Современные системы сбора и обработки информации содержат обычно несколько взаимодействующих между собой устройств (контроллеры, микро-ЭВМ и др.), которые разнесены на десятки, сотни, иногда даже на тысячи метров.

Это обстоятельство выдвигает проблему передачи информации по каналам связи. Эти каналы связи должны работать в промышленной среде, которая может характеризоваться высоким уровнем помех, запыленностью, химической агрессивностью, большими колебаниями температуры, вибрациями. В зависимости от назначения к каналам связи могут предъявляться требования высокого быстродействия и высокой достоверности передаваемых сигналов.

Канал связи состоит из оконечной аппаратуры и линии передачи, то есть среды, по которой распространяется сигнал. В функции оконечной аппаратуры входит согласование сигналов на выходе передатчика и сигналов, распространяющихся по линии передачи, а также сигналов на выходе из линии передачи и на входе приемника.

Эти функции обычно разделяют на два уровня:

Управления линией;

Управления каналом.

К задачам управления линией относят формирование на передающей стороне сигнала, непосредственно направляемого в линию, преобразование на приемной стороне поступившего из линии сигнала в сигнал, воспринимаемый аппаратурой информационного канала, синхронизацию сигналов и контроль их достоверности.

Линия передачи вместе с узлами оконечной аппаратуры образует физический канал .

Для связи с АЦП и ЦАП, с одной стороны, датчиками и исполнительными механизмами - с другой, используют аналоговые физические каналы.

Для передачи сообщений узлам обработки данных используют дискретные физические каналы , передающие сигналы кодом.

Импульсы, используемые для передачи цифровой информации по физическому каналу, занимают определенный спектр частот. Этот спектр совпадает с полосой эффективно пропускаемых линией частот только в том случае, когда полоса частот, занимаемая сигналом в линии, начинается с нулевой частоты, то есть, когда передача осуществляется видеоимпульсами. Если же спектр сигнала не совпадает с рабочим диапазоном канала связи, его преобразуют с помощью модуляции.

Использование для передачи сигнала той части полосы частот, которую пропускает физический канал, позволяет уплотнить его по частоте. То есть несколько абонентов могут пользоваться одним физическим каналом одновременно.

Чаще всего используется стандартный телефонный канал. Он размещается в полосе частот от 300 до 3400 Гц. Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (МККТТ) рекомендует шесть вариантов деления этого диапазона: максимум на 26, 13, 8, 6, 2 или 1 канал (рис. 3.1).

На рисунке 3.1 штриховкой выделены полосы сигналов телефонного вызова, контроля частоты синхронизации.

В системах связи и телемеханики обычно используется частотное разделение (уплотнение) каналов. В локальных сетях АСУ ТП (децентрализованные системы) к частотному уплотнению в последнее время не прибегают. Данные передаются последовательно, по битам, физический канал используется для обмена данными между различными абонентами в режиме разделения времени.

Гроднев И.И., Мурадян А.Г., Шарафутдинов P.M. и др. «Волоконно-оптические системы передачи и кабели». Справочник, «Радио и связь», М., 1993.

Андреев В.А., Бурдин В.А., Попов В.В., Полыгаков А.И. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий связи. Учебник для ВУЗов - М., Радио и связь, 1995.

Алексеев Е.Б. Особенности внедрения ВОСП на ВСС РФ, «Вестник связи», 1995, № 2.

Алексеев Е.Б., Заркевич Е.А., Макеев О.Н., Устинов С.А. Концепция развития современных высокоскоростных ВОСП, «Электросвязь», 1996, № 9.

Убайдуллаев P.P. «Волоконно-оптические сети». ЭКО-ТРЕНДЗ, М., 1998.

Алексеев Е.Б., Заркевич Е.А., Устинов С.А. Концепция построения сетей доступа ВСС РФ на элементах фотонной технологии, «Электросвязь», ! 998, № 10.

Алексеев Е.Б. «Принципы построения и технической эксплуатации фотонных сетей связи». Учебное пособие, ИПК МТУ СИ, ЗАО «Информсвязьиздат», М. 2000.

Алексеев Е.Б., Заркевич Е.А., Скляров O.K., Устинов С.А. Эволюция сети доступа на основе применения волоконно-оптических технологий, «Электросвязь», 2003, № 9.

Алексеев Е.Б., Заркевич Е.А., Скляров O.K., Павлов Н.М. Атмосферные оптические линии передачи на местной сети связи России и проблемы их внедрения, «Электросвязь», 2003, №9.

Алексеев Е.Б. «Основы проектирования и технической эксплуатации цифровых волоконно-оптических систем передачи». Учебное пособие, ИПК МТУСИ, ООО «Оргсервис-2000», М., 2004.

Алексеев Е.Б. «Транспортные сети СЦИ. Проектирование, техническая эксплуатация и управление». Учебное пособие, ИПК МТУСИ, ООО «Оргсервис-2000», М., 2004.

Алексеев Е.Б., Скляров O.K., Устинов С.А. Оптические сети операторов связи DWDM и CWDM в России, «Технологии и средства связи», 2004, № 2.

Алексеев Е.Б., Скляров O.K., Устинов С.А. Спектральное уплотнение в оптических сетях связи, «ФОТОН-ЭКСПРЕСС», 2004, № 1.

Алексеев Е.Б., Скляров O.K., Устинов С.А. Спектральное уплотнение оптических каналов в современных ВОСП, «ФОТОН-ЭКСПРЕСС», 2004, № 1.

Петренко И.И., Убайдуллаев P.P. Пассивные оптические сети PON. Часть 1. Архитектура и стандарты, «LIGHTWAVE RUSSIAN EDITION», 2004, № 1.

Петренко И.И., Убайдуллаев P.P. Пассивные оптические сети PON. Часть 1. Архитектура и стандарты, «LIGHTWAVE RUSSIAN EDITION», 2004, № I.

Петренко И.И., Убайдуллаев P.P. Пассивные оптические сети PON. Часть 2. ETHERNET на первой миле, «LIGHTWAVE RUSSIAN EDITION», 2004, № 2.

Петренко И.И., Убайдуллаев P.P. Пассивные оптические сети PON. Часть 3. Проектирование оптимальных сетей, «LIGHTWAVE RUSSIAN EDITION», 2004, № 3.

Долотов Д.В. Оптические технологии в сетях доступа, «Технологии и средства связи», спецвыпуск «Системы абонентского доступа», 2004.

РД 45.047-99 Линии передачи волоконно-оптические па магистральной и внутризоновых первичных сетях ВСС России. Техническая эксплуатация. Руководящий технический материал. "

ОСТ 45.178-2000 Системы передачи с оптическими усилителями и спектральным уплотнением. Стыки оптические. Классификация и основные параметры.

РД 45.036-99 Технические требования на аппаратуру атмосферного оптического цифрового линейного тракта плезиохронной цифровой иерархии.

РД 45.186-2001 Аппаратура волоконно-оптических усилителей для применения на Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации. Технические требования.

РД 45.200-2001 Применение волоконно-оптических средств на сетях доступа. Руководящий технический материал.

РЛ 45 286-2002 Аппаратура волоконно-оптической системы передачи со спектральным разделением. Общие технические

Скляров O.K., Заркевич Е.А., Устинов С.А. Волоконно-оптические технологии как основа развития широкополосных сетей доступа, «Технологии и средства и связи», №3, 2003

Павлов Н.М. Параметры атмосферного кнала и надежность АОЛП, «Технологии и средства и связи», №2, 2003

Основные положения развития Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации на перспективу до 2005 года, кн.1, 2, М, 1996 г.

Правила технической эксплуатации первичной сети Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации», кн. 1,2,3. Введены в действие приказом Минсвязи России от 19.10.98 г., N 187.

РД 45.180-2001 Руководство по проведению планово-профилактических и аварийно-восстановительных работ на линейно-кабельных сооружениях связи волоконно-оптической линии передач.

ГОСТ 26599-85 Системы передачи волоконно-оптические. Термины и определения.

ОСТ 45.201-2003 Системы передачи волоконно-оптические. Усилители оптические. Термины и определения.

ОСТ 45.202-2003 Системы передачи волоконно-оптические со спектральным разделением. Основные компоненты. Термины и определения.

Стандарт МЭК 60875-1 Generic Specification for Fibre-optic Branching Devices (Основная спецификация для волоконно-оптических устройств разветвления)

Стандарт МЭК 60869-(Generic Specification for Fibre-optic Attenuators (Основная спецификация для волоконно-оптических аттенюаторов).

Стандарт МЭК 6)931-1 Fibre-optic Terminology (Терминология по волоконной оптике).

Стандарт МЭК 61202-1 Generic Specification for Fibre-optic solators (Основная спецификация для волоконно-оптических изоляторов).

Стандарт МЭК 60876-1 Generic Specification for Fibre-optic Switches (Основная спецификация для волоконно-оптических переключателей).

Стандарт МЭК 60874-1 Generic Specification for Fibre-optic Connectors (Основная спецификация для волоконно-оптических разъемных соединителей).

Стандарт МЭК 61073-1 Generic Specification for Splices for Optical Fibres and Cables (Основная спецификация для волоконно-оптических соединителей).

На рис. 1 приняты следующие обозначения: X, Y, Z, W – сигналы, сообщения; f – помеха; ЛС – линия связи; ИИ, ПИ – источник и приемник информации; П – преобразователи (кодирование, модуляция, декодирование, демодуляция).

Существуют различные типы каналов, которые можно классифицировать по различным признакам:

1.По типу линий связи: проводные; кабельные; оптико-волоконные;

линии электропередачи; радиоканалы и т.д.

2. По характеру сигналов: непрерывные; дискретные; дискретно-непрерывные (сигналы на входе системы дискретные, а на выходе непрерывные, и наоборот).

3. По помехозащищенности: каналы без помех; с помехами.

Каналы связи характеризуются:

1. Емкость канала определяется как произведениевремени использования канала T к, ширины спектра частот, пропускаемых каналом F к и динамического диапазона D к . , который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов

V к = T к F к D к. (1)

Условие согласования сигнала с каналом:

V c £ V k ; T c £ T k ; F c £ F k ; V c £ V k ; D c £ D k .

2.Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени.

3.

4. Избыточность – обеспечивает достоверность передаваемой информации (R = 0¸1).

Одной из задач теории информации является определение зависимости скорости передачи информации и пропускной способности канала связи от параметров канала и характеристик сигналов и помех.

Канал связи образно можно сравнивать с дорогами. Узкие дороги – малая пропускная способность, но дешево. Широкие дороги – хорошая пропускная способность, но дорого. Пропускная способность определяется самым «узким» местом.

Скорость передачи данных в значительной мере зависит от передающей среды в каналах связи, в качестве которых используются различные типы линий связи.

Проводные:

1. Проводные – витая пара (что частично подавляет электромагнитное излучение других источников). Скорость передачи до 1 Мбит/с. Используется в телефонных сетях и для передачи данных.

2. Коаксиальный кабель. Скорость передачи 10–100 Мбит/с – используется в локальных сетях, кабельном телевидении и т.д.

3. Оптико-волоконная. Скорость передачи 1 Гбит/с.

В средах 1–3 затухание в дБ линейно зависит от расстояния, т.е. мощность падает по экспоненте. Поэтому через определенное расстояние необходимо ставить регенераторы (усилители).

Радиолинии:

1.Радиоканал. Скорость передачи 100–400 Кбит/с. Использует радиочастоты до 1000 МГц. До 30 МГц за счет отражения от ионосферы возможно распространение электромагнитных волн за пределы прямой видимости. Но этот диапазон сильно зашумлен (например, любительской радиосвязью). От 30 до 1000 МГц – ионосфера прозрачна и необходима прямая видимость. Антенны устанавливаются на высоте (иногда устанавливаются регенераторы). Используются в радио и телевидении.

2.Микроволновые линии. Скорости передачи до 1 Гбит/с. Используют радиочастоты выше 1000 МГц. При этом необходима прямая видимость и остронаправленные параболические антенны. Расстояние между регенераторами 10–200 км. Используются для телефонной связи, телевидения и передачи данных.

3. Спутниковая связь . Используются микроволновые частоты, а спутник служит регенератором (причем для многих станций). Характеристики те же, что у микроволновых линий.

2. Пропускная способность дискретного канала связи

Дискретный канал представляет собой совокупность средств, предназначенных для передачи дискретных сигналов .

Пропускная способность канала связи – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины.Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени. Определим выражения для расчета скорости передачи информации и пропускной способности дискретного канала связи.

При передаче каждого символа в среднем по каналу связи проходит количество информации, определяемое по формуле

I (Y, X) = I (X, Y) = H(X) – H (X/Y) = H(Y) – H (Y/X) , (2)

где: I (Y, X) – взаимная информация, т.е.количество информации, содержащееся в Y относительно X ; H(X) – энтропия источника сообщений; H (X/Y) – условная энтропия, определяющая потерю информации на один символ, связанную с наличием помех и искажений.

При передаче сообщения X T длительности T, состоящего из n элементарных символов, среднее количество передаваемой информации с учетом симметрии взаимного количества информации равно:

I(Y T , X T) = H(X T) – H(X T /Y T) = H(Y T) – H(Y T /X T) = n . (4)

Скорость передачи информации зависит от статистических свойств источника, метода кодирования и свойств канала.

Пропускная способность дискретного канала связи

. (5)

Максимально-возможное значение, т.е. максимум функционала ищется на всем множестве функций распределения вероятности p(x) .

Пропускная способность зависит от технических характеристик канала (быстродействия аппаратуры, вида модуляции, уровня помех и искажений и т.д.). Единицами измерения пропускной способности канала являются: , , , .

2.1 Дискретный канал связи без помех

Если помехи в канале связи отсутствуют, то входные и выходные сигналы канала связаны однозначной, функциональной зависимостью.

При этом условная энтропия равна нулю, а безусловные энтропии источника и приемника равны, т.е. среднее количество информации в принятом символе относительно переданного равно

I (X, Y) = H(X) = H(Y); H (X/Y) = 0.

Если Х Т – количество символов за время T , то скорость передачи информации для дискретного канала связи без помех равна

где V = 1/ – средняя скорость передачи одного символа.

Пропускная способность для дискретного канала связи без помех

(7)

Т.к. максимальная энтропия соответствует для равновероятных символов, то пропускная способность для равномерного распределения и статистической независимости передаваемых символов равна:

. (8)

Первая теорема Шеннона для канала:Если поток информации, вырабатываемый источником, достаточно близок к пропускной способности канала связи, т.е.

, где - сколь угодно малая величина,

то всегда можно найти такой способ кодирования, который обеспечит передачу всех сообщений источника, причем скорость передачи информации будет весьма близкой к пропускной способности канала.

Теорема не отвечает на вопрос, каким образом осуществлять кодирование.

Пример 1. Источник вырабатывает 3 сообщения с вероятностями:

p 1 = 0,1; p 2 = 0,2 и p 3 = 0,7.

Сообщения независимы и передаются равномерным двоичным кодом (m = 2 ) с длительностью символов, равной 1 мс. Определить скорость передачи информации по каналу связи без помех.

Решение: Энтропия источника равна

[бит/с].

Для передачи 3 сообщений равномерным кодом необходимо два разряда, при этом длительность кодовой комбинации равна 2t.

Средняя скорость передачи сигнала

V =1/2 t = 500 .

Скорость передачи информации

C = vH = 500 × 1,16 = 580 [бит/с].

2.2 Дискретный канал связи с помехами

Мы будем рассматривать дискретные каналы связи без памяти.

Каналом без памяти называется канал, в котором на каждый передаваемый символ сигнала, помехи воздействуют, не зависимо от того, какие сигналы передавались ранее. То есть помехи не создают дополнительные коррелятивные связи между символами. Название «без памяти» означает, что при очередной передаче канал как бы не помнит результатов предыдущих передач.

При наличии помехи среднее количество информации в принятом символе сообщении – Y , относительно переданного – X равно:

Для символа сообщения X T длительностиT , состоящегоиз n элементарных символов среднее количество информации в принятом символе сообщении – Y T относительно переданного – X T равно:

I(Y T , X T) = H(X T) – H(X T /Y T) = H(Y T) – H(Y T /X T) = n = 2320 бит/с

Пропускная способность непрерывного канала с помехами определяется по формуле

=2322 бит/с.

Докажем, что информационная емкость непрерывного канала без памяти с аддитивным гауссовым шумом при ограничении на пиковую мощность не больше информационной емкости такого же канала при той же величине ограничения на среднюю мощность.

Математическое ожидание для симметричного равномерного распределения

Средний квадрат для симметричного равномерного распределения

Дисперсия для симметричного равномерного распределения

При этом, для равномерно-распределенного процесса .

Дифференциальная энтропия сигнала с равномерным распределением

Разность дифференциальных энтропий нормального и равномерно распределенного процесса не зависит от величины дисперсии

= 0,3 бит/отсч.

Таким образом, пропускная способность и емкость канала связи для процесса с нормальным распределением выше, чем для равномерного.

Определим емкость (объем) канала связи

V k = T k C k = 10 × 60 × 2322 = 1,3932 Мбит.

Определим количество информации, которое может быть передано за 10 минут работы канала

10× 60× 2322=1,3932 Мбит.

Задачи

1. В канал связи передаются сообщения, составленные из алфавита x 1, x 2 и x 3 с вероятностями p ( x 1 )=0,2; p ( x 2) =0,3 и p ( x 3 )=0,5 .

Канальная матрица имеет вид:

при этом .

Вычислить:

1.Энтропию источника информации H ( X ) и приемника H ( Y ) .

2. Общую и условную энтропию H ( Y / X ).

3. Потери информации в канале при передаче к символов (к = 100 ).

4. Количество принятой информации при передаче к символов.

5. Скорость передачи информации, если время передачи одного символаt = 0,01 мс .

2. По каналу связи передаются символы алфавита x 1 , x 2 , x 3 и x 4 с вероятностями . Определить количество информации принятой при передаче 300 символов, если влияние помех описывается канальной матрицей:

.

3. Определить потери информации в канале связи при передаче равновероятных символов алфавита, если канальная матрица имеет вид

.

t = 0,001 сек.

4.Определить потери информации при передаче 1000 символов алфавита источникаx 1 , x 2 и x 3 с вероятностями p =0,2; p =0,1 и p ()=0,7 , если влияние помех в канале описывается канальной матрицей:

.

5. Определить количество принятой информации при передаче 600 символов, если вероятности появления символов на выходе источника X равны: а влияние помех при передаче описывается канальной матрицей:

.

6. В канал связи передаются сообщения, состоящие из символов алфавита , при этом вероятности появления символов алфавита равны:

Канал связи описан следующей канальной матрицей:

.

Определить скорость передачи информации, если время передачи одного символа мс .

7.По каналу связи передаются сигналы x 1 , x 2 и x 3 с вероятностями p =0,2; p =0,1 и p ()=0,7. Влияние помех в канале описывается канальной матрицей:

.

Определить общую условную энтропию и долю потерь информации, которая приходится на сигнал x 1 (частную условную энтропию).

8. По каналу связи передаются символы алфавита x 1 , x 2 , x 3 и x 4 с вероятностями .

Помехи в канале заданы канальной матрицей

.

Определить пропускную способность канала связи, если время передачи одного символа t = 0,01 сек.

Определить количество принятой информации при передаче 500 символов, если вероятности появления символов на входе приемника Y равны: , а влияние помех при передаче описывается канальной матрицей:

.

Список литературы

1 Гринченко А.Г. Теория информации и кодирование: Учебн. пособие. – Харьков: ХПУ, 2000.

2 Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. – Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. – СПб: Политехника, 1999.

3 Хемминг Р.В. Цифровые фильтры: Пер. с англ. / Под ред. А.М. Трахтмана. – М.: Сов. радио, 1980.

4 Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы: В 2-х ч. / Пер. с англ. – М.: Мир, 1988.

5 Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. – 1104 с.

6 Kalinin, V.I. Microwave & Telecommunication Technology, 2007. CriMiCo 2007. 17th International Crimean ConferenceVolume, Issue, 10–14 Sept. 2007 Page(s):233 – 234

7 Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра. Пер. с англ. – М.: Радио и связь, 2000.

8 Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991;

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Подобные документы

Характеристика локальных компьютерных сетей и рассмотрение основных принципов работы глобальной сети Интернет. Понятие, функционирование и компоненты электронной почты, форматы ее адресов. Телекоммуникационные средства связи: радио, телефон и телевидение.

курсовая работа , добавлен 25.06.2011


Изучение радиотехнических систем передачи информации. Назначение и функции элементов модели системы передачи (и хранения) информации. Помехоустойчивое кодирование источника. Физические свойства радиоканала как среды распространения электромагнитных волн.

реферат , добавлен 10.02.2009


Технологии построения сетей передачи данных. Обоснование программных и аппаратных средств системы передачи информации. Эргономическая экспертиза программного обеспечения Traffic Inspector. Разработка кабельной системы волоконно-оптических линий связи.

дипломная работа , добавлен 24.02.2013


Что такое ТСР? Принцип построения транкинговых сетей. Услуги сетей тракинговой связи. Технология Bluetooth - как способ беспроводной передачи информации. Некоторые аспекты практического применения технологии Bluetooth. Анализ беспроводных технологий.

курсовая работа , добавлен 24.12.2006


Классическое шифрование передачи криптографического ключа. Протоколы квантовой криптографии, их сущность и содержание. Анализ возможности передачи конфиденциальной информации по квантовым каналам связи. Способы исправления ошибок при передаче информации.

курсовая работа , добавлен 08.05.2015


Состав и технические требования к системе передачи информации с подстанции. Определение объемов телеинформации. Выбор и сопряжение аппаратуры преобразования и передачи телемеханической информации с аппаратурой связи. Расчет высокочастотного тракта по ЛЭП.

курсовая работа , добавлен 14.09.2011


Средства связи как технологии передачи информации: история, характеристика. Проводные, кабельные, воздушные, оптоволоконные линии связи. Беспроводные, радиорелейные, спутниковые системы; буквенно-цифровые сообщения. Сотовая связь, Интернет-телефония.

курсовая работа , добавлен 18.12.2012