дипломы,диссертации,курсовые,контрольные,рефераты,отчеты на заказ

2. Основные понятия телекоммуникаций
2.1 Информация, сообщения, сигналы

2.1.1 Основные единицы измерения в телекоммуникации

Диапазон измеряемых величин.
В телекоммуникациях используется большое число различных физических величин, характеризующих, например, сигнал.
Это частота, длина волны, напряжение, мощность и др.

Таблица 2.1
НаименованиеОбозначениеМножитель
Пикоп10-12
Нано Н10-9
Микромк10-6
Миллим10-3
Килок103
МегаМ106
ГигаГ109
ТераТ1012

Особенность этих физических величин состоит в их большом диапазоне значений; так, длина электромагнитной волны может меняться от сотен километров до сотен нанометров (оптический диапазон), мощность - от мегаватт до нановатт, а частота  от единиц герц до терагерц. В таблице даны значения приставок единиц измерения, которые надо хорошо усвоить. Это поможет вам в сравнении физических величин, умении оценивать физическую реализуемость результатов расчетов и экспериментов.

Понятие децибел. Очень важной величиной, которая используется как в волоконной оптике, так и в электронике для выражения усиления или затухания в системе в целом или в ее компонентах, является децибел (дБ). Эту величину ввел Александр Грэхем Белл. Единица стала называться «бел». Одна десятичная бела называется децибел (дБ). Он ввел ее для измерения силы звука.

Человеческое ухо воспринимает силу звука логарифмически. Так, уровень в 100 ватт по сравнению с уровнем в 10 ватт для человеческого уха слышится громче в два раза (но не в 10 раз). Возрастание силы звука на один децибел является примерно наименьшим приростом, которое способно различить человеческое ухо.

Эта единица измерения используется в настоящее время в качестве основы для измерений относительных уровней мощностей, напряжений и других физических величин. Транзистор, например, может усиливать сигнал, увеличивая амплитуду его напряжения, тока или мощности. Это увеличение называется усилением. Аналогично, затухание - это уменьшение напряжения, тока или мощности при распространении сигнала по линии связи.

Основные уравнения, определяющие децибел, следующие:

dBU=20log10(U1/U2); dBI=20log10(I1/I2); dBP=10log10(P1/P2).

где U - напряжение, I - ток и P - мощность. Децибел, таким образом, характеризует отношение двух напряжений, токов или мощностей. Необходимо отметить, что в случае напряжения и тока отношение логарифмов умножается на 20, а в случае мощности  на 10.

Разобраться в децибелах поможет одно общее правило. При измерении мощности потери в 3 дБ означают уменьшение мощности на 50%, т.е. если была мощность 1 мВт, то будет 0,5 мВт. Аналогично увеличение на 3 дБ означает удвоение мощности: 1мВт превращается в 2 мВт. Для напряжения или тока удвоение или уменьшение вдвое будет происходить при изменении на 6 дБ, поскольку, как видно из приведенных выше уравнений, для тока и напряжения коэффициент равен не 10, а 20. При прокладке кабелей практически всегда приходится иметь дело с мощностью.

В случае мощности правило децибел выглядит так:

Увеличение:

  • 20 дБ = 100-кратное возрастание мощности;
  • 10 дБ = 10-кратное возрастание мощности;
  • 3 дБ = двукратное возрастание мощности.
  • Уменьшение:

  • -3 дБ = двукратная потеря мощности;
  • -6 дБ = 75%-ная потеря мощности (остается 25%);
  • -10 дБ = 90%-ная потеря мощности (остается 10%);
  • -20 дБ = 99%-ная потеря мощности (остается 1%);
  • -30 дБ = 99,9%-ная потеря мощности (остается 0,1%);
  • -40 дБ = 99,99%-ная потеря мощности (остается 0,01%).
  • При всего лишь -20 дБ теряется 99% мощности. Если исходный сигнал имеет мощность 1 мВт, то при -20 дБ остается только 0,01 мВт (10 микроватт). Мощность падает на два порядка  в 100 раз.

    В волоконной оптике, как правило, имеют дело с затуханием оптической мощности. По мере перемещения по волокну свет теряет свою мощность. Эти потери выражаются в децибелах. Затухание, выраженное в децибелах, имеет отрицательную величину.

    Иногда в соотношении, используемом для определения затухания или усиления, используется постоянное значение Pin. В волоконной оптике обычно используется величина в 1 милливатт (мВт).

    dBP=10log10(P1/1 мВт)

    дБм (dBm) означает «децибел, соотнесенный к милливатту». Единицы дБм часто используются инженерами и техниками.

    Соотношение мощности и единиц дБм
    10 мВт = +10 дБм10 мкВт = -20 дБм
    5 мВт = +7 дБм1 мкВт = -30 дБм
    1 мВт = 0 дБм100 нВт = -40 дБм
    500 мкВт = -3 дБм10 нВт = -50 дБм
    100 мкВт =-10 дБм1 нВт = -60 дБм
    50 мкВт = -13 дБм100 пВт = -70 дБм

    Объем и скорость передачи информации. Объем информации измеряется в битах.

    Бит - это минимальное количество информации, составляющее выбор одного из двух возможных вариантов. Когда создается возможность дать ответ на любой вопрос «да» или «нет», то это и есть один бит информации, т.е. в этом случае меньше бита информации не бывает.

    Бит - это абстрактное понятие, которое обеспечивает количественное измерение информации, доступное компьютерным системам.

    Математически нам проще всего «битовую информацию» описывать числовыми методами, а именно двоичными числами, которые составляются из цифр «0» и «1».

    Сколько передается «ноликов» или «единичек»  столько передается битов информации.

    Для кодирования разнообразных вариаций в какой-либо области знаний (например, даже обычного текста, не говоря уже о звуковой или цветовой информации) одного бита информации мало. Для кодирования разнообразных вариаций требуется увеличение разрядности двоичного числа (его удлинении). Двоичные числа формируются с фиксированной разрядностью, такая совокупность разрядов получила название «байт».

    Байт - последовательность из восьми бит, рассматриваемая как одно целое.

    Современные объемы характеризуются объемами в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах, терабайтах

    Рассмотрим книгу объемом 100 000 слов, содержащую, например, 250 страниц, причем допустим, что каждое слово состоит в среднем из пяти букв. При использовании для преобразования текста в цифровую форму каждая буква кодируется восемью двоичными цифрами. Таким образом, один байт может принимать 28 = 256 различных значений, причем, учитываются все строчные и прописные буквы, цифры, промежутки между словами и знаки препинания. Тогда общий объем содержащейся в книге информации составит 4 Мбит.

    Производимые в настоящее время оптические носители информации позволяют хранить 210, 650, 700, 4700 Мбайт.

    Производимые современной промышленностью устройства хранения данных (жесткий диск) могут достигать объема нескольких Тбайт и их объемы с каждым годом возрастают.

    Пропускная способность канала. Под пропускной способностью канала понимают максимально достижимую скорость передачи полезной информации в бит/с. В качестве ограничений обычно выступают протяженность канала, тип среды, мощность передатчика, чувствительность приемника, занимаемая полоса частот, характеристики помех и шумов, допустимая доля ошибок.

    Если раньше сети работали обычно со скоростью 10 Мбит/с, то сейчас сети поддерживают 100 и 1000 Мбит/с. Причем Internet трафик, в настоящие время, в телекоммуникационных сетях общего пользования превышает голосовой трафик.

    Понятие скорости передачи. Скорость передачи - это количество бит в единицу времени (В) [бит/с].

    Различные услуги электросвязи требуют различных скоростей передачи. Например, факсимильная передача одной страницы текста формата А4 (210х297 мм), в зависимости от степени обработки сигналов, требует от 200 кбит/с до 2 Мбит/с. Аналоговая передача видеосигнала требует в реальном масштабе времени до 6 МГц, а цифровая передача  130-600 Мбит/с. Современные скорости локальных вычислительных сетей составляют от 10 Мбит/с до 1 Гбит/с. Требования к скоростям речевого и видеосигнала могут существенно различаться в зависимости от вида обработки.

    Звуковой канал. Для обеспечения разборчивости речи требуется полоса частот около 3 кГц, лежащая в диапазоне от 300 Гц до 3,4 кГц для обычной стандартной телефонной сети. На практике по цифровому телефонному каналу эта полоса частот передается со скоростью 64 кбит/с. При этом аналоговый сигнал дискретизируется с интервалом 125 мкс (частота дискретизации fs =8 кГц), а каждый отсчет кодируется 8-битовым словом.

    Связь между скоростью передачи и расчетной частотой зависит от используемого метода кодирования сигналов. Например, для кодирования без возврата к нулю - аналогично обычным цифровым данным (высокий уровень означает 1, а низкий 0), расчетная частота для линии связи в 100 МГц равна скорости передачи данных 100 Мбит/с.

    Шум. Шумом называется любое возмущение электрического или оптического характера, отличное от полезного сигнала. Сигнал несет полезную информацию, а шум является чем-то дополнительным и бесполезным. Любой канал связи подвержен воздействию шумов. Слишком слабый сигнал невозможно различить на фоне шума, для этого необходимо либо уменьшить уровень шума, либо усилить сигнал. В процессе усиления в приемном устройстве усиливается не только сигнал, но и шум. Некоторые виды шума можно отфильтровать с помощью электронных фильтров. Удобно иметь уровень сигнала более высокий по сравнению с уровнем шума, а еще лучше иметь сильный сигнал и слабый шум.

    Примером шумов может служить так называемая перекрестная помеха. Когда во время телефонного звонка происходит коммутация двух различных телефонных линий, в результате чего вы можете у себя в трубке слышать то, что говорят другие люди. Это искусственный шум. В отличие от искусственных, многие типы естественных шумов устранить нельзя, поскольку они появляются в результате природных явлений. Вам, наверное, знакомо характерное потрескивание в радиоприемнике, которое вызвано разрядами молнии в атмосфере Земли. Это пример атмосферных шумов (atmospheric noise). Кроме эффектов, связанных с природными процессами, протекающими в атмосфере и на поверхности Земли, существуют внешние шумы, которые называются космическими. Эти шумы заметны лишь на частотах до 1 ГГц.

    Электрический шум можно определить как нежелательную энергию, которая сопровождает сигнал в электронной системе  внутренние шумы. В любой точке системы, кроме сигнала, всегда присутствуют шумы. Это явление  неотъемлемое свойство электронной цепи.

    Тепловой шум. Вследствие теплового возбуждения атомов проводника или резистора в веществе возникают свободные электроны. Возникающий при этом шум носит название теплового шума, так как его энергия возрастает с увеличением температуры.

    N = kТΔF,

    где k - постоянная Больцмана, равная 1,38*10-23 Дж/К; Т - абсолютная температура, выраженная в градусах по шкале Кельвина, К; ΔF - рассматриваемая ширина полосы частот, например полоса пропускания измерительного прибора или системы.

    Можно предположить, что присутствие шумов в системе приводит к нарушению её работоспособности. Однако на самом деле большинство систем функционирует вполне нормально, если уровень шумов не превышает заданного уровня.

    Отношение сигнал/шум

    В большинстве случаев абсолютный уровень мощности шума редко является тем параметром, по которому пользователь может оценить качество системы. Как правило, для этой цели удобней пользоваться отношением мощностей сигнала и шума. Отношение сигнал/шум (S/N) - общепринятый способ выражения качества сигнала в системе. Это отношение выражается обычно в дБ средней энергии сигнала к средней энергии шумов различной природы.

    S/N=10log(S/N) [dB]

    где S - мощность сигнала в Вт, N  мощность шума в Вт.
    Часто реальные системы работают в очень большом динамическом диапазоне, который простирается на два или три порядка величин; при этом приходится иметь дело как с очень малыми, так и с очень большими значениями отношения сигнал/шум.

    Итак, очевидно, что именно отношение мощностей сигнала и шума, а не их абсолютные значения, является определяющим параметром качества системы.

    Типичные значения приемлемого отношения сигнал/шум составляют около 16 дБ - для передачи речи с низким качеством и до 30 дБ - для коммерческих телефонных систем, наконец, 50-60 дБ для высококачественного радиовещания музыкальных программ.

    Пример. Пусть входное сопротивление усилителя ТВ приемника равно 500 Ом, сигнал на выходе равен 1 мВ. Полоса частот сигнала 10 МГц, температура сопротивления нагрузки - 27°С. Тогда мощность сигнала на нагрузке

    S=U²/R1=12/500=0.002 мВт ;

    эквивалентная мощность шума:

    N = kTsΔF = 1.38*10-23*300*106 = 4.14*10-14 Вт,

    а отношение сигнал/шум на нагрузке:

    S/N (дБ)=10log10(0.002 мВт/4.14*10-14 Вт)=48 дБ

    Еще одним преимуществом выражения отношения С/Ш в децибелах является то, что общее отношение сигнал/шум при соединении нескольких отдельных электрических цепей определяется как сумма отдельных отношений С/Ш всех цепей, а не их произведение.

    Скорость передачи реального канала связи зависит не только от полосы пропускания, но и от отношения сигнал/шум.
    Теоретическую максимальную скорость передачи для реального канала связи можно вычислить, используя теорему Шеннона:

    C= ΔF log2 (1+S/N) [бит/с],

    где C - скорость передачи данных в бит/с; ΔF - полоса пропускания канала в герцах; S - мощность сигнала в ваттах; Т - мощность шума в ваттах.

    Из этой формулы можно видеть, что увеличение полосы пропускания или увеличение отношения сигнала к шуму позволяет увеличить скорость передачи данных и что сравнительно небольшое увеличение полосы пропускания эквивалентно гораздо большему увеличению отношения сигнала к шуму.

    Для цифровых систем существует аналог отношения сигнал - шум, который называется отношение бит/ошибка (ВЕR).

    BER = (Число ошибочных битов) / (Всего битов).

    Данный параметр является отношением объема неправильно принятой информации к общему объему переданной информации, выраженной в битах. Отношение 10-9 означает, что при передаче одного миллиарда бит информации была допущена одна ошибка. Подобно S/N требования к величине отношения бит/ошибка зависят от области применения и многих других факторов. Лучшее S/N подразумевает лучшее отношение ВЕR.

    дипломы,курсовые,рефераты,контрольные,диссертации,отчеты на заказ