Канал связи

Канал связи — совокупность технических средств для передачи информации от отправителя (от оконечного устройства) к получателю (к другому оконечному устройству). Техническими средствами являются усилители, различного рода преобразователи, электрические фильтры, кабели, антенны и другие устройства. Информация по каналу связи может передаваться в один или несколько пунктов, расположенных по пути следования сигнала, или по разветвлённой сети пунктов^[1].

В зависимости от среды распространения различают каналы связи проводные (воздушные, кабельные, в том числе волоконно-оптические) и беспроводные (радиоканалы и оптические каналы). Связь между значительно удалёнными оконечными устройствами (дальняя связь) обычно осуществляется по составным каналам, включающих проводные и беспроводные каналы^[1].

Терминологические особенности

В зависимости от контекста синонимом термина канал связи может быть термин линия связи^[2]. Вместе с тем линия связи рассматривается как составная часть канала связи — иногда в состав протяжённого канала связи включается несколько линий связи разных типов (проводные и беспроводные). Кроме того, часто одна и та же линия связи применяется для передачи сигналов, принадлежащих нескольким каналам связи^[3].

В канале связи сигнал передаётся от некоторой точки A системы связи до точки B, при этом точки A и B могут быть выбраны произвольно, лишь бы между ними проходил сигнал. Часть системы связи, расположенная до точки A, является источником сигнала для этого канала^[4].

Классификация

Каналы связи в зависимости от среды распространения:

• проводные: воздушные, кабельные, в том числе волоконно-оптические^[1];
• беспроводные:
  • радиоканалы: наземные, атмосферные (использующие свойства атмосферы на разных высотах, например, тропосферное и ионосферное распространение), спутниковые, космические;
  • оптические каналы^[1];
  • инфракрасные каналы.

Каналы связи в зависимости от направления передачи информации^[1]:

• симплексные — сигнал передаётся только в одном направлении (например, телевизионные каналы);
• полудуплексные — сигнал передаётся в обоих направлениях поочерёдно;
• дуплексные — сигнал передаётся одновременно в обоих направлениях (например, телефонные каналы).

Характерные виды сигналов

Каналы связи:

• по характеру передаваемых сигналов^[1] (или в зависимости от методов передачи сигналов^[5]):
  • аналоговые;
  • цифровые;
• по характеру уровня передаваемого сигнала^[6]:
  • непрерывные — входной и выходной сигналы непрерывные (по времени и по уровню) (между выходом модулятора передатчика и входом демодулятора приёмника);
  • дискретные — входной и выходной сигналы дискретные (по времени и по уровню) (между входом модулятора передатчика и выходом демодулятора приёмника);
  • непрерывно-дискретные — входной сигнал непрерывный, а выходной — дискретный (между выходом модулятора передатчика и выходом демодулятора приёмника);
  • дискретно-непрерывные — входной сигнал дискретный, а выходной — непрерывный (между входом модулятора передатчика и входом демодулятора приёмника).

В зависимости от назначения каналы связи могут разделяться на телеграфные, фототелеграфные, телефонные, звукового вещания, передачи данных, телевизионного вещания, телеметрические, смешанные и другие^[7].

Характеристики

Используют следующие характеристики канала:

• Время, в течение которого по каналу возможна передача ${\displaystyle T_{k}}$;
• Полоса пропускания ${\displaystyle \Delta F_{k}}$;
• Динамический диапазон ${\displaystyle D_{k}}$;
• Объём ${\displaystyle V_{k}}$^[8];
• Пропускная способность канала.

Объём канала

Объём канала (ёмкость канала) ${\displaystyle V_{k}}$ определяется по формуле: ${\displaystyle V_{k}=T_{k}\cdot \Delta F_{k}\cdot D_{k}}$^[8].

Для передачи сигнала по каналу без искажений объём канала ${\displaystyle V_{k}}$ должен быть больше объёма сигнала ${\displaystyle V_{c}}$, то есть ${\displaystyle V_{k}>V_{c}}$. Объем сигнала рассчитывается по формуле: ${\displaystyle V_{c}=T_{c}\cdot \Delta F_{c}\cdot D_{c}}$, где ${\displaystyle T_{c}}$ — длительность сигнала, ${\displaystyle \Delta F_{c}}$ — ширина спектра сигнала, ${\displaystyle D_{c}}$ — динамический диапазон сигнала^[9].

Простейший случай вписывания объёма сигнала в объём канала — это достижение выполнения неравенств ${\displaystyle T_{k}>T_{c}}$, ${\displaystyle \Delta F_{k}>\Delta F_{c}}$, ${\displaystyle D_{k}>D_{c}}$. Тем не менее, ${\displaystyle V_{k}>V_{c}}$ может выполняться и в других случаях, что даёт возможность добиться требуемых характеристик канала изменением других параметров. Например, с уменьшением времени, в течение которого по каналу возможна передача, можно увеличить полосу пропускания^[10].

Помехоустойчивость

Помехоустойчивость — способность радиосистемы (устройства) противостоять воздействию помех (всех типов)^[11]. Помехоустойчивость зависит от способов кодирования, вида модуляции, алгоритмов приёма сигналов.

Зависимости вероятности ошибочного приёма бита от E_b/N₀ (дБ) при когерентном приёме сигналов с фазовой манипуляцией (BPSK, QPSK) и дифференциальной фазовой манипуляцией (DВPSK, DQPSK) в условиях аддитивного белого гауссова шума.

В случае передачи дискретных сообщений (цифровые системы), количественно помехоустойчивость можно характеризовать вероятностью ошибок (в простейшем случае битов) при заданном отношении сигнал/шум, то есть отношением средних мощностей сигнала и помехи в полосе частот, занимаемой сигналом. Также помехоустойчивость можно характеризовать требуемым отношением средних мощностей сигнала и помехи на входе приёмника системы, при котором обеспечивается заданная вероятности ошибки^[12]. Также вместо отношения сигнал/шум можно использовать величину E_b/N₀, то есть отношение энергии сигнала, затрачиваемой на передачу одного бита, к спектральной плотности белого шума.

В случае передачи непрерывных сообщений (аналоговые системы), количественно помехоустойчивость можно оценивать величинами среднего квадрата ошибки ${\displaystyle \varepsilon ^{2}}$ или относительного среднего квадрата ошибки ${\displaystyle \delta ^{2}}$ или отношением средних мощностей сигнала и помехи на входе приёмника системы, обеспечивающим заданное значение этих показателей^[12].

Средний квадрат ошибки:

${\displaystyle \varepsilon ^{2}={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}({\widehat {x}}(t)-x(t))^{2}dt}$, где

${\displaystyle {\widehat {x}}(t)}$ — принятый (демодулированный) сигнал, ${\displaystyle x(t)}$ — переданный (модулирующий) сигнал, ${\displaystyle T}$ — длительность сигнала.

Относительный средний квадрат ошибки:

${\displaystyle \delta ^{2}={\frac {\varepsilon ^{2}}{P_{x}}}}$, где

${\displaystyle P_{x}={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}x^{2}(t)dt}$ — средняя мощность сигнала ${\displaystyle x(t)}$.

При сравнительной оценке аналоговых систем часто используется понятие «обобщенный выигрыш системы»^[12]:

${\displaystyle q={\frac {\rho _{\text{вых}}}{\rho _{\text{вх}}}}{\frac {F_{x}}{F_{\text{с}}}}}$, где

${\displaystyle \rho _{\text{вых}}={\frac {P_{x}}{P_{\varepsilon }}}}$ — отношение мощностей сообщения ${\displaystyle {\widehat {x}}(t)}$ (демодулированного сигнала) и шума ${\displaystyle \varepsilon ={\widehat {x}}(t)-x(t)}$ на выходе приёмника,

${\displaystyle \rho _{\text{вх}}={\frac {P_{\text{с}}}{P_{\text{ш}}}}}$ — отношение мощностей модулированного сигнала ${\displaystyle c(t)}$ и шума ${\displaystyle n(t)}$ на входе приёмника,

${\displaystyle F_{x}}$ — ширина спектра сообщения ${\displaystyle x(t)}$, ${\displaystyle F_{c}}$ — ширина спектра модулированного сигнала.

Помехозащищенность

Помехоустойчивость — способность радиосистемы (устройства) противостоять воздействию помех определенного типа. Под помехами как правило понимаются радиоэлектронное противодействие и индустриальные помехи^[11].

Математические модели канала

Канал связи описывается математической моделью, задание которой сводится к определению математической модели связи входного ${\displaystyle s_{1}}$ и выходного ${\displaystyle s_{2}}$ сигналов, характеризующейся оператором ${\displaystyle L}$, то есть

${\displaystyle s_{2}=L(s_{1})}$^[13].

По типу замирания сигнала модели канала связи делятся на релеевские, райссовские и с замираниями, моделируемые с помощью распределения Накагами.

Модели аналогового канала

Модели непрерывных каналов можно классифицировать на модель идеального канала, модель канала с аддитивным шумом, модель канала с неопределенной фазой сигнала и аддитивным шумом и модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом.

Идеальный канал

Модель идеального канала используется тогда, когда можно пренебречь наличием помех. При использовании этой модели выходной сигнал ${\displaystyle s_{2}}$ является детерминированным, то есть

${\displaystyle s_{2}(t)=k~s_{1}(t-\tau )}$

где ${\displaystyle k}$ — константа, определяющая коэффициент передачи, ${\displaystyle \tau }$ — постоянная задержка.

Канал с аддитивным шумом

Модель канала с аддитивным шумом отличается от модели идеального канала тем, что в канале связи имеется шум, который складывается с полезным сигналом:

${\displaystyle s_{2}(t)=k~s_{1}(t-\tau )+n(t),}$

где ${\displaystyle n(t)}$ — аддитивный шум, в качестве которого как правило принимается белый гауссовский шум.

Канал с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом

Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом отличается от модели канала с аддитивным шумом тем, что ${\displaystyle \tau }$ является случайной величиной. Например, если входной сигнал ${\displaystyle s_{1}(t)=A(t)\cos(\omega t+\phi (t))}$ является относительно узкополосным, то сигнал ${\displaystyle s_{2}(t)}$ на выходе канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом определяется следующим образом:

${\displaystyle s_{2}(t)=k~s_{1}(t-\tau )+n(t),}$

где

${\displaystyle s_{1}(t-\tau )=A(t-\tau )\cos(\omega t+\phi (t-\tau )-\theta ),}$

где

${\displaystyle \theta =\omega \tau }$ — случайная величина с равномерным распределением от ${\displaystyle 0}$ до ${\displaystyle 2\pi }$^[14].

Канал с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом

Модель канала с межсимвольной интерференцией и аддитивным шумом учитывает появление рассеяния сигнала во времени из-за нелинейности фазо-частотной характеристики канала и ограниченности его полосы пропускания, то есть например, при передаче дискретных сообщений через канал на значение выходного сигнала будут влиять отклики канала не только на переданный символ, но и на более ранние или более поздние символы. В радиоканалах на возникновение межсимвольной интерференции влияет многолучевое распространение радиоволн.

Модель дискретного канала

Для задания модели дискретного канала необходимо определить множество входных и выходных сигналов, а также распределение условных вероятностей выходного сигнала при заданном входном. Входными и выходными сигналами являются последовательности кодовых символов^[15].

См. также

• Основной цифровой канал
• Двоичный симметричный канал
• Широковещательный канал
• Скрытый канал