Физические аспекты передачи сигналов

Характеристики линий связи

Линия связи состоит в общем случае из физической среды, по которой передаются информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. Синонимом термина линия связи (line) является термин канал связи (channel).

В локальных сетях промежуточная аппаратура не используется. На линиях связи большой протяженности (глобальные сети) промежуточная аппаратура решает две основные задачи:

1) усиление (повышение мощности) и регенерации (восстановление формы и длительности) сигналов;

2) создание между двумя точками сети непрерывного составного канала из отрезков физической среды с усилителями и регенераторами.

Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель (медный или оптоволоконный), земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются информационные сигналы. В современных компьютерных (и телекоммуникационных) сетях информация передается с помощью электрического тока или напряжения, радиосигналов, световых сигналов, т.е. электромагнитных колебаний разной природы и частоты.

Из теории гармонического анализа известно, что любой периодический сигнал можно представить в виде суммы бесконечного числа синусоидальных колебаний разной амплитуды и частоты. Каждая составляющая синусоида называется также гармоникой, а набор всех гармоник называют спектральным разложением исходного сигнала или спектром сигнала (рис.2.1.).

Рис. 2.1. Спектр сигнала

Некоторые гармоники в спектрах конкретных периодических сигналов могут отсутствовать, т.е. их амплитуды будут равны нулю. Но главное, что частоты гармоник находятся в простых кратных соотношениях (в отличии от непериодических сигналов). Например, несколько первых гармоник периодического сигнала, состоящего из последовательности импульсов длительностью в Т/2, показаны на рис.2.2. Чем круче фронты прямоугольных импульсов, тем больше высокочастотных гармоник необходимо учитывать для воспроизведения их формы.

Рис. 2.2. Гармоники спектра сигналов

Сигнал, передаваемый по линии связи, постепенно затухает и претерпевает искажения. Вследствие этого на приемном конце линии он может плохо распознаваться.

Причиной этих явлений является не идеальность физических параметров среды передачи данных (комплексное сопротивление линии), а также внешние помехи.

Для разных гармоник передаваемого сигнала, линия будет обладать разным полным сопротивлением, т.е. синусоидальные составляющие разной частоты будут затухать неодинаково (неравномерность АЧХ) и иметь разные фазовые сдвиги относительно друг друга (нелинейность ФЧХ). Все это ведет к искажению формы сигналов.

Кроме искажений сигналов, вносимых внутренним сопротивлением линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Эти помехи создают различные электрические двигатели, электронные устройства, атмосферные явления и т.д.

Несмотря на защитные меры, предпринимаемые разработчиками кабелей, и наличие усилительно-коммутирующей аппаратуры, полностью компенсировать влияние внешних помех не удается. Кроме внешних помех в кабеле существуют и внутренние помехи - так называемые наводки одной пары проводников на другую.

Качество исходных сигналов (крутизна фронтов, общая форма импульсов) зависит от качества передатчика, генерирующего сигналы в линию связи.