3 для двух вещательных программ часовой длительности. Заметна хорошая корреляция пик-фактора кепстра как объективного параметра с субъективной заметностью искажений (пунктирная кривая).

На рис. 7.21 представлены графики соответствия балльной оценки изменений в сигнале при уменьшении скорости кодирования от 256 кбит/с до 64 кбит/с (кривая 1) и процентной заметности аналогичных изменений, полученных при ССИ (кривая 2).

Кривые идентичны, что свидетельствует об эквивалентности балльной и процентной шкал заметности.

- АЦП исходного и прошедшего канал передачи сигналов;

- нормализацию сигналов по уровню, превышаемому в течение 98% времени;

- синхронизацию сигналов;

Анализ сигналов в соответствии с МКСО, который предполагает вычисление статистики ряда параметров и их изменений на основе сравнения прошедшего обработку и исходного сигналов;

Формирование комплексной оценки изменения сигнала в процессе передачи, а также АЧХ канала на реальном вещательном сигнале. Вывод данных на экран, на печать и сохранение в базе данных.

В соответствии с МКСО, анализируется группа статистических характеристик, а именно: энергетические характеристики (относительная средняя мощность в двух разновидностях, отличающихся способом нормирования - ОСМс и ОСМк); характеристики формы (анализ на интервалах нарастания и спада фильтрованной гильбертовской огибающей сигнала); спектральные и кепстральные характеристики (по мгновенным амплитудным спектрам).

Результатом анализа каждой группы параметров являются нормированные статистические частоты появления значений (НЧПЗ) параметра. На основании НЧПЗ находится интегральное отклонение (ИО) НЧПЗ как усредненное значение абсолютных отклонений частот появления значений параметров сигналов до и после прохождения канала. Для случая спектральных характеристик дополнительно осуществляется графическое представление АЧХ канала, найденной по мгновенным амплитудным спектрам, а также формируются данные о среднеквадратичном отклонении (СКО) от идеальной АЧХ.

В соответствии с МКСО, по результатам анализа изменений статистических характеристик сигнала формируется обобщенная оценка заметности изменений сигнала в процентах и «балльная оценка» качества передачи по 5-балльной шкале. В качестве измерительного инструмента МКСО может использоваться аппаратно-программный комплекс, осуществляющий вычисление, построение и анализ статистических характеристик ряда параметров, а также изменений этих характеристик на основе сравнения искаженного в канале и исходного сигналов.

Трудоемкость формирования оценки в соответствии с МКСО существенно ниже, а точность и повторяемость гораздо выше, чем при проведении ССИ. Причем такой способ оценки качества передачи не противопоставляется традиционным изменениям в соответствии с ГОСТ 11515-91.

Характеристики линий связи можно разделить на две группы:

параметры распространения характеризуют процесс распространения полезного сигнала в зависимости от собственных параметров линии, например погонной индуктивности медного кабеля;
параметры влияния описывают степень влияния на полезный сигнал других сигналов - внешних помех, наводок от других пар проводников в медном кабеле.

В свою очередь, в каждой из этих групп можно выделить первичные и вторичные параметры. Первичные - характеризуют физическую природу линии связи: например, погонное активное сопротивление, погонную индуктивность, погонную емкость и погонную проводимость изоляции медного кабеля или зависимость коэффициента преломления оптического волокна от расстояния от оптической оси. Вторичные параметры выражают некоторый обобщенный результат процесса распространения сигнала по линии связи и не зависят от ее природы - например, степень ослабления мощности сигнала при прохождении им определенного расстояния вдоль линии связи, так называемое затухание сигнала. Для медных кабелей не менее важен и такой вторичный параметр влияния, как степень ослабления помехи от соседней витой пары.

Вторичные параметры определяются по отклику линии передачи на некоторые эталонные воздействия. Подобный подход позволяет достаточно просто и однотипно определять характеристики линий связи любой природы, не прибегая к сложным теоретическим исследованиям и построению аналитических моделей. Для исследования реакции линий связи чаще всего в качестве эталонных используются синусоидальные сигналы различных частот.

СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИГНАЛОВ НА ЛИНИЯХ СВЯЗИ

Любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд (см. Рисунок 1). Каждую составляющую синусоиду называют также гармоникой, а набор всех гармоник - спектральным разложением исходного сигнала. Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла синусоидальных сигналов с непрерывным спектром частот.

При передаче по линии связи форма сигнала искажается вследствие неодинаковой деформации синусоид различных частот. Если это аналоговый сигнал, передающий речь, то изменяется тембр голоса вследствие неточного воспроизведения обертонов - боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму (см. Рисунок 2). Поэтому на приемном конце линии сигналы могут плохо распознаваться.

При передаче по линии связи сигналы искажаются из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных. Так, например, медные провода всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки. В результате для синусоид различных частот линия будет обладать различным полным сопротивлением, а значит, и передаваться они будут по-разному. Волоконно-оптический кабель также имеет отклонения от идеальной среды для передачи света - вакуума. Если линия связи включает промежуточную аппаратуру, то и она может вносить дополнительные искажения.

Не только неоднородность внутренних физических параметров линии связи становится причиной неточных сигналов, свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии вносят и внешние помехи. Их создают различные электрические двигатели, электронные устройства, атмосферные явления и т. д. Несмотря на защитные меры, предпринимаемые разработчиками кабелей и усилительно-коммутирующей аппаратуры, полностью компенсировать влияние внешних помех не удается. Кроме того, в кабеле существуют и внутренние помехи - так называемые наводки одной пары проводников на другую. В результате сигналы на выходе линии связи обычно имеют сложную форму (как это и показано на Рисунке 2), по которой иногда трудно понять, какая дискретная информация была подана на вход линии.

Качество исходных сигналов (крутизна фронтов, общая форма импульсов) зависит от качества передатчика, генерирующего сигналы в линию связи. Одна из самых важных характеристик передатчика - спектральная, т.е. спектральное разложение генерируемых им сигналов. Для генерации качественных прямоугольных импульсов необходимо, чтобы спектральная характеристика передатчика представляла собой как можно более узкую полосу. Например, лазерные диоды имеют значительно меньшую ширину спектра излучения (1-2 нм) по сравнению со светодиодами (30-50 нм) при генерации импульсов, поэтому частота модуляции лазерных диодов может быть намного выше, чем светодиодов.

ЗАТУХАНИЕ И ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается с помощью таких характеристик, как затухание и полоса пропускания.

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) и вычисляется по следующей формуле:

А = 10 lg Р вых /Р вх ,

где P вых - мощность сигнала на выходе линии, а Р вх - мощность сигнала на ее входе.

При отсутствии промежуточных усилителей мощность выходного сигнала кабеля всегда меньше мощности входного, поэтому затухание кабеля, как правило, имеет отрицательную величину.

Степень затухания мощности синусоидального сигнала при прохождении им по линии связи обычно зависит от частоты синусоиды, поэтому полную характеристику дает лишь зависимость затухания от частоты во всем диапазоне, используемом на практике (Рисунок 3).

Рисунок 3. Зависимость затухания от частоты.

Затухание представляет собой обобщенную характеристику линии связи, так как позволяет судить не о точной форме сигнала, а о его мощности (интегральной результирующей от формы сигнала). На практике затухание является важным атрибутом описания линий связи: в частности, в стандартах на кабель этот параметр считается одним из основных.

Чаще всего при описании параметров линии связи приводятся значения затухания всего в нескольких точках общей зависимости, при этом каждая из них соответствует определенной частоте, на которой измеряется затухание. Отдельное значение затухания называют коэффициентом затухания. Применение всего нескольких значений вместо полной характеристики связано, с одной стороны, со стремлением упростить измерения при проверке качества линии, а с другой, основная частота передаваемого сигнала часто заранее известна - это та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать уровень затухания на данной частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на различных частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.

Чем меньше затухание, тем выше качество линии связи или кабеля, по которому она проложена. Обычно затухание определяют для пассивных участков линии связи, состоящих из кабелей и кроссовых секций, без усилителей и регенераторов. Например, кабель с витыми парами Категории 5 для внутренней проводки в зданиях, применяемой практически для всех технологий локальных сетей, характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м.

Частота 100 МГц выбрана потому, что кабель этой категории предназначен для высокоскоростной передачи данных, чьи сигналы имеют значимые гармоники с частотой примерно 100 МГц. Более качественный кабель Категории 6 уже имеет на частоте 100 МГц затухание не ниже -20,6 дБ, т. е. мощность сигнала снижается в меньшей степени. Часто в документации приводятся абсолютные значения затухания, т. е. его знак опускается, так как затухание всегда отрицательно для пассивного, не содержащего усилители и регенераторы, участка линии, например непрерывного кабеля.

Оптический кабель отличается существенно более низкими (по абсолютной величине) размерами затухания, обычно в диапазоне от 0,2 до 3 дБ при длине кабеля в 1000 м. Практически всем оптическим волокнам свойственна сложная зависимость затухания от длины волны, с тремя так называемыми «окнами прозрачности». Характерный пример показан на Рисунке 4. Как можно видеть, область эффективного использования современных волокон ограничена волнами длин 850, 1300 и 1550 нм, при этом окно в 1550 нм обеспечивает наименьшие потери, а значит, максимальную дальность при фиксированной мощности передатчика и фиксированной чувствительности приемника. Выпускаемый многомодовый кабель обладает двумя первыми окнами прозрачности, т. е. 850 и 1300 нм, а одномодовый кабель - двумя окнами прозрачности в диапазонах 1310 и 1550 нм.

Мощность передатчика часто характеризуется абсолютным уровнем мощности сигнала. Уровень мощности, как и затухание, измеряется в децибелах. При этом в качестве базового принимается значение в 1 мВт. Таким образом, уровень мощности p вычисляется по следующей формуле:

P = 10 lg P/1 мВт [дБм],

где P - мощность сигнала в милливаттах, а дБм - единица измерения уровня мощности (дБ на 1 мВт).

Важным вторичным параметром распространения медной линии связи является ее волновое сопротивление. Этот параметр представляет собой полное (комплексное) сопротивление, которое электромагнитная волна определенной частоты встречает при распространении вдоль однородной цепи. Волновое сопротивление измеряется в Омах и зависит от таких первичных параметров линии связи, как активное сопротивление, погонная индуктивность и погонная емкость, а также от частоты самого сигнала. Выходное сопротивление передатчика должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии, иначе затухание сигнала будет чрезмерно большим.

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ

Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех со стороны внешней среды или проводников самого кабеля. Она зависит от типа используемой физической среды, от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и отличной - волоконно-оптические, малочувствительные к внешнему электромагнитному излучению. Обычно уменьшения помех от внешних электромагнитных полей добиваются экранированием и/или скручиванием проводников. Величины, характеризующие помехоустойчивость, относятся к параметрам влияния линии связи.

Первичные параметры влияния медного кабеля - электрическая и магнитная связи. Электрическая связь определяется отношением наведенного тока в цепи, подверженной влиянию, к напряжению, действующему во влияющей цепи. Магнитная связь - это отношение электродвижущей силы, наведенной в цепи, подверженной влиянию, к току во влияющей цепи. Результатом электрической и магнитной связи будут наведенные сигналы (наводки) в цепи, подверженной влиянию. Устойчивость кабеля к наводкам характеризуется несколькими различными параметрами.

Переходное затухание на ближнем конце (Near End Cross Talk, NEXT) определяет устойчивость кабеля в том случае, когда наводка образуется в результате действия сигнала, генерируемого передатчиком, подключенным к одной из соседних пар на том же конце кабеля, на котором работает подключенный к подверженной влиянию паре приемник. Показатель NEXT, выраженный в децибелах, равен 10 lg Pвых/Pнав, где Pвых - мощность выходного сигнала, Pнав - мощность наведенного сигнала. Чем меньше значение NEXT, тем лучше кабель. Так, для витой пары Категории 5 показатель NEXT должен быть лучше -27 дБ на частоте 100 МГц.

Переходное затухание на дальнем конце (Far End Cross Talk, FEXT) описывает устойчивость кабеля к наводкам для случая, когда передатчик и приемник подключены к разным концам кабеля. Очевидно, что этот показатель должен быть лучше, чем NEXT, так как до дальнего конца кабеля сигнал приходит ослабленный вследствие затухания в каждой паре.

Показатели NEXT и FEXT обычно используются применительно к кабелю, состоящему из нескольких витых пар, когда взаимные наводки одной пары на другую могут достигать значительных величин. Для одинарного коаксиального кабеля (т. е. состоящего из одной экранированной жилы) подобный показатель не имеет смысла, не применяется он и для двойного коаксиального кабеля вследствие высокой степени защищенности каждой жилы. Оптические волокна также не создают сколько-нибудь заметных помех друг для друга.

В связи с тем, что в некоторых новых технологиях передача данных осуществляется одновременно по нескольким витым парам, в последнее время стали применяться суммарные показатели (PowerSUM, PS) - PS NEXT и PS FEXT. Они отражают устойчивость кабеля к суммарной мощности перекрестных наводок на одну из пар кабеля от всех остальных передающих пар.

Весьма важной характеристикой передающей среды является показатель защищенности кабеля (ACR), представляющий собой разность между уровнями полезного сигнала и помех. Чем больше это значение, тем с потенциально более высокой скоростью можно передавать данные по указанному кабелю.

ДОСТОВЕРНОСТЬ

Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных. Иногда этот же показатель называют интенсивностью битовых ошибок (Bit Error Rate, BER). Величина BER для каналов связи без дополнительных средств защиты от ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных кадров) составляет, как правило, 10-4-10-6, а в волоконно-оптических линиях связи - 10-9. Значение достоверности передачи данных, например в 10-4, говорит о том, что в среднем из 10000 бит неправильно интерпретируется значение одного бита.

Битовые ошибки происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы сигнала вследствие ограниченной полосы пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень перекрестных наводок в кабеле, а также использовать линии связи с более широкой полосой рабочих частот.

ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ

Полоса пропускания - еще одна вторичная характеристика. С одной стороны, она непосредственно зависит от затухания, а с другой - прямо влияет на такой важнейший показатель линии связи, как максимально возможная скорость передачи информации.

Полоса пропускания (bandwidth) - это непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает заранее заданный определенный предел. Иными словами, полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений (часто за граничные принимаются частоты, где мощность выходного сигнала уменьшается в два раза по отношению к входному, что соответствует затуханию в -3 дБ). Как мы увидим ниже, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи.

Таким образом, амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание являются универсальными характеристиками, и их знание позволяет сделать вывод о том, как через линию связи будут передаваться сигналы любой формы.

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Пропускная способность (количество бит информации, передаваемых в единицу времени) и достоверность передачи данных (вероятность доставки неискаженного бита или же вероятность его искажения) интересуют разработчиков компьютерной сети в первую очередь, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети.

Пропускная способность и достоверность передачи данных зависят как от характеристик физической среды, так и от способа передачи данных. Следовательно, нельзя говорить о пропускной способности линии связи до определения протокола физического уровня. Пропускная способность (throughput) линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Она измеряется в битах в секунду (бит/c), а также в производных единицах - килобит в секунду (Кбит/c), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.

Пропускная способность линий связи и коммуникационного сетевого оборудования традиционно измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно, т. е. побитно, а не параллельно, байтами, как это происходит между устройствами внутри компьютера. Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням 10 (т. е. 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 = 1 048 576.

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, например от затухания и полосы пропускания, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (т. е. те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) не выходят за полосу пропускания линии, такой сигнал будет хорошо передаваться, и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком. Если же значимые гармоники выходят за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал станет значительно искажаться, приемник - ошибаться при распознавании информации, а сама информация в конечном итоге не сможет передаваться с заданной пропускной способностью.

СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Выбор способа представления дискретной информации в виде подаваемых на линию связи сигналов называется физическим, или линейным, кодированием.

От выбранного способа кодирования зависят спектр сигналов и пропускная способность линии. Итак, разным способам кодирования может соответствовать разная пропускная способность. Например, витая пара Категории 3 способна передавать данные с пропускной способностью 10 Мбит/c при способе кодирования стандарта физического уровня 10BaseT и 33 Мбит/с при способе кодирования стандарта 100BaseT4.

Согласно теории информации, информацию несет лишь различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала. Таким образом, прием синусоиды, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации не несет, так как изменение сигнала хотя и происходит, но легко предсказуемо. Аналогично, импульсы на тактовой шине компьютера не несут в себе информации, так как их изменения постоянны во времени. А вот импульсы на шине данных предсказать заранее нельзя, поэтому они переносят информацию между отдельными блоками или устройствами компьютера.

Большинство способов кодирования использует изменение какого-либо параметра периодического сигнала - частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой, если в качестве такого сигнала применяется синусоида.

Если сигнал изменяется так, что различаются только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации - биту. Если же сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение содержит несколько бит информации.

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в бодах (baud). Период времени между соседними изменениями информационного сигнала 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.

Когда у сигнала более двух различимых состояний, пропускная способность в битах в секунду окажется выше, чем число бод. Например, если информационными параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды (причем различаются четыре состояния фазы - в 00, 900, 1800 и 2700 и два значения амплитуды сигнала), то информационный сигнал может иметь восемь различимых состояний. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (с тактовой частотой 2400 Гц), передает информацию со скоростью 7200 бит/с, так как при одном изменении сигнала передается три бита информации.

При использовании сигналов с двумя различимыми состояниями возможна обратная картина. Это часто происходит потому, что для надежного распознавания приемником пользовательской информации каждый бит в последовательности кодируется с помощью нескольких изменений информационного параметра несущего сигнала. Например, при кодировании единичного значения бит импульсом положительной полярности, а нулевого значения бит - импульсом отрицательной полярности физический сигнал дважды изменяет свое состояние при передаче каждого бит. При таком кодировании пропускная способность линии в два раза ниже, чем число бод, передаваемое по линии.

На пропускную способность линии оказывает влияние не только физическое, но и логическое кодирование. Выполняемое до физического кодирования, оно подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей, кроме этого, дополнительными свойствами, в частности возможностью для приемной стороны обнаруживать ошибки в принятых данных. Сопровождение каждого байта исходной информации одним битом четности - очень часто применяемый способ логического кодирования при передаче данных с помощью модемов. Другим примером логического кодирования может служить шифрация данных, обеспечивающая их конфиденциальность при передаче через общедоступные каналы связи. При логическом кодировании чаще всего исходная последовательность бит заменяется более длинной последовательностью, поэтому пропускная способность канала по отношению к полезной информации при этом уменьшается.

Наталья Олифер - обозреватель «Журнала сетевых решений/LAN». С ней можно связаться по адресу: [email protected] . Виктор Олифер - главный специалист «Корпорации Юни». С ним можно связаться по адресу:

Работа любой системы связи оценивается прежде всего точностью 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. Эта величина характеризуется 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 - отношения сигнал/шум; англ. - signal-to-noise ratio - SNR ; обозначают обычно это отношение как S/N).

В работах В. А. Котельникова и К. Шеннона показано, что при выбранном критерии и заданном множестве сигналов, принимаемых при определенной помехе (белом шуме ; white noise), существует предельная (потенциальная) помехоустойчивость, которая ни при каком способе приема не может быть превзойдена. Приемник, реализующий потенциальную помехоустойчивость, называют оптимальным. При некой интенсивности помехи вероятность ошибки приема тем меньше, чем сильнее различаются сигналы, передающие разные сообщения. Проблема состоит в том, чтобы выбрать для передачи информации сильно различающиеся сигналы. Верность передачи можно повысить за счет усложнения методов модуляции- демодуляции и введения помехоустойчивого кодирования сообщений. Наконец, верность передачи зависит и от способа приема сообщений. Необходимо выбрать такой способ приема, который наилучшим образом реализует различие между сигналами при данном отношении сигнал/шум.

Другой важный показатель системы связи - скорость передачи информации.

Как уже отмечалось, объем передаваемой информации принято измерять в битах и байтах. Широко используют и более крупные производные единицы объема информации (как, впрочем, и объема памяти компьютеров): килобайт, мегабайт, гигабайт, а также, в последнее время, терабайт и петабайт.

При определении количества информации исторически сложилась такая ситуация, что с наименованиями «бит» и «байт» некорректно применяли (и применяют) приставки системы СИ (в соответствии с международным стандартом МЭК 60027-2 эти единицы используют, например, так: вместо 1000 = 10 3 записывают 1024 = 2 10):

1 Кбайт = 2 10 байт = 1024 байт;
1 Мбайт = 2 20 байт = 1024 Кбайт;
1 Гбайт = 2 30 байт = 1024 Мбайт = 1 048 576 Кбайт и т.д.

При этом обозначение «Кбайт» принято начинать с прописной буквы в отличие от строчной буквы «к» для обозначения множителя 10 3 .

Напомним, что количество бит или байт, передаваемых в секунду, есть скорость передачи информации, которая определяется в бит/с, бод или байт/с. При повышенной скорости передачи она определяется в Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с, Кбайт/с, Мбайт/с, Гбайт/с, Кбод, Мбод, Гбод и т.д.

В последние годы для оценки скорости передачи информации используют термин «битрейт» (bitrate ), отражающий объем передаваемой информации в единицу времени. Битрейт принято использовать при измерении эффективной скорости передачи полезной информации. Битрейт выражают битами в секунду |бит/с|, а также производными величинами с приставками кило-, мега- и т.д.

При использовании не двоичных, а m-ичных символов максимальное количество информации, которое можно передать по каналу связи, равно log 2 m [бит]. Поэтому дискретный источник сообщений может обеспечить максимальную производительность (скорость выдачи) информации [бит/с], не превышающую

где Т н - длительность одной посылки; m - основание цифрового кода.

При m = 2 R H = 1 /Т н и скорость передачи информации R H численно равна технической скорости v. При т > 2 возможна скорость передачи информации R u > v. Однако часто в цифровых системах связи скорость передачи информации R H 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 корректирующего кода).

Как будет показано далее, максимальное количество информации, которое можно передать одним двоичным символом («1» или «0»), равно 1 биту. Теоретически каждый символ, поступивший на вход канала связи, вызывает появление одного символа на выходе, так что техническая скорость на входе и выходе канала одинакова.

Сжатие передаваемой информации. При передаче информации имеют место две взаимосвязанные проблемы: устранение избыточности информации и сжатие последней. Под избыточностью понимают бесполезную, лишнюю при приеме часть информации, которой все равно невозможно воспользоваться, и она фактически не нужна потребителю. Сообщения практически любого источника обладают избыточностью. Дело в том, что отдельные знаки сообщения находятся в определенной статистической связи. Так, в словах русского языка после двух подряд стоящих гласных букв более вероятна согласная, а после трех подряд согласных наверняка будет гласная. Избыточность позволяет представлять сообщения в более экономной форме. Мера возможного сокращения сообщения без потери информации за счет статистических взаимосвязей между его элементами определяется избыточностью. Понятие «избыточность» применимо не только к сообщениям или сигналам, но и к языку в целом, коду. Например, избыточность европейских языков достигает 60-80%.

Причина появления избыточности - невосприимчивость человеческих органов к некоторой части принятой информации. Так, например, телевизионное изображение может содержать до 16 тыс. цветовых оттенков одного цвета, тогда как зрение человека, чувствительное к яркости, невосприимчиво к такой громадной гамме цветов. В лучшем случае человек может различить до нескольких сотен цветовых оттенков одного цвета. Поэтому часть цветовых оттенков при передаче можно исключить без ощутимой со стороны человека потери качества цветного изображения на экране. То же можно сказать относительно передачи по каналу связи устной речи, верхнюю частоту спектра которой можно ограничить частотой 3400 Гц без потери смысла принятого сообщения. Еще очень простой пример - пусть по каналу связи следует передать сведения о значениях индуктивности I, емкости С и резонансной частоты /колебательного контура. В этом случае можно но каналу передать только значения двух величин, например индуктивности и емкости, а резонансную частоту на приемном конце вычислить по известной формуле.

Устранение избыточности в исходной информации позволяет передавать или хранить меньшее число бит. В теории информации К. Шеннон доказал теорему (см. далее), согласно которой для источника без избыточности при R u (здесь С - емкость системы связи) можно найти такой способ кодирования-декодирования, при котором возможна передача сообщений по каналу связи с помехами со сколь угодно малой ошибкой. Наличие избыточности в сообщении часто оказывается полезным и даже необходимым, так как позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, т.е. повысить достоверность воспроизведения сообщения. Если избыточность в сообщении не используется для повышения достоверности передачи, то ее следует исключить. Для этого используют специальное статистическое кодирование, и избыточность сигнала уменьшается по отношению к избыточности сообщения.

Универсальным показателем системы связи является информационная эффективность ц, характеризующая использование пропускной способности канала r = RJC.

Своевременность передачи сообщений определяется допустимой задержкой , обусловленной преобразованием сообщений и сигнала, а также конечным временем распространения сигнала по каналу связи (особенно время распространения 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 ее задержка в линиях связи являются независимыми характеристиками.

Канал связи, так же как и передаваемый сигнал, характеризуют тремя параметрами: временем Г к, в течение которого по каналу возможна передача информации, динамическим диапазоном D K и полосой пропускания канала F K .

Иод динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности сигнала к мощности присутствующей в канале помехи, выраженное в децибелах.

Обобщенной характеристикой канала связи служит его емкость (объем)

Необходимое условие неискаженной передачи по каналу сигналов

Часто преобразование первичного сигнала в высокочастотный радиосигнал и преследует цель согласования передаваемого сигнала с каналом. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трем параметрам:

При соблюдении этих условий объем передаваемого сигнала практически полностью «вписывается» в объем канала.

В ряде случаев неравенство (1.2) может выполняться и тогда, когда одно или два из неравенств (1.3) невыполнены. Это означает, что можно производить «обмен» длительности на ширину спектра или ширину спектра на динамический диапазон и г.д. Рассмотрим пример.

Пример 1.1

Пусть записанный на магнитофон телефонный сигнал с шириной спектра 3,4 кГц необходимо передать через канал связи, полоса пропускания которого 340 Гц. Это можно осуществить, воспроизводя сигнал со скоростью, в пять раз меньшей той, с которой он был записан. При этом все значения частот исходного сигнала уменьшатся в пять раз, но и во столько же раз увеличится время передачи. Принятый сигнал также записывают на магнитофон, а затем, воспроизведя его со скоростью, в пять раз большей, можно с высокой точностью восстановить исходный сигнал. Аналогично можно передать сигнал быстрее, если полоса пропускания канала шире спектра сигнала.

Однако наибольший интерес вызывает возможность обмена динамического диапазона канала связи на полосу пропускания. Оказывается, что при внедрении импульсно-кодовых видов модуляции (см. гл. 2) 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.