Larghezza di banda

Informazioni sulla larghezza di banda in tecnologia digitale vedere Velocità di trasferimento delle informazioni

Larghezza di banda (trasparenza)- intervallo di frequenza, entro il quale la caratteristica ampiezza-frequenza (AFC) di un dispositivo acustico, radiotecnico, ottico o meccanico è sufficientemente uniforme da garantire la trasmissione del segnale senza distorsioni significative della sua forma. A volte, invece del termine "larghezza di banda", viene utilizzato il termine "larghezza di banda effettivamente trasmessa (ETB)". L'energia principale del segnale è concentrata nell'EPFC (almeno il 90%). Questa gamma di frequenza è impostata sperimentalmente per ciascun segnale in conformità con i requisiti di qualità.

Opzioni di larghezza di banda di base

I parametri principali che caratterizzano la larghezza di banda delle frequenze sono la larghezza di banda e l'irregolarità della risposta in frequenza all'interno della banda.

La larghezza della linea

Larghezza di banda - la banda di frequenza entro la quale l'irregolarità della risposta in frequenza non supera quella specificata.

La larghezza di banda è solitamente definita come la differenza tra le frequenze di taglio superiore e inferiore della sezione di risposta in frequenza, in cui l'ampiezza di oscillazione (o per potenza) è dal massimo. Questo livello corrisponde a circa -3 dB.

La larghezza di banda è espressa in unità di frequenza (es. Hz).

L'ampliamento della larghezza di banda consente di trasmettere più informazioni.

Irregolarità della risposta in frequenza

La risposta in frequenza irregolare caratterizza il grado della sua deviazione da una retta parallela all'asse della frequenza.

L'indebolimento dell'irregolarità della risposta in frequenza nella banda migliora la riproduzione della forma del segnale trasmesso.

Distinguere:

• Larghezza di banda assoluta: 2Δω = Sa

• Larghezza di banda relativa: 2Δω/ωo = So

Esempi specifici

Nella teoria dell'antenna, la larghezza di banda è l'intervallo di frequenza a cui un'antenna funziona efficacemente, di solito attorno alla frequenza centrale (risonante). Dipende dal tipo di antenna, dalla sua geometria. In pratica, la larghezza di banda è solitamente determinata dal livello di SWR (rapporto onda stazionaria). MISURATORE SOL

Poiché anche il miglior laser monocromatico emette ancora un certo spettro di lunghezze d'onda, la dispersione porta all'allargamento degli impulsi mentre si propagano attraverso la fibra e quindi genera una distorsione del segnale. Quando si valuta questo, viene utilizzato il termine larghezza di banda. La larghezza di banda viene misurata (in questo caso) in MHz/km.

Dalla definizione della banda si evince che la dispersione impone un limite alla distanza di trasmissione e alla frequenza superiore dei segnali trasmessi.

Requisiti per P. p. vari dispositivi determinato dal loro scopo (ad esempio, per collegamento telefonico P. p. È richiesto 300-3400 Hz, per la riproduzione di alta qualità di opere musicali 30-16000 Hz e per le trasmissioni televisive - fino a 8 MHz di larghezza).

Guarda anche

Appunti

Fondazione Wikimedia. 2010.

Scopri cos'è "Larghezza di banda" in altri dizionari:

dizionario enciclopedico

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Termine banda di frequenza per quanto riguarda il segnale associato al concetto di larghezza effettiva dello spettro del segnale, in cui è concentrato il 90% dell'energia del segnale (previo accordo), nonché i limiti inferiore e superiore della larghezza di banda del segnale. Queste le caratteristiche più importanti sorgente di segnale direttamente correlata alla fisica data fonte segnale. Ad esempio, per un sensore di vibrazione induttivo, la banda di frequenza del segnale di uscita è effettivamente limitata dall'alto da unità di kilohertz a causa dell'inerzia della massa del nucleo metallico magnetizzato all'interno della bobina di induttanza del sensore, e dal basso - dal valore associato all'induttanza della bobina. Il limite di larghezza di banda superiore di un segnale è tipicamente associato alle limitazioni fisiche della velocità di variazione del segnale, mentre il limite di larghezza di banda inferiore è associato alla presenza della componente a bassa frequenza del segnale, inclusa la componente CC.

Termine banda di frequenza trasmissione utilizzato in relazione a convertitori e percorsi (interfacce) di trasmissione del segnale. Stiamo parlando di caratteristica ampiezza-frequenza (AFC) di questi dispositivi e le caratteristiche di banda di quella risposta in frequenza, che sono tradizionalmente misurate in termini di -3 dB come mostrato nella figura sopra. Il valore massimo (o medio, previo accordo) dell'ampiezza del segnale nella banda passante viene preso come zero decibel. Nella figura, le frequenze F 1 e F 2 sono le più basse e frequenza superiore larghezza di banda, rispettivamente. Il limite inferiore F 1 = 0, se questo convertitore o percorso supera la componente CC del segnale. Più larghezza bande di frequenza trasmissione∆F= F 2 - F 1 convertitore o percorso dati, il più alto risoluzione (dettaglio) del segnale nel tempo , maggiore è la velocità di trasferimento delle informazioni nell'interfaccia corrispondente, Ma allo stesso tempo maggiore è l'interferenza e il rumore rientra nella banda passante.

Se la larghezza di banda del segnale parzialmente o completamente non rientra nella larghezza di banda del trasduttore o del percorso, ciò porta a una distorsione o alla completa soppressione del segnale nel percorso.

D'altra parte, se la larghezza di banda effettiva del segnale è molte volte più stretta della larghezza di banda del convertitore o del percorso, allora questo caso non può essere considerato ottimale, poiché in questo sistema implementato fisicamente sono sempre presenti rumori e interferenze di varia natura, che sono generalmente dispersi sull'intera larghezza di banda della larghezza di banda. Le regioni di frequenza della banda passante che non hanno componenti di segnale utili aggiungeranno rumore, degradando il rapporto segnale-rumore in un dato canale di conversione o trasmissione del segnale. Sulla base di queste ipotesi, ci siamo avvicinati termine: larghezza di banda del segnale ottimale è la larghezza di banda i cui confini sono coerenti effettiva larghezza di banda del segnale.

Nel caso di un ADC, l'estremità superiore della banda passante può essere fornita da un filtro anti-alias e l'estremità inferiore può essere fornita da un filtro passa alto.

Come puoi vedere, il generale termine banda di frequenza, utilizzato in qualsiasi contesto, è fortemente legato alla scelta dell'attrezzatura in termini di caratteristiche in frequenza, ed è anche legato al problema dell'abbinamento ottimale di convertitori e percorsi di trasmissione con le sorgenti di segnale.

La larghezza di banda è generalmente definita come la differenza tra le frequenze di taglio superiore e inferiore della sezione di risposta in frequenza. La larghezza di banda è espressa in unità di frequenza (es. Hz). L'ampliamento della larghezza di banda consente di trasmettere più informazioni.

Irregolarità della risposta in frequenza

La risposta in frequenza irregolare caratterizza il grado di deviazione da una retta parallela all'asse della frequenza. La risposta in frequenza irregolare è espressa in decibel.

L'indebolimento dell'irregolarità della risposta in frequenza nella banda migliora la riproduzione della forma del segnale trasmesso.

Modelli ideali e reali di canale di trasmissione dell'informazione.

CANALE IDEALE

Modello canale ideale

Segnale deterministico

CANALE REALE

A canali reali

Segnale di uscita del canale

x(t) = μ(t)∙s(t-T)+w(t),

Interferenza additiva

Ostacolo moltiplicativo

Il concetto di discretizzazione e quantizzazione dei segnali.

Viene chiamata la trasformazione di un insieme di informazioni continue di segnali analogici in un insieme discreto discretizzazione .

segnale analogico è un segnale in cui ciascuno dei parametri rappresentativi è descritto da una funzione del tempo e da un insieme continuo di valori possibili.

segnale discreto è un segnale che accetta solo un numero finito di valori.

Quantizzazione - suddividere l'intervallo di valori di una quantità continua o discreta in un numero finito di intervalli.

Non dovrebbe essere confuso quantizzazione Insieme a discretizzazione (e, di conseguenza, la fase di quantizzazione con la frequenza di campionamento). In discretizzazione una quantità variabile nel tempo (segnale) viene misurata a una data frequenza (frequenza di campionamento), quindi il campionamento divide il segnale in componenti temporali (orizzontale sul grafico). Quantizzazione dall'altro porta il segnale ai valori specificati, cioè lo divide in base al livello del segnale (sul grafico - in verticale). Un segnale che è stato campionato e quantizzato è chiamato segnale digitale.

Fig.1 - Segnale quantizzato.

Fig. 2 - Segnale non quantizzato a tempo discreto.

segnale digitale - un segnale dati, in cui ciascuno dei parametri rappresentativi è descritto da una funzione di tempo discreto e da un insieme finito di valori possibili.

Fig3. - segnale digitale.

Classificazione dei metodi di discretizzazione del segnale.

Usato discretizzazione del tempo e per livello .

SCRITTURA DEL TEMPO

Discretizzazione del tempo

Discretizzazione uniforme

Il teorema di Kotelnikov

Campionamento adattivo

A causa del fatto che la modifica della funzione è diversa in momenti diversi, la fase di campionamento può essere diversa, fornendo un errore uniforme in ciascuna fase.

DISCRETIZZAZIONE PER LIVELLO

Discretizzazione dei valori delle funzioni (livello) viene chiamato quantizzazione . L'operazione di quantizzazione si riduce al fatto che invece di un dato valore istantaneo del messaggio, vengono trasmessi i valori più vicini secondo la scala stabilita di livelli discreti.

I valori discreti sulla scala dei livelli sono spesso scelti in modo uniforme. Quando si quantizza, si introduce errore (distorsione), poiché i valori veri della funzione sono sostituiti da valori arrotondati. Il valore di questo errore non supera la metà della fase di quantizzazione e può essere ridotto a un valore accettabile. L'errore è una funzione casuale e appare nell'output come rumore aggiuntivo ("rumore di quantizzazione") Il sovrapposto al messaggio trasmesso.

SCRETTING PER TEMPO E LIVELLO

Consente di convertire un messaggio continuo in un messaggio discreto (segnale analogico a digitale modulo ), che possono quindi essere codificati e trasmessi utilizzando tecniche (digitali) discrete.

TRASFORMAZIONE DISCRETA DI FOURIER

Il segnale campionato può essere visto come il risultato della moltiplicazione del segnale continuo originale per una serie di impulsi unitari.

Criteri per valutare l'accuratezza del campionamento del segnale.

Differenza tra i valori del segnale reale X ( t ) e si avvicina P ( t ) , o la riproduzione V ( t ) - funzione, rappresenta l'errore corrente di discretizzazione o ripristino, rispettivamente:

La scelta del criterio per la stima dell'errore di discretizzazione (e ripristino) del segnale viene effettuata dal destinatario dell'informazione e dipende dall'uso previsto del segnale discretizzato e dalle capacità dell'implementazione hardware (programma). La stima dell'errore può essere effettuata sia per realizzazioni di segnali singoli che multipli.

Più spesso di altri, la deviazione della funzione riproducibile V ( t ) dal segnale X ( t ) sull'intervallo di campionamento Δt io = t io – t io –1 valutata secondo i seguenti criteri.

a) Criterio della massima deviazione:

dove ε ( t ) è l'errore corrente determinato dall'espressione (1).

b) Criterio RMS, definito dalla seguente espressione:

dove ε ( t ) – errore corrente (1).

L'overline significa fare la media sull'insieme di probabilità,

c) Criterio integrale come misura della deviazione X ( t ) da V ( t ) sembra:

d) Il criterio probabilistico è determinato dalla relazione:

dove ε 0 – valore consentito errori;

R 0 è la probabilità accettabile che l'errore non superi il valore ε 0 .

Discretizzazione uniforme. Teorema di Kotelnikov.

Discretizzazione del tempo viene eseguita prelevando campioni della funzione in determinati momenti discreti. Di conseguenza, la funzione continua viene sostituita da un insieme di valori istantanei.

Discretizzazione uniforme

I punti di riferimento sono scelti in modo uniforme sull'asse del tempo. Il teorema di Kotelnikov – se un segnale analogico ha uno spettro limitato in larghezza, allora può essere recuperato in modo univoco e senza perdite dai suoi campioni discreti prelevati con una frequenza rigorosamente maggiore della frequenza doppia superiore.

Il concetto di codifica delle informazioni.

Il codice è un insieme di convenzioni (o segnali) per registrare (o trasmettere) alcuni concetti predefiniti.

Codifica delle informazioni è il processo di formazione di una certa rappresentazione delle informazioni. In senso stretto, sotto il termine " codifica» spesso comprendono il passaggio da una forma di presentazione delle informazioni a un'altra, più conveniente per l'archiviazione, la trasmissione o l'elaborazione.

Di solito ogni immagine durante la codifica (a volte si dice - crittografia) è rappresentata da un segno separato.

Cartello è un elemento di un insieme finito di elementi distinti.

Viene chiamato il segno insieme al suo significato simbolo .

Viene chiamato l'insieme di caratteri in cui è definito il loro ordine in ordine alfabetico . Ci sono molti alfabeti:

alfabeto di lettere cirilliche (A, B, C, D, D, E, ...)

alfabeto di lettere latine (A, B, C, D, E, F,...)

alfabeto cifre decimali(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9)

alfabeto dei segni zodiacali (immagini dei segni zodiacali), ecc.

Specialmente Gli insiemi composti da soli due caratteri sono di grande importanza: una coppia di segni (+, -), una coppia di numeri (0, 1), una coppia di risposte (sì, no)

Schema strutturale del canale di trasmissione dell'informazione.

Riso. 1.3. Schema funzionale di un sistema di trasmissione discreto

messaggi

Il concetto di un canale reale e ideale per la trasmissione delle informazioni.

CANALE IDEALE

Modello canale ideale utilizzato quando l'interferenza può essere ignorata. Quando si utilizza questo modello, il segnale di uscita è deterministico, la potenza e la larghezza di banda dei segnali sono limitate.

Segnale deterministico ben definito in un dato momento.

La larghezza di banda è la differenza tra le frequenze massime e minime di un segnale.

CANALE REALE

A canali reali ci sono sempre errori nella trasmissione dei messaggi. Gli errori portano a una diminuzione della larghezza di banda del canale e alla perdita di informazioni. Le probabilità di errore sono in gran parte determinate dalle distorsioni del segnale e dagli effetti di interferenza.

Segnale di uscita del canale può essere scritto nella seguente forma:

x(t) = μ(t)∙s(t-T)+w(t),

dove s(t) è il segnale all'ingresso del canale, w(t) è il rumore additivo, μ(t) è il rumore moltiplicativo e T è il ritardo del segnale.

Interferenza additiva - interferenza aggiunta al segnale quando viene trasmesso sul canale di informazione.

L'interferenza additiva è causata da fenomeni di fluttuazione (fluttuazioni casuali di corrente e tensione) associati a processi termici in fili, resistori, transistor e altri elementi del circuito, pickup sotto l'influenza di fenomeni atmosferici (scariche di fulmini, ecc.) e processi industriali (funzionamento di installazioni, altre linee di comunicazione, ecc.).

Ostacolo moltiplicativo è l'interferenza moltiplicata per il segnale.

L'interferenza moltiplicativa è causata da variazioni casuali del coefficiente di trasmissione del canale dovute a variazioni delle caratteristiche del mezzo in cui si propagano i segnali e dal guadagno dei circuiti al variare della tensione di alimentazione, a causa dell'attenuazione del segnale dovuta a interferenze e varie attenuazioni del segnale durante la propagazione multipath delle onde radio. Il "rumore quantico" dei laser utilizzati nei sistemi ottici per la trasmissione e l'elaborazione delle informazioni dovrebbe essere indicato anche come interferenza moltiplicativa. Il "rumore quantico" di un laser è causato dalla natura discreta della radiazione luminosa e dipende dall'intensità della radiazione, cioè dal segnale più utile.

Canale gaussiano e sue varietà.

CANALE DI GAUSS

Le principali ipotesi nella costruzione di un tale modello sono le seguenti:

– il coefficiente di trasmissione e il tempo di ritardo dei segnali nel canale non dipendono dal tempo e sono valori deterministici noti nel luogo di ricezione del segnale;

– il rumore di fluttuazione additivo agisce nel canale – "rumore bianco" gaussiano (Processo gaussiano, caratterizzato da una densità spettrale uniforme, un valore di ampiezza normalmente distribuito e un modo additivo di influenzare il segnale).

Il canale gaussiano viene utilizzato come modello di canali di comunicazione cablati reali e canali a raggio singolo senza dissolvenza o con dissolvenza lenta. In questo caso, il fading è un cambiamento casuale incontrollato nell'ampiezza del segnale. Tale modello consente di analizzare l'ampiezza e le distorsioni di fase dei segnali e l'effetto dell'interferenza di fluttuazione.

CANALE GAUSSIANO CON FASE DEL SEGNALE INDETERMINATA

In questo modello, il tempo di ritardo del segnale nel canale è considerato una variabile casuale, quindi anche la fase del segnale di uscita è casuale. Per analizzare i segnali di uscita di un canale è necessario conoscere la legge di distribuzione del tempo di ritardo o fase del segnale.

Canale gaussiano a raggio singolo con dissolvenza

Canale multipercorso gaussiano con dissolvenza

Questo modello descrive i canali radio, in cui la propagazione dei segnali dal trasmettitore al ricevitore avviene su vari "canali" - modi. La durata dei segnali ei coefficienti di trasmissione dei vari "canali" non sono gli stessi e casuali. Il segnale ricevuto si forma come risultato dell'interferenza di segnali che provenivano da percorsi diversi. In generale, le caratteristiche di frequenza e fase del canale dipendono dal tempo e dalla frequenza.

Canale multipath gaussiano con dissolvenza e interferenza concentrata additiva

In questo modello, oltre all'interferenza di fluttuazione, vengono presi in considerazione anche vari tipi di interferenza concentrata. È il più generale e riflette completamente le proprietà di molti canali reali. Tuttavia, il suo utilizzo crea la complessità e la laboriosità delle attività di analisi, nonché la necessità di raccogliere ed elaborare una grande quantità di dati statistici iniziali.

Attualmente, per risolvere i problemi di analisi dei canali continui e discreti, si utilizzano di norma il modello del canale gaussiano e il modello del canale gaussiano a raggio singolo con fading.

Tecnica di generazione del codice Shannon-Fenno, vantaggi e svantaggi.

ALGORITMO DI SHANNON-FENNO

Consiste nel fatto che le lettere dell'alfabeto disposte in ordine decrescente sono divise in due gruppi, se possibile pari alla probabilità totale (in ogni gruppo). Per il primo gruppo di caratteri in primo luogo, le combinazioni mettono 0 come prima posizione più a sinistra delle parole in codice e gli elementi del secondo gruppo - 1. Quindi ogni gruppo viene nuovamente diviso in sottogruppi secondo la stessa regola di approssimativamente uguali probabilità e in ogni sottogruppo viene riempita la seconda posizione a sinistra della parola in codice (0,1) Il processo viene ripetuto fino a quando tutti gli elementi dell'alfabeto sono codificati.

BENEFICI

– facilità di implementazione e, di conseguenza, elevata velocità di codifica/decodifica/

– è conveniente codificare le informazioni come una sequenza di zeri e uno, se questi valori sono rappresentati come due possibili stati stabili di un elemento elettronico: 0 – nessun segnale elettrico; 1 - la presenza di un segnale elettrico. Inoltre, nella tecnologia è più facile gestire un gran numero di elementi semplici che con un numero ridotto di elementi complessi.

- Di Metodo Sh-F si scopre che più è probabile il messaggio, più velocemente forma un gruppo indipendente e più breve sarà il codice che verrà rappresentato. Questa circostanza garantisce un'elevata efficienza del codice SH-F.

LIMITAZIONI

–Per decodificare il messaggio ricevuto, la tabella dei codici deve essere inviata insieme al messaggio, che aumenterà la dimensione dei dati del messaggio finale.

– Nel caso di un codice ordinario (in cui tutti i caratteri vengono utilizzati per trasmettere informazioni), se si verifica un errore nel codice, non sarà possibile decifrarlo. Ciò è dovuto al fatto che le combinazioni di codici hanno lunghezze diverse e, in caso di errore (sostituzione del carattere 1 con 0 e viceversa), una o più combinazioni di codici nel messaggio potrebbero non corrispondere ai caratteri della tabella dei codici.

– La codifica Shannon-Fano è un metodo di compressione abbastanza vecchio e oggi è di scarso interesse pratico.

Entropia della sorgente dei messaggi indipendenti.

l'entropia totale delle sorgenti di messaggi discreti X e Y è uguale alla somma delle entropie delle sorgenti.

H nc (X,Y) = H(X) + H(Y), dove H nc (X,Y) è l'entropia totale dei sistemi indipendenti, H(X) è l'entropia del sistema X, H(Y) è l'entropia del sistema Y.

Entropia della sorgente dei messaggi dipendenti.

la quantità di informazioni sulla sorgente X è definita come la diminuzione dell'entropia della sorgente X a seguito dell'ottenimento di informazioni sulla sorgente Y.

H s (X,Y) = H(X) + H(Y|X), dove H s (X,Y) è l'entropia totale dei sistemi dipendenti, H(X) è l'entropia del sistema X, H(Y |X) è l'entropia condizionata del sistema Y rispetto a X.

L'entropia dei sistemi dipendenti è inferiore all'entropia dei sistemi indipendenti. Se le entropie sono uguali, allora c'è un caso speciale di sistemi dipendenti: i sistemi sono indipendenti.

HC (X, Y)<= H нз (X,Y) (<= – меньше или равно).

Proprietà di entropia. Misura Hartley.

Entropia: il valore è sempre positivo e finito, perché il valore di probabilità è compreso tra 0 e 1. H (a) \u003d -Logk P (a) 2. L'additività è la proprietà in base alla quale la quantità di informazioni contenute in più messaggi indipendenti è uguale alla somma del numero di informazioni contenute in ciascuno. 3. Entropia è uguale a 0 se la probabilità di uno degli stati della fonte di informazione è uguale a 1, e quindi lo stato della fonte è completamente determinato (le probabilità degli stati rimanenti della fonte sono pari a zero, poiché la somma delle probabilità deve essere uguale a 1). La formula di Hartley è definita come: dove I è la quantità di informazioni, bit.

Il concetto di performance della sorgente e la velocità di trasferimento delle informazioni.

PRESTAZIONI DELLA FONTE DI INFORMAZIONE

Durante il funzionamento della sorgente del messaggio, i singoli segnali compaiono a intervalli di tempo, che in genere potrebbero non essere costanti. Tuttavia, se esiste una certa durata media della creazione di un segnale da parte della sorgente, l'entropia della sorgente per unità di tempo è chiamata produttività della sorgente di informazioni.

VELOCITÀ DI BAUD

Questa è la velocità dei dati espressa come numero di bit, simboli o blocchi trasmessi per unità di tempo.

Il limite superiore teorico della velocità di trasferimento dell'informazione è determinato dal teorema di Shannon-Hartley.

TEOREMA DI SHANNON-HARTLEY

la capacità del canale C, che significa il limite superiore teorico della velocità di trasmissione dati che può essere trasmessa con una data potenza media del segnale S attraverso un canale di comunicazione analogico soggetto a rumore gaussiano bianco additivo di potenza N, è:

C=B∙log 2 (1+S/N),

dove C è la capacità del canale, bit/s; B è la larghezza di banda del canale, Hz; S è la potenza totale del segnale, W; N – potenza del rumore, W.

Il termine "larghezza di banda" viene spesso utilizzato per descrivere le reti di comunicazione elettronica. Questa è una delle caratteristiche chiave di tali sistemi. A prima vista, può sembrare che una persona il cui lavoro non è in alcun modo collegato alle linee di comunicazione non abbia bisogno di capire cos'è la larghezza di banda di un canale. In effetti, tutto è un po' diverso. Molti hanno un personal computer di casa collegato e tutti sanno che a volte il lavoro con il World Wide Web rallenta senza una ragione apparente. Uno dei motivi è che proprio in quel momento la larghezza di banda del canale del provider diventa congestionata. Il risultato è un evidente rallentamento e possibili malfunzionamenti. Prima di definire il concetto di "larghezza di banda", utilizziamo un esempio che permette a chiunque di capire di cosa stiamo parlando.

Immagina un'autostrada in una piccola città di provincia e in una metropoli densamente popolata. Nel primo caso, il più delle volte è progettato per uno o due flussi di macchine, rispettivamente, la larghezza è piccola. Ma nelle grandi città, anche il traffico a quattro corsie non sorprenderà nessuno. Allo stesso tempo, il numero di auto che hanno percorso la stessa distanza su queste due strade differisce in modo significativo. Dipende da due caratteristiche: la velocità di movimento e il numero di corsie. In questo esempio, la strada è e le auto sono bit di informazioni. A sua volta, ogni corsia è una linea di comunicazione.

In altre parole, la larghezza di banda indica indirettamente quanti dati possono essere trasferiti per unità di tempo. Più alto è questo parametro, più comodo è il lavoro attraverso tale connessione.

Se tutto è ovvio con la velocità di trasferimento (aumenta al diminuire dei ritardi di trasmissione del segnale), il termine "larghezza di banda" è un po' più complicato. Come sapete, affinché un segnale possa trasmettere informazioni, viene trasformato in un certo modo. Per quanto riguarda l'elettronica, questa può essere una modulazione mista. Tuttavia, una delle caratteristiche della trasmissione è che più impulsi con frequenze diverse possono essere trasmessi contemporaneamente sullo stesso conduttore contemporaneamente (all'interno della banda comune, purché le distorsioni siano entro limiti accettabili). Questa caratteristica consente di aumentare le prestazioni complessive della linea di comunicazione senza modificare i ritardi. Un esempio lampante della coesistenza di frequenze è la conversazione simultanea di più persone con timbri diversi. Sebbene tutti parlino, ma le parole di ciascuno sono abbastanza distinguibili.

Perché a volte si verifica un rallentamento quando si lavora con la rete? Tutto è spiegato molto semplicemente:

Maggiore è il ritardo, minore è la velocità. Qualsiasi interferenza con il segnale (software o fisico) riduce le prestazioni;

Spesso include bit aggiuntivi che svolgono funzioni duplicate, la cosiddetta "ridondanza". Ciò è necessario per garantire l'operatività in presenza di interferenza sulla linea;

È stato raggiunto il limite fisico del mezzo conduttivo, quando tutti quelli validi sono già utilizzati e, con nuove porzioni di dati, vengono accodati per l'invio.

Per risolvere questi problemi, i fornitori utilizzano diversi approcci. Questa potrebbe essere la virtualizzazione, che aumenta la "larghezza", ma introduce ulteriori ritardi; un aumento del canale dovuto a mezzi conduttivi "extra", ecc.

Nella tecnologia digitale, a volte viene utilizzato il termine "baud". In effetti, significa il numero di bit di dati trasmessi per unità di tempo. Ai tempi delle linee di comunicazione lente (dial-up) 1 baud corrispondeva a 1 bit per 1 secondo. In futuro, con la crescita delle velocità, il "baud" ha cessato di essere universale. Potrebbe significare 1, 2, 3 o più bit al secondo, il che richiedeva un'indicazione separata, quindi attualmente viene utilizzato un sistema diverso, comprensibile a tutti.

Il grado di distorsione dei segnali sinusoidali da parte delle linee di comunicazione viene stimato utilizzando caratteristiche come la risposta in ampiezza e frequenza, la larghezza di banda e l'attenuazione a una certa frequenza.

Risposta in frequenza(Fig. 2.7) mostra come l'ampiezza della sinusoide all'uscita della linea di comunicazione decade rispetto all'ampiezza al suo ingresso per tutte le possibili frequenze del segnale trasmesso. Invece dell'ampiezza, questa caratteristica spesso utilizza anche un parametro del segnale come la sua potenza.

Conoscere la caratteristica ampiezza-frequenza di una linea reale consente di determinare la forma del segnale di uscita per quasi tutti i segnali di ingresso. Per fare ciò, è necessario trovare lo spettro del segnale di ingresso, convertire l'ampiezza delle sue armoniche costituenti in base alla caratteristica ampiezza-frequenza, quindi trovare la forma del segnale di uscita sommando le armoniche convertite.

Nonostante la completezza delle informazioni fornite dalla risposta in frequenza sulla linea di comunicazione, il suo utilizzo è complicato dal fatto che è molto difficile ottenerlo. Infatti, per questo è necessario testare la linea con sinusoidi di riferimento su tutto il range di frequenza da zero fino ad un certo valore massimo che può verificarsi nei segnali di ingresso. Inoltre, è necessario modificare la frequenza delle sinusoidi di ingresso con un piccolo passo, il che significa che il numero di esperimenti dovrebbe essere molto grande. Pertanto, in pratica, al posto della caratteristica ampiezza-frequenza, vengono utilizzate altre caratteristiche semplificate: la larghezza di banda e l'attenuazione.

Larghezza di banda (larghezza di banda) è un intervallo continuo di frequenze per cui il rapporto tra l'ampiezza del segnale di uscita e il segnale di ingresso supera un certo limite predeterminato, solitamente 0,5. Cioè, la larghezza di banda determina la gamma di frequenza di un segnale sinusoidale a cui questo segnale viene trasmesso sulla linea di comunicazione senza distorsioni significative. Conoscere la larghezza di banda consente di ottenere, con un certo grado di approssimazione, lo stesso risultato di conoscere la caratteristica ampiezza-frequenza. Come vedremo di seguito, larghezza la larghezza di banda incide maggiormente sulla velocità massima possibile di trasmissione delle informazioni sulla linea di comunicazione. È questo fatto che si riflette nell'equivalente inglese del termine in questione (larghezza - larghezza).

Decadimento (attenuazione) è definito come la diminuzione relativa dell'ampiezza o della potenza del segnale quando un segnale di una certa frequenza viene trasmesso su una linea di segnale. Pertanto, l'attenuazione è un punto dalla risposta in frequenza della linea. Spesso, durante il funzionamento della linea, si conosce in anticipo la frequenza fondamentale del segnale trasmesso, ovvero la frequenza la cui armonica ha l'ampiezza e la potenza più elevate. Pertanto, è sufficiente conoscere l'attenuazione a questa frequenza per stimare approssimativamente la distorsione dei segnali trasmessi sulla linea. Stime più accurate sono possibili se è nota l'attenuazione a più frequenze corrispondenti a più armoniche fondamentali del segnale trasmesso.

L'attenuazione A viene solitamente misurata in decibel (dB, decibel - dB) e viene calcolata con la seguente formula:

dove P out è la potenza del segnale all'uscita di linea, P in è la potenza del segnale all'ingresso di linea.

Poiché la potenza di uscita di un cavo senza amplificatori intermedi è sempre inferiore alla potenza del segnale di ingresso, l'attenuazione del cavo è sempre un valore negativo.

Ad esempio, il cavo a doppino intrecciato di categoria 5 ha un'attenuazione di almeno -23,6 dB per una frequenza di 100 MHz con una lunghezza del cavo di 100 m. È stata scelta la frequenza di 100 MHz perché questo cavo di categoria è progettato per dati ad alta velocità trasmissione, i cui segnali hanno armoniche significative di circa 100 MHz. Il cavo di categoria 3 è progettato per la trasmissione di dati a bassa velocità, pertanto viene determinata l'attenuazione a una frequenza di 10 MHz (non inferiore a -11,5 dB). Spesso operano con valori assoluti di attenuazione, senza specificarne il segno.

Assoluto livello di potenza, ad esempio il livello di potenza del trasmettitore, misurato anche in decibel. In questo caso si assume come valore base della potenza del segnale un valore di 1 mW, rispetto alla quale viene misurata la potenza attuale. Pertanto, il livello di potenza p è calcolato con la seguente formula:

dove P è la potenza del segnale in milliwatt e dBm (dBm) è l'unità del livello di potenza (decibel per mW).

Pertanto, la risposta in frequenza, la larghezza di banda e l'attenuazione sono caratteristiche universali e la loro conoscenza ci consente di concludere come i segnali di qualsiasi forma verranno trasmessi attraverso la linea di comunicazione.

La larghezza di banda dipende dal tipo di linea e dalla sua lunghezza. Sulla fig. 2.8 mostra le larghezze di banda delle linee di comunicazione di vario tipo, nonché le gamme di frequenza più comunemente utilizzate nella tecnologia della comunicazione;

Capacità della linea

Larghezza di banda (portata) linea caratterizza la massima velocità di trasferimento dati possibile sulla linea di comunicazione. La larghezza di banda viene misurata in bit al secondo - bps, nonché in unità derivate come kilobit al secondo (Kbps), megabit al secondo (Mbps), gigabit al secondo (Gbps), ecc. .

NOTA La larghezza di banda delle linee di comunicazione e delle apparecchiature di rete di comunicazione viene tradizionalmente misurata in bit al secondo, non in byte al secondo. Ciò è dovuto al fatto che i dati nelle reti vengono trasmessi in sequenza, cioè bit per bit, e non in parallelo, byte, come accade tra i dispositivi all'interno di un computer. Unità di misura come kilobit, megabit o gigabit nelle tecnologie di rete corrispondono rigorosamente a 10 unità (ovvero, kilobit è 1000 bit e megabit è 1.000.000 di bit), come è consuetudine in tutti i rami della scienza e della tecnologia, e non in quelli vicini. a questi numeri alle potenze di 2, come è consuetudine in programmazione, dove il prefisso "chilo" è 2 10 =1024 e "mega" -2 20 = 1 048 576.

Il throughput di una linea di comunicazione dipende non solo dalle sue caratteristiche, come la caratteristica ampiezza-frequenza, ma anche dallo spettro dei segnali trasmessi. Se le armoniche di segnale significative (cioè quelle armoniche le cui ampiezze danno il contributo principale al segnale risultante) rientrano nella larghezza di banda della linea, allora tale segnale sarà ben trasmesso da questa linea di comunicazione e il ricevitore sarà in grado di riconoscere correttamente l'informazione inviato via linea dal trasmettitore (Fig. 2.9, un). Se le armoniche significative vanno oltre la larghezza di banda della linea di comunicazione, il segnale sarà notevolmente distorto, il ricevitore commetterà errori nel riconoscere le informazioni, il che significa che le informazioni non potranno essere trasmesse con una determinata larghezza di banda (Fig. 2.9, 6).

Viene chiamata la scelta di un metodo per rappresentare informazioni discrete sotto forma di segnali applicati a una linea di comunicazione fisico o codifica di linea. Lo spettro dei segnali e, di conseguenza, la larghezza di banda della linea dipende dal metodo di codifica scelto. Pertanto, per un metodo di codifica, la linea può avere una capacità e per un'altra un'altra. Ad esempio, il doppino intrecciato di categoria 3 può trasmettere dati a una larghezza di banda di 10 Mbps nel metodo di codifica standard del livello fisico 10Base-T e 33 Mbps nel metodo di codifica standard 100Base-T4. Nell'esempio mostrato in fig. 2.9, viene adottato il seguente metodo di codifica: 1 logico è rappresentato sulla linea da un potenziale positivo e 0 logico è negativo.

La teoria dell'informazione afferma che qualsiasi cambiamento percettibile e imprevedibile nel segnale ricevuto trasporta informazioni. In accordo con ciò, la ricezione di una sinusoide, in cui l'ampiezza, la fase e la frequenza rimangono invariate, non porta informazioni, poiché sebbene il segnale cambi, è ben prevedibile. Allo stesso modo, gli impulsi sul bus dell'orologio del computer non trasportano informazioni, poiché anche le loro modifiche sono costanti nel tempo. Ma gli impulsi sul bus dati non possono essere previsti in anticipo, quindi trasferiscono informazioni tra singoli blocchi o dispositivi.

La maggior parte dei metodi di codifica utilizza una modifica di alcuni parametri di un segnale periodico: la frequenza, l'ampiezza e la fase di una sinusoide o il segno del potenziale di un treno di impulsi. Viene chiamato un segnale periodico i cui parametri cambiano segnale portante o frequenza portante, se una sinusoide viene utilizzata come tale segnale.

Se il segnale cambia in modo da poter distinguere solo due dei suoi stati, qualsiasi cambiamento in esso corrisponderà alla più piccola unità di informazione: un po'. Se il segnale può avere più di due stati distinguibili, qualsiasi cambiamento in esso porterà diversi bit di informazioni.

Viene misurato il numero di variazioni nel parametro informativo del segnale periodico portante al secondo baud (baud). Il periodo di tempo tra le modifiche adiacenti nel segnale di informazione è chiamato ciclo di clock del trasmettitore.

La larghezza di banda della linea in bit al secondo non è generalmente la stessa del numero di baud. Può essere superiore o inferiore alla velocità di trasmissione e questo rapporto dipende dal metodo di codifica.

Se il segnale ha più di due stati distinti, il throughput in bit al secondo sarà superiore alla velocità di trasmissione. Ad esempio, se i parametri di informazione sono la fase e l'ampiezza di una sinusoide e si distinguono 4 stati di fase a 0, 90,180 e 270 gradi e due valori dell'ampiezza del segnale, il segnale di informazione può avere 8 stati distinguibili. In questo caso, un modem funzionante a 2400 baud (con una frequenza di clock di 2400 Hz) trasmette informazioni a una velocità di 7200 bps, poiché vengono trasmessi 3 bit di informazioni con un cambio di segnale.

Quando si utilizzano segnali con due stati distinguibili, è possibile osservare l'immagine inversa. Ciò è spesso dovuto al fatto che, affinché le informazioni dell'utente siano riconosciute in modo affidabile dal ricevitore, ogni bit nella sequenza è codificato con diverse modifiche nel parametro di informazione del segnale portante. Ad esempio, quando si codifica un valore di bit singolo con un impulso di polarità positiva e un valore zero di un bit con un impulso di polarità negativa, il segnale fisico cambia il suo stato due volte durante la trasmissione di ciascun bit. Con questa codifica, la larghezza di banda della linea è due volte inferiore al numero di baud trasmessi sulla linea.

Il throughput della linea è influenzato non solo dalla codifica fisica, ma anche logica. Codifica logica viene eseguita prima della codifica fisica e implica la sostituzione di bit dell'informazione originale con una nuova sequenza di bit che porta la stessa informazione, ma ha, in aggiunta, proprietà aggiuntive, ad esempio la capacità per la parte ricevente di rilevare errori nella dati ricevuti. Accompagnare ogni byte delle informazioni originali con un bit di parità è un esempio di un metodo di codifica logica molto comunemente usato durante la trasmissione di dati tramite modem. Un altro esempio di codifica logica è la crittografia dei dati, che ne garantisce la riservatezza quando trasmessi attraverso i canali di comunicazione pubblica. Nella codifica logica, molto spesso la sequenza di bit originale viene sostituita da una sequenza più lunga, quindi il throughput del canale in relazione alle informazioni utili viene ridotto.

Relazione tra la capacità di una linea e la sua larghezza di banda

Maggiore è la frequenza del segnale periodico portante, più informazioni per unità di tempo vengono trasmesse sulla linea e maggiore è la capacità della linea con un metodo fisso di codifica fisica. Tuttavia, d'altra parte, all'aumentare della frequenza di un segnale portante periodico, aumenta anche l'ampiezza dello spettro di tale segnale, cioè la differenza tra la frequenza massima e minima di quell'insieme di sinusoidi, che in totale darà la sequenza di segnali selezionati per la codifica fisica. La linea trasmette questo spettro di sinusoidi con quelle distorsioni determinate dalla sua larghezza di banda. Maggiore è la discrepanza tra la larghezza di banda della linea e la larghezza di banda dei segnali di informazione trasmessi, più i segnali sono distorti e più probabili sono gli errori nel riconoscimento delle informazioni da parte della parte ricevente, il che significa che la velocità di trasmissione delle informazioni cambia effettivamente essere meno del previsto.

La relazione tra la larghezza di banda di una linea e la sua massimo passaggio possibilecapacità di noè, indipendentemente dal metodo accettato di codifica fisica, Claude Shannon ha stabilito:

dove C è la velocità massima della linea in bit al secondo, F è la larghezza di banda della linea in hertz, P c è la potenza del segnale, P w è la potenza del rumore.

Da questa relazione si può vedere che, sebbene non vi sia alcun limite teorico al throughput di un collegamento a larghezza di banda fissa, in pratica esiste un tale limite. Infatti, è possibile aumentare la capacità della linea aumentando la potenza del trasmettitore o riducendo la potenza di disturbo (interferenza) sulla linea di comunicazione. Entrambi questi componenti sono molto difficili da cambiare. L'aumento della potenza del trasmettitore porta ad un aumento significativo delle sue dimensioni e dei suoi costi. La riduzione del livello di rumore richiede l'uso di cavi speciali con buone schermature protettive, che è molto costoso, nonché la riduzione del rumore nel trasmettitore e nelle apparecchiature intermedie, che non è facile da ottenere. Inoltre, l'effetto delle potenze utili del segnale e del rumore sul throughput è limitato da una dipendenza logaritmica, che cresce ben lungi dall'essere veloce come quella proporzionale diretta. Quindi, per un rapporto iniziale abbastanza tipico tra potenza del segnale e potenza del rumore di 100 volte, un aumento di 2 volte della potenza del trasmettitore darà solo un aumento del 15% della capacità della linea.

Vicino in sostanza alla formula di Shannon è la seguente relazione ottenuta da Nyquist, che determina anche il massimo throughput possibile della linea di comunicazione, ma senza tener conto del rumore sulla linea:

dove M è il numero di stati distinguibili del parametro informativo.

Se il segnale ha 2 stati distinguibili, la larghezza di banda è pari al doppio della larghezza di banda della linea di comunicazione (Fig. 2.10, un). Se il trasmettitore utilizza più di 2 stati di segnale stabili per codificare i dati, la capacità della linea aumenta, poiché il trasmettitore trasmette diversi bit di dati iniziali in un ciclo operativo, ad esempio 2 bit in presenza di quattro stati di segnale distinguibili (Fig. 2.10, b).

Sebbene la formula di Nyquist non tenga esplicitamente conto della presenza di rumore, la sua influenza si riflette indirettamente nella scelta del numero di stati del segnale informativo. Per aumentare la larghezza di banda del canale, vorremmo aumentare questo numero a valori significativi, ma in pratica non possiamo farlo a causa del rumore sulla linea. Ad esempio, per l'esempio mostrato in Fig. 2.10, è possibile raddoppiare la larghezza di banda della linea utilizzando non 4, ma 16 livelli per la codifica dei dati. Tuttavia, se l'ampiezza del rumore supera spesso la differenza tra i 16 livelli adiacenti, il ricevitore non sarà in grado di riconoscere stabilmente i dati trasmessi. Pertanto, il numero di possibili stati del segnale è effettivamente limitato dal rapporto tra potenza del segnale e rumore e la formula di Nyquist determina la velocità massima dei dati nel caso in cui il numero di stati sia già stato selezionato tenendo conto delle capacità di riconoscimento stabile di il ricevente.

I rapporti dati danno il valore limite della capacità della linea e il grado di approssimazione a questo limite dipende dai metodi specifici di codifica fisica discussi di seguito.

Immunità al rumore e affidabilità

Immunità ai disturbi di linea determina la sua capacità di ridurre il livello di interferenza generata nell'ambiente esterno sui conduttori interni. L'immunità ai disturbi di una linea dipende dal tipo di mezzo fisico utilizzato, nonché dai mezzi di schermatura e soppressione dei disturbi della linea stessa. Le meno resistenti al rumore sono le linee radio, le linee in cavo hanno una buona stabilità e le linee in fibra ottica, che sono insensibili alle radiazioni elettromagnetiche esterne, hanno un'eccellente stabilità. Tipicamente, i conduttori sono schermati e/o attorcigliati per ridurre le interferenze dovute ai campi elettromagnetici esterni.

Diafonia all'estremità vicina (vicino Fine Attraverso Parlare - PROSSIMO) determinare l'immunità al rumore del cavo alle sorgenti interne di interferenza, quando il campo elettromagnetico del segnale trasmesso dall'uscita del trasmettitore su una coppia di conduttori induce un segnale di interferenza su un'altra coppia di conduttori. Se un ricevitore è collegato alla seconda coppia, può prendere il rumore interno indotto come segnale utile. L'indicatore NEXT, espresso in decibel, è pari a 10 log P OUT / P NAV, dove P OUT è la potenza del segnale in uscita, P NAT è la potenza del segnale indotto.

Minore è il valore NEXT, migliore sarà il cavo. Ad esempio, per il doppino intrecciato di categoria 5, NEXT dovrebbe essere inferiore a -27 dB a 100 MHz.

L'indicatore NEXT viene solitamente utilizzato in relazione ad un cavo composto da più doppini intrecciati, poiché in questo caso i pickup reciproci di un doppino sull'altro possono raggiungere valori significativi. Per un cavo coassiale singolo (costituito cioè da un unico nucleo schermato), questo indicatore non ha senso, e per un cavo coassiale doppio non è inoltre applicabile a causa dell'alto grado di protezione di ciascun conduttore. Inoltre, le fibre ottiche non creano alcuna interferenza evidente tra loro.

A causa del fatto che alcune nuove tecnologie utilizzano la trasmissione di dati contemporaneamente su più doppini intrecciati, l'indicatore è stato recentemente utilizzato PowerSUM, che è una modifica dell'indicatore NEXT. Questo indicatore riflette la potenza totale della diafonia da tutte le coppie trasmittenti nel cavo.

Affidabilità della trasmissione dei dati caratterizza la probabilità di distorsione per ogni bit di dati trasmesso. A volte viene chiamato questo indicatore intensamentetasso di errore in bit (Morso errore Vota, BER). Il valore BER per i canali di comunicazione senza protezione dagli errori aggiuntiva (ad esempio codici o protocolli di autocorrezione con ritrasmissione di frame distorti) è, di norma, 10" 4 -10 ~ 6, nelle linee di comunicazione in fibra ottica - 10~ 9. Il valore di affidabilità della trasmissione dati, ad esempio, in 10 -4 dice che, in media, su 10.000 bit, il valore di un bit è distorto.

La distorsione del bit si verifica sia per la presenza di interferenze sulla linea, sia per la distorsione della forma d'onda dovuta alla larghezza di banda limitata della linea. Pertanto, per aumentare l'affidabilità dei dati trasmessi, è necessario aumentare il grado di immunità ai disturbi della linea, ridurre il livello di diafonia nel cavo e utilizzare anche più linee di comunicazione a banda larga.

La tensione della batteria sulla maggior parte degli scambi CIS è in genere di 60 V, ma può essere compresa tra 24 e 100 V.

Calcola il valore della corrente di linea (nel caso peggiore):

Resistenza bobina (2x400 ohm) 800 ohm

Linea telefonica a 10 km 18000 m

Resistenza telefonica ... 300 Ohm

Totale: 29000 m

Voltaggio batteria 60 V

Corrente di linea minima: 60 V / 2900 Ohm - 20,7 mA.

In tavola. La tabella 2.1 riporta i valori delle correnti minime di linea per le reti telefoniche di alcuni paesi europei.

In passato, la maggior parte delle compagnie telefoniche specificava una resistenza CC massima per gli SLT per garantire la corrente minima della bobina. Tuttavia, per i TA elettronici è difficile determinare la resistenza massima alla corrente continua, poiché hanno una caratteristica IV non lineare (caratteristica di tensione). La caratteristica I-V è dovuta alla polarità del ponte di protezione e all'altissima resistenza del ponte alle basse correnti. Sulla fig. 2.19 mostra le aree delle caratteristiche corrente-tensione accettabili e inaccettabili per le reti telefoniche. Alcune aziende consentono una tensione di linea più elevata durante la composizione della frequenza, come questi sistemi funzionano senza isolare gli impulsi digitali. Negli Stati Uniti, la tensione di linea è di 6 V a 20 mA, ma con la selezione della frequenza può essere di 8 V a 20 mA. Pertanto, è più facile alimentare i generatori di codici di frequenza nei paesi con questo tipo di specifica.

Alcune compagnie telefoniche consentono una tensione di linea inferiore durante la composizione a impulsi per rendere più facile per i relè sul PBX isolare le interruzioni di corrente di linea.