Рис. 4.4. Последовательность двоичных сигналов

Пропускная способность канала. Пропускная способность канала зависит от полосы частот линии связи и отношения мощностей сигнала и шума. Максимальная пропускная способность канала, настроенного на основе линии с полосой частот F и отношением сигнал-шум Рс/Рш, составляет (бит в секунду)

Стах = F lGg2 (1 + Pc / Рш )(4.1)

Значение (1+ Рс/Рш) определяет число уровней сигнала, которое может быть воспринято приемником. Так, если отношение Рс/Рш>3, то единичный сигнал может переносить четыре значения, т. е. log2 (1 + 3) = 2 бита информации.

При передаче данных широко используются двоичные сигналы, принимающие значения 0 и 1. Временная диаграмма последовательности таких сигналов, передаваемых по линии связи, изображена на рис. 4.4, где сверху указаны значения, переносимые сигналом. Минимальная длительность такта, с которым могут передавался сигналы по каналу с полосой частот F, равна Tmin = 1/(2F). Если вероятность искажения символов 0 и 1 из-за помех одинакова и равна р, то число двоичных символов, которые можно безошибочно передать по каналу в секунду,

С = 2F [1 + plog2 p + (1 - p) log2 (1 - p)](4.2)

Это выражение определяет пропускную способность двоичного канала. Величина в квадратных скобках определяет долю двоичных символов, которые передаются по каналу с частотой 2F без искажений. Если помехи отсутствуют, вероятность искажения символа p = 0 и пропускная способность C = 2F; если вероятность искажения р=0,5, то пропускная способность С=0. Если по каналу передается сообщение длиной n двоичных символом, то вероятность появления в нем точно l ошибок Р (n, l) = Cnp (1 - p)n -, среднее число ошибок

a = np и среднее квадратическое отклонение a = Jnp(1 - p).

Наиболее распространенный тип капала - телефонный с полосой пропускания 3,1 кГц и диапазоном частот от /Н = 0,3 кГц до /Н = 3,4 кГц. Коммутируемый телефонный канал обеспечивает скорость передачи данных С=1200 бит/с, а некоммутируемый - до 9600 бит/с.

Эффективность использования канала связи для передачи данных принято характеризовать удельной пропускной способностью B = C /F, т. е. пропускной способностью на 1 Гц полосы частот канала. Для коммутируемых телефонных каналов удельная пропускная способность не превышает 0,4 бит/(с • Гц), а для некоммутируемых составляет, как правило. 3-5 бит/(с • Гц).

Стандартизированы следующие скорости передачи данных по каналам связи: 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 12000, 24000, 48000 и 96000 бит/с. Каналы с пропускной способностью до 300 бит/с называются низкоскоростными, от 600 до 4800 бит/с -среднескоростными и с большей пропускной способность - высокоскоростными.

Способы передачи данных. Для передачи данных по каналам с различными характеристиками используются разные способы, обещающие максимальное использование свойств

каналов для повышения скорости и достоверности передачи данных при умеренной стоимости аппаратуры.

Данные первоначально предоставляются последовательностью прямоугольных импульсов (рис. 4.4). Для их передачи без искажения требуется полоса частот от нуля до бесконечности. Реальные каналы имеют конечную полосу частот, с которой необходимо согласовать передаваемые сигналы. Согласование обеспечивается, во-первых, путем модуляции - переноса сигнала на заданную полосу частот и, во-вторых, путем кодирования - преобразовании данных в вид, позволяющий обнаруживать и исправлять ошибки, возникающие из-за помех в канале связи.

При использовании высокочастотных проводных и кабельных линий, полоса частот которых начинается примерно от нуля, сигналы можно передавать в их естественном виде - без модуляции (в первичной полосе частот). Каналы, работающие без модуляции, называются телеграфными и обеспечивают передачу данных со скоростью, как правило, 50-200 бит/с.

Модем

Модем

ООД

Демодулятор

Модулятор

ООД

Рис. 4.5. Канал с модуляцией

Когда канал имеет резко ограниченную полосу частот, как, например, радиоканал, передача сигналов должна выполняться в этой полосе и перенос сигнала в заданную полосу производится посредством модуляции по схеме, изображенной на рис. 4.5. В этом случае между оконечным оборудованием данных, работающим с двоичными сигналами, и каналом устанавливается modem -модулятор и демодулятор. Модулятор перемещает спектр первичного сигнала в окрестность несущей частоты f0. Демодулятор выполняет над сигналом обратное преобразование, формируя из модулированного сигнала импульсный двоичный сигнал.

11

a)

0

0

б)

г)

Рис. 4.6. Способы модуляции

t

Способы модуляции подразделяются на аналоговые и дискретные. К аналоговым относятся амплитудная, частотная и фазовая модуляция (рис. 4.6). При амплитудной (рис. 4.6, б) производится модуляция амплитуды несущей частоты первичным сигналом (рис. 4.6, а). При частотной модуляции (рис. 4.6, в) значения 0 и 1 двоичного сигнала передаются сигналами с различной частотой -f иf1. При фазовой модуляции (рис. 4.6, г) значениям сигнала 0 и 1 соответствуют сигналы частоты f с разной фазой. Дискретные способы модуляции применяются для преобразования аналоговых сигналов, например речевых, в цифровые. Для этих целей наиболее широко используются амплитудно-импульсная, кодово-импульсная и времяимпульсная модуляция.

Кодирование передаваемых данных производится в основном для повышения помехоустойчивости данных. Так, первичные коды символов могут быть представлены в помехозащищенной форме - с использованием кодов Хемминга, обеспечивающих обнаружение и

исправление ошибок в передаваемых данных. В последнее время функция повышения достоверности передаваемых данных возлагается на оконечное оборудование данных и обеспечивается за счет введения информационной избыточности в передаваемые сообщения.

Аппаратура передачи данных. Основное назначение АПД - преобразование сигналов, поступающих с оконечного оборудования, для передачи их в полосе частот канала связи и обратное преобразование сигналов, поступающих из канала. При работе с телеграфным каналом, сигналы по которому передаются без модуляции (в первичной полосе частот), указанные функции реализуются устройством преобразования телеграфных сигналов, а при работе с телефонным и высокочастотным каналом - модемом. Основные элементы модулятора и демодулятора представлены на рис. 4.7. В рассматриваемом случае передача данных в канал производится синхронно с частотой, соответствующей скорости работы канала, например с частотой 1200 Гц. Сигналы синхронизации si- формируются в модуляторе тактовым генератором ТГ. По каждому сигналу синхронизации ST в блок модуляции БМ вводится двоичный сигнал т, представляющий собой бит данных. Несущая частота формируется генератором ГНЧ. Модулированный сигнал поступает на полосовой фильтр ПФ, ограничивающий полосу частот сигнала в соответствии с нижней и верхней границей полосы канала. Затем сигнал с заданной полосой частот передается по каналу в демодулятор, проходит через полосовой фильтр, выделяющий заданную полосу частот, и поступает в блок демодуляции.

Модулятор

Демодулятор

ТГ

ГНЧ

СТГ

►я

Т

s

Рис. 4.7. Модулятор и демодулятор

БДМ, на входе которого формируются двоичные сигналы. Эти сигналы используются для выделения тактовой частоты, с которой передаются данные. Тактовая частота в демодуляторе формируется синхронизируемым тактовым генератором (СТГ), фаза и частота которого автоматически подстраиваются под фазу и частоту сигналов, поступающих с БДМ. Сигналы синхронизации sr поступают на регенератор сигналов pc, который формирует прямоугольные импульсы, представляющие собой биты данных со значением 1, и, кроме того, используются аппаратурой обработки данных для синхронизации приема данных из демодулятора. Диаграммы сигналов в демодуляторе представлены на рис. 4.8.

Описанный канал связи называется синхронным. В нем передача и прием данных производится с постоянной тактовой частотой, одинаковой на входе и выходе канала. Синхронизм передающего и принимающего оборудования канала обеспечивается автоматически за счет подстройки частоты генератора тактов в демодуляторе. Принимаемые сигналы сдвинуты относительно передаваемых по фазе на величину, определяемую временем распространения сигнала по каналу связи.

В зависимости от направления передачи данных каналы подразделяются на симплексные, полудуплексные и дуплексные. Симплексный канал позволяет передавать данные только в одном направлении - прямом или обратном - один абонент передает, а другой принимает данные. Полудуплексный канал обеспечивает поочередную передачу данных в двух направлениях поочередно. Модемы на каждом конце канала устанавливаются в состояние приема или передачи с помощью сигналов управления. Дуплексный канал позволяет передавать данные одновременно в двух направлениях. Это обеспечивается за счет