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.

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).

Каналы связи по характеру передаваемых сигналов:

• непрерывные (аналоговые) — входной и выходной сигналы непрерывные по уровню;
• дискретные (цифровые) — входной и выходной сигналы дискретные по уровню;
• непрерывно-дискретные — входной сигнал непрерывный, а выходной — дискретный;
• дискретно-непрерывные — входной сигнал дискретный, а выходной — непрерывный.

В зависимости от назначения каналы связи могут разделяться на телефонные, звукового вещания, передачи данных, телевизионного вещания, телеметрические, смешанные и другие.

Характеристики

Используют следующие характеристики канала:

• Эффективно передаваемая полоса частот $\Delta F$;
• Динамический диапазон $D=10\lg {P_{max} \over P_{min}}$;
• Волновое сопротивление;
• Пропускная способность;
• Помехозащищённость $A$;
• Объём $V_{k}$.

Помехоустойчивость

Помехозащищённость $A=10\lg {P_{min~signal} \over P_{noise}}$. Где ${P_{min~signal} \over P_{noise}}$ — минимальное отношение сигнал/шум;

См. также: Теория потенциальной помехоустойчивости

Объём канала

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

где $T_{k}$ — время, в течение которого канал занят передаваемым сигналом;

Для передачи сигнала по каналу без искажений объём канала $V_{k}$ должен быть больше либо равен объёму сигнала $V_{s}$, то есть $V_{k}\geqslant ~V_{s}$. Простейший случай вписывания объёма сигнала в объём канала — это достижение выполнения неравенств $\Delta F_{k}\geqslant ~\Delta F_{s}$, $T_{k}\geqslant ~T_{s}$> и $\Delta D_{k}\geqslant ~\Delta D_{s}$. Тем не менее, $V_{k}\geqslant ~V_{s}$ может выполняться и в других случаях, что даёт возможность добиться требуемых характеристик канала изменением других параметров. Например, с уменьшением диапазона частот можно увеличить полосу пропускания.

Математические модели канала

Канал связи описывается математической моделью, задание которой сводится к определению математических моделей выходного и входного $S_{2}$ и $S_{1}$, а также установлению связи между ними, характеризующейся оператором $L$, то есть

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

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

Модели аналогового канала

Модели непрерывных каналов можно классифицировать на модель канала с аддитивным гауссовским 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

$S_{2}(t)=\gamma ~S_{1}(t-\tau )$

где γ — константа, определяющая коэффициент передачи, τ — постоянная задержка.

Канал с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом

Модель канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом отличается от модели идеального канала тем, что $\tau$ является случайной величиной. Например, если входной сигнал $S_{1}(t)$ является узкополосным, то сигнал $S_{2}(t)$ на выходе канала с неопределённой фазой сигнала и аддитивным шумом определяется следующим образом:

$S_{2}(t)=\gamma (cos(\theta )u(t)-sin(\theta )H(u(t)))+n(t)$,

где учтено, что входной сигнал $S_{1}(t)$ может быть представлен в виде:

$S_{1}(t)=cos(\theta )u(t)-sin(\theta )H(u(t))$,

где $H()$ — преобразование Гильберта, $\theta$ — случайная фаза, распределение которой считается обычно равномерным на интервале [0, 2π]

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 многолучёвое распространение радиоволн.

Модели цифрового канала

Для задания модели дискретного канала необходимо определить множество входных и выходных кодовых символов, а также множество условных вероятностей выходных символов при заданных входных.

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.

Ссылки

• Передача и кодирование информации