Смуга пропускання та пропускна спроможність
Смуга пропускання - це безперервний діапазон частот для якого згасання не перевищує деяку заздалегідь задану межу. Тобто смуга пропускання визначає діапазон частот синусоїдального сигналу, при яких цей сигнал передається по лінії зв'язку без значних спотворень.
Мал. 8.13. Смуги пропускання ліній зв'язку та популярні частотні діапазони
Часто граничними частотами вважаються частоти, на яких потужність вихідного сигналу зменшується вдвічі по відношенню до вхідного, що відповідає загасанню -3 дБ. Як побачимо далі,ширинасмуги пропускання найбільше впливає максимально можливу швидкість передачі з лінії зв'язку. Смуга пропускання залежить від типу лінії та її довжини. На рис. 8.13 показані смуги пропускання ліній зв'язку різних типів, а також частотні діапазони, що найчастіше використовуються в техніці зв'язку.
Пропускна здатність лінії характеризується максимальну можливість передачі даних, яка може бути досягнута на цій лінії. Особливістю пропускної спроможності і те, що, з одного боку, ця характеристика залежить від параметрів фізичного середовища, з другого - визначаєтьсяспособом передачі. Отже, не можна говорити про пропускну спроможність лінії зв'язку до того, як для неї визначено протокол фізичного рівня.
Наприклад, оскільки для цифрових ліній завжди визначено протокол фізичного рівня, що задає бітову швидкість передачі даних, то для них завжди відома і пропускна спроможність - 64 Кбіт/с, 2 Мбіт/с тощо.
У тих же випадках, коли тільки потрібно вибрати, який з безлічі існуючих протоколів використовувати на даній лінії, дуже важливими є інші характеристики лінії, такіяк смуга пропускання, перехресні наведення, стійкість до перешкод і ін. Пропускна здатність, як і швидкість передачі даних, вимірюється в бітах в секунду (біт/с), а також у похідних одиницях, таких як кілобіти в секунду (Кбіт/с) і т.д. буд.
Це пов'язано з тим, що дані в мережах передаються послідовно, тобто побітно, а не паралельно, байтами, як це відбувається між пристроями всередині комп'ютера. . Такі одиниці виміру, як кілобіт, мегабіт чи гігабіт, у мережевих технологіях суворо відповідають ступеням десяти (тобто кілобіт - це 1000 біт, а мегабіт - це 1 000 000 біт), як це заведено у всіх галузях науки і техніки, а не близьким до цих чисел ступеням двійки, як це прийнято в програмуванні, де приставка «кіло» дорівнює 210 = 1024, а «мега» - 220 = 1048576.
Пропускна здатність лінії зв'язку залежить не тільки від її характеристик, таких як згасання і смуга пропускання, але і від спектра сигналів, що передаються. Якщо значущі гармоніки сигналу (тобто ті гармоніки, амплітуди яких вносять основний внесок у результуючий сигнал) потрапляють у смугу пропускання лінії, такий сигнал буде добре передаватися цією лінією зв'язку, і приймач зможе правильно розпізнати інформацію, відправлену лінією передавачем (рис. 8.14 , а). Якщо ж значимі гармоніки виходять за межі смуги пропускання лінії зв'язку, сигнал почне значно спотворюватися, і приймач буде помилятися при розпізнаванні інформації (рис. 8.14,6).
Мал. 8.14. Відповідність між смугою пропускання лінії зв'язку та спектром сигналу
Біти та боди
Вибір способу подання дискретноїінформації у вигляді сигналів, що подаються на лінію зв'язку, називаєтьсяфізичним, аболінійним, кодуванням. Від обраного способу кодування залежить спектр сигналів і, відповідно, пропускна здатність лінії.
Відповідно до основного постулату теорії інформації будь-яка помітна непередбачувана зміна сигналу, що приймається, несе в собі інформацію. Звідси випливає, що синусоїда, у якої амплітуда, фаза і частота залишаються незмінними, інформації не несе, оскільки зміна сигналу хоч і відбувається, але абсолютно передбачуваним. Аналогічно, не несуть у собі імпульси на тактовій шині комп'ютера, оскільки їх зміни теж постійні в часі. А ось імпульси на шині даних передбачити заздалегідь не можна, це і робить їх інформаційними, вони переносять інформацію між ртдельними блоками або пристроями комп'ютера.
У більшості способів кодування використовується зміна будь-якого параметра періодичного сигналу - частоти, амплітуди та фази синусоїди або знаку потенціалу послідовності імпульсів. Періодичний сигнал, параметри якого зазнають змін, називають несучим сигналом, а його частоту, якщо сигнал синусоїдальний, -несучою частотою. Процес зміни параметрів несучого сигналу відповідно до інформації, що передається, називаєтьсямодуляцією.
Якщо сигнал змінюється так, що можна розрізнити лише два його стани, то будь-яка його зміна буде відповідати найменшій одиниці інформації – біту. Якщо ж сигнал може мати більше двох помітних станів, то будь-яка його зміна буде нести кілька бітів інформації.
Передача дискретної інформації у телекомунікаційних мережах здійснюється тактовано, тобто зміна сигналу відбувається через фіксований інтервалчасу, званийтактом. Приймач інформації вважає, що на початку кожного такту на його вхід надходить нова інформація. При цьому незалежно від того, повторює сигнал стан попереднього такту або він має стан, відмінний від попереднього, приймач отримує нову інформацію від передавача. Наприклад, якщо такт дорівнює 0,3, а сигнал має два стани і 1 кодується потенціалом 5 вольт, то присутність на вході приймача сигналу величиною 5 вольт протягом 3 секунд означає отримання інформації, представленої двійковим числом 1111111111.
Кількість змін інформаційного параметра несучого періодичного сигналу в секунду вимірюється вбодах. 1 бод дорівнює одній зміні інформаційного параметра в секунду Наприклад, якщо такт передачі дорівнює 0,1 секунди, то сигнал змінюється зі швидкістю 10 бод. Таким чином, швидкість у бодах цілком визначається величиною такту.
Інформаційна швидкість вимірюється в бітах на секунду й у випадкуне збігаєтьсязі швидкістю в бодах. Вона може бути як вищою, так і нижчою за швидкість зміни інформаційного параметра, що вимірюється вбодах.Це співвідношення залежить від кількості станів сигналу. Наприклад, якщо сигнал має більше двох помітних станів, то при рівних тактах і відповідному методі кодування інформаційна швидкість в бітах на секунду може бутивище, ніж швидкість зміни інформаційного сигналу в бодах.
Нехай інформаційними параметрами є фаза та амплітуда синусоїди, причому розрізняються 4 стани фази 0,90,180 і 270° і два значення амплітуди сигналу - тоді інформаційний сигнал може мати 8 помітних станів. Це означає, що стан цього сигналу несе інформацію в 3 біт. У цьому випадку модем, що працює зі швидкістю 2400бод (змінює інформаційний сигнал 2400 разів на секунду), передає інформацію зі швидкістю 7200 біт/с, тому що при одній зміні сигналу передається 3 біта інформації.
Якщо сигнал має два стани (тобто несе інформацію на 1 біт), то інформаційна швидкість зазвичай збігається з кількістю бодів. Однак може спостерігатися і зворотна картина, коли інформаційна швидкість виявляєтьсянижчоюшвидкості зміни інформаційного сигналу в бодах. Це відбувається в тих випадках, коли для надійного розпізнавання приймачем інформації користувача кожен біт в послідовності кодується декількома змінами інформаційного параметра несучого сигналу. Наприклад, при кодуванні одиничного значення біта імпульсом позитивної полярності, а нульового значення біта імпульсом негативної полярності фізичний сигнал двічі змінює свій стан під час передачі кожного біта. При такому кодуванні швидкість лінії в бітах на секунду вдвічі нижча, ніж у бодах.
Чим вище частота несучого періодичного сигналу, тим вищою може бути частота модуляції і тим вищою може бути пропускна здатність лінії зв'язку.
Однак зі збільшенням частоти періодичного сигналу, що несе, збільшується і ширина спектра цього сигналу.
Лінія передає цей спектр синусоїд із тими спотвореннями, які визначаються її смугою пропускання. Чим більша невідповідність між смугою пропускання лінії і шириною спектра інформаційних сигналів, тим більше сигнали спотворюються і тим вірогідніше помилки в розпізнаванні інформації приймаючою стороною, а значить, можлива швидкість передачі інформації виявляється меншою.