Разные формы представления сигнала

Теоретические основы передачи данных

Принципы функционирования физической среды передачи данных

В этой главе мы рассмотрим самый нижний уровень в иерархии сетевых протоколов. Мы начнем со знакомства с теоретическими принципами передачи данных, чтобы уяснить те физические законы, которые ограничивают наши возможности передавать данные по какой-либо физической среде.

Затем мы рассмотрим основные виды физических сред, используемых для передачи сигналов, примеры систем, использующих эти физические среды.

Все виды информации могут быть представлены в виде электромагнитных импульсов. В зависимости от среды передачи и организации в СПД могут применять либо аналоговые, либо цифровые сигналы (подробно об этом см. раздел 2.1.2).

Любой сигнал можно рассматривать либо как функцию времени, т.е. то, как различные параметры сигнала изменяются со временем, либо как функцию частоты. Последнее связано с тем, что любой сигнал можно рассматривать как композицию составляющих сигналов. Такие составляющие сигнала называют гармониками разной частоты. Важной характеристикой сигнала является ширина его полосы, которая покрывает весь спектр частот гармоник, составляющих сигнал. Чем шире эта полоса, тем больше информационная емкость сигнала. Ниже мы подробно остановимся на этих понятиях и их взаимосвязях.

Основную проблему построения СПД представляет искажение сигнала при передаче. Это происходит под влиянием нескольких причин, основными из которых являются затухание, неравномерность затухания, искажение формы, разные виды шумов. Шумы возникают вследствие ряда причин, например таких, как термодинамические свойства проводника, взаимные наводки гармоник, составляющих сигнал, внешние электромагнитные воздействия. В случае аналогового сигнала эти искажения носят случайный характер и приводят к потере информации. В случае цифрового сигнала они приводят к ошибкам передачи.

При создании любой СПД приходится искать компромисс между четырьмя основными факторами: шириной полосы сигнала, скоростью передачи сигналов, уровнем шумов и искажений сигнала, допустимым уровнем ошибок при передаче.

Как уже было сказано, любой сигнал можно рассматривать как функцию времени, либо как функцию частоты. В первом случае эта функция показывает, как меняются со временем параметры сигнала, например, напряжение или ток. Если эта функция имеет непрерывный характер, то говорят о непрерывном сигнале. Если эта функция имеет дискретный вид, то говорят о дискретном сигнале. На рисунке 2-1 показаны примеры дискретного и непрерывного сигналов.

Частотное представление функции основано на том факте, что любая функция от вещественной переменной может быть представлена в виде ряда Фурье

g(t)= (1),

где f=- частота, a_n ,b_n – амплитуды n-ой гармоники.

Ясно, что на практике нельзя учесть бесконечно много гармоник. Все их учитывать и не надо потому, что энергия сигнала распределяется не равномерно между гармониками разной частоты. В общем случае соотношение здесь таково, что низкочастотные составляющие несут большую часть энергии. Однако, чем больше составляющих, тем точнее можно воспроизвести вид функции. На рисунке 2-2 показана зависимость формы сигнала от числа используемых гармоник и представление сигнала, как функции частоты.

Ни в какой среде сигнал не может передаваться без потери энергии. Разные среды искажают форму сигнала и поглощают его энергию в зависимости от частоты сигнала по-разному. С ростом частоты искажения растут. Любая среда передачи ограничивает максимальную частоту передаваемого сигнала, а следовательно и частоту гармоник, которые можно использовать для аппроксимации функции g(t). Тем самым аппроксимация (точность воспроизведения формы) сигнала ухудшается и понижается скорость передачи. Это хорошо видно на рис. 2-2.

Характеристику канала, определяющую спектр частот, которые физическая среда, из которой сделана линия связи, образующая канал, пропускает без существенного понижения мощности сигнала, называют полосой пропускания. Значение слов «существенного понижения мощности» определяется в конкретных случаях. Обычно падение мощности сигнала считают существенным, если оно составляет более 50% ее начального значения. Полосу пропускания канала можно ограничивать искусственно с помощью специального частотного фильтра.