Типы характеристик и способы их определения
К основным характеристикам линий связи относятся:
- амплитудно-частотная характеристика;
- полоса пропускания;
- затухание;
- помехоустойчивость;
- перекрестные наводки на ближнем конце линии;
- пропускная способность;
- достоверность передачи данных;
- удельная стоимость.
Производительность и надежность сети напрямую зависит от характеристик линий связи. 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.
Первичные параметры — 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 Рвых/Рвх, где Pвых — мощность сигнала на выходе линии, а Рвх — 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).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.
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.
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. 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. 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. 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.
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.
Амплитудно-частотная характеристика, зависимость амплитуды синусоид, колебания от его частоты на выходе устройства. Измеряется при постоянной амплитуде изменяемого по частоте колебания на входе устройства и линейном режиме его работы. Часто А.-ч. х. упрощённо называют частотной характеристикой. Для наглядности А.-ч. х. строят в виде графика: по оси ординат откладывают амплитуды (часто в дб) или относительные амплитуды, а по оси абсцисс — частоты (иногда в логарифмическом масштабе). В электротехнике, радиоэлектронике и др. областях техники по А.-ч. х. определяют различные параметры (полосу пропускания частот, избирательность и др.), по которым судят о работе устройств, приборов.