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.

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.

Терминологические особенности

В зависимости от контекста синонимом термина канал связи может быть термин линия связи. 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.

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.

Классификация

Каналы связи в зависимости от среды распространения:

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

Каналы связи в зависимости от направления передачи информации:

• 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 (или в зависимости от методов передачи сигналов):
  • аналоговые;
  • цифровые;
• по характеру уровня передаваемого сигнала:
  • 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.

Характеристики

Используют следующие характеристики канала:

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

Объём канала

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

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

Простейший случай вписывания объёма сигнала в объём канала — это достижение выполнения неравенств $T_{k}>T_{c}$, $\Delta F_{k}>\Delta F_{c}$, $D_{k}>D_{c}$. Тем не менее, $V_{k}>V_{c}$ 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.

Помехоустойчивость

Помехоустойчивость — способность радиосистемы (устройства) противостоять воздействию помех (всех типов). 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. 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 $\varepsilon ^{2}$ или относительного среднего квадрата ошибки $\delta ^{2}$ или отношением средних мощностей сигнала и помехи на входе приёмника системы, обеспечивающим заданное значение этих показателей.

Средний квадрат ошибки:

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

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

Относительный средний квадрат ошибки:

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

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

При сравнительной оценке аналоговых систем часто используется понятие «обобщенный выигрыш системы»:

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

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

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

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

Помехозащищенность

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

Математические модели канала

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

$s_{2}=L(s_{1})$.

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 $s_{2}$ является детерминированным, то есть

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

где $k$ — константа, определяющая коэффициент передачи, $\tau$ — 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:

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

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

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

где

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

где

$\theta =\omega \tau$ — случайная величина с равномерным распределением от $0$ до $2\pi$.

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.

См. также

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

Литература

• Зюко А. Г., Кловский Д. Д., Коржик В. И., Назаров М. В. Теория электрической связи. Учебник для вузов / Под ред. Д. Д. Кловского. — М.: Радио и связь, 1999. — 432 с. — ISBN 5-256-01288-6.
• Канал связи // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Канал связи / Сорокин Ю. В. // Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов. — М. : Большая российская энциклопедия, 2004—2017.
• Линия связи / Назаров М. В. // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Прокис Дж. Цифровая связь = Digital Communications / Пер. с англ. под ред. Д. Д. Кловского. — М.: Радио и связь, 2000. — 800 с. — ISBN 5-256-01434-X.
• Радиотехника : Энциклопедия / Под ред. Ю. Л. Мазора, Е. А. Мачусского, В. И. Правды. — М.: Додэка-XXI, 2002. — С. 488. — 944 с. — ISBN 5-94120-012-9.
• Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение = Digital Communications: Fundamentals and Applications. — 2-е изд. — М.: Вильямс, 2007. — 1104 с. — ISBN 0-13-084788-7.
• Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра = Wireless Digital Communications: Modulation and Spread Spectrum Applications. — М.: Радио и связь, 2000. — 552 с. — ISBN 5-256-01444-7.