Лекция 5 2.10.2008 07:41:00 PM

Физический уровень.

Рассмотрим более детально физический уровень. Как мы помним, он отвечает за кодирование передаваемой информации, определяет требования к среде передачи данных, соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех.

1. Распространение сигналов в линиях связи

Линией связи будем называть канал связи, реализованный в определенной среде передачи (по радиоэфиру, с помощью луча лазера в свободном пространстве, в металлическом кабеле или в оптоволокне).

Цифровой линией будем называть линию, в которой числовые данные передаются в двоичной форме в виде упорядоченной последовательности нулей и единиц.

Кодировка цифровых данных может осуществляться за счет изменения во времени по определенному закону таких физических величин, как, например, напряжение или сила тока, частота или фаза передающего сигнала.

Процедура наложения данных на несущий высокочастотный сигнал называется модуляцией. Рассмотрим основные типы модуляции:

Как уже было сказано, модуляция используется в том случае, когда частота электромагнитного сигнала, являющегося носителем информации, существенно превышает характерную частоту информационного. Это имеет место при использовании радиоканалов или оптических устройств. В кабельных сетях передача идет без модуляции в полосе частот передаваемого сигнала.

Итак мы имеем на входе сигнал примерно такого вида:

0	1	0	1	0	0	1	0	1	0	1	1	1	1	0	1

или в случае непрерывной последовательности 0 и 1

0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1

Мы видим, что это периодический сигнал, значение которого изменяется не чаще, чем период времени, отведенный в нашей линии связи на передачу одного значения двоичной числовой последовательности. Математически передаваемый сигнал выражается в виде однозначной функции g(t).

Согласно теории Фурье-анализа любая периодическая функция g(t) с периодом T может быть разложена в ряд по функциям синуса и косинуса – ряд Фурье:

где - основная (фундаментальная) частота (гармоника), аи- амплитудыn-ой гармоники, где

, ,.

Среднеквадратичные амплитуды, , пропорциональные энергии, передаваемой на частоте гармоники, могут использоваться для представления энергетических компонент сигнала в виде линейчатого спектра.

Совокупность гармоник сигнала называют его спектром.

(a) Бинарный сигнал и его среднеквадратичные амплитуды Фурье.

(b) – (е) Последовательные приближения оригинального сигнала.

Следовательно, передачу по линии связи последовательности двоичных значений можно рассматривать как распространение в ней совокупности гармонических электромагнитных колебаний различной амплитуды с частотами f, 2f, 3f, 4f и т.д. Частота минимальной гармоники ровно в два раза меньше частоты следования информационных сигналов в цифровой линии. Для того, чтобы приемник получил не искаженный сигнал, все его гармоники должны распространяться в линии связи с одинаковой скоростью и одинаковым затуханием. Увы, так не бывает.

Физические параметры среды и частота сигнала определяют фактическую скорость передачи сигнала и потерю им мощности. То есть в реальной линии связи для различных частот они различны. Это приводит к искажению передаваемого сигнала.

Свойства линии с точки зрения передачи электромагнитных сигналов характеризуются рядом параметров. Рассмотрим их.

1. Диапазон частот, в котором гармоники передаются с потерей мощности до 50%, называется полосой пропускания среды. Ограничение (сужение) полосы пропускания усиливает искажение сигнала и ограничивает пропускную способность линии для передачи цифровых данных.

2. По мере распространения сигнала по линии его амплитуда падает. Этот эффект называют ослаблением сигнала. Соответствующую характеристику линии называют затуханием. Затухание - это относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче сигнала определенной частоты. Затухание обычно измеряется в децибелах (дБ, dB) и вычисляется по формуле , гдеP₁ -мощность переданного сигнала, а P₂ - мощность полученного сигнала. Аналогично измеряется и усиление сигнала.

Эта характеристика накладывает ограничения на дальность передачи сигнала в среде (например, длину используемого кабеля).

3. Амплитудно-частотная характеристика линии показывает степень затухания сигнала (уменьшения его мощности) определенной частоты.

4. Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для передаваемого бита данных. Этот показатель имеет название интенсивность битовых ошибок BER (bit error rate). Показатель BER=10^-4 означает, что в среднем из 10000 бит искажается один.