Каналы связи

В FDM волновая форма каждого индивидуального  телефонного сигнала фильтруется  для ограничения ширины полосы диапазоном звуковых частот между 300 и 3400 Гц, затем  преобразуется. Далее сигналы двенадцати каналов мультиплексируются в составной  сигнал основной полосы. Каждая группа составлена из телефонных сигналов, размещенных  в интервалах с шириной полосы равной 4 кГц. Затем несколько групп  повторно мультиплексируются и формируют  большую группу, которая может  содержать от 12 до 3600 отдельных речевых  каналов.

Мультиплексирование с временным разделением (TDM) - другой метод для передачи речи и/или  данных по одному каналу. Если в FDM для  передачи речевого сигнала (или данных) назначаются отдельные сегменты частоты внутри всей полосы, в методе TDM передача ведется по всей выделенной полосе частот. В исходящем канале повторяемые базовые временные  периоды, называемые иногда фреймами (frame), разделены на фиксированное число тактов, которые выделяются последовательно для передачи сигналов входящих речевых каналов и каналов данных. Для предохранения от возможных потерь информации используются накопители (буферы).

Сотовая радиосвязь предназначена для обслуживания мобильных абонентов. Территория, обслуживаемая такой связью, делится на ячейки диаметром до 20 км. Каждую ячейку обслуживает специальная станция, соединенная с общим центром управления. При пересечении границы ячеек абонент автоматически переключается на новую станцию. Задача центра управления - координировать работу станций и управлять переключениями.

 

 

Классификация и способы  распространения радиоволн

 

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов.

 Рис. 8

Основные из них:

· отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;

· преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);

· рассеяние на диэлектрических  неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);

· дифракция на сферической выпуклости Земли;

Также напряженность поля в точке  приема зависит от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

Спутниковые радиолинии

Рис. 9

Для организации спутниковой радиолинии необходимы две земные станции и  спутник, обращающийся на орбите вокруг Земли. Комплекс Земных станций, один или  несколько спутников, обращающихся на околоземной орбите, и систему  управления ими называют системой спутниковой  связи (ССС). Принципиально возможны два пути организации связи с  использованием искусственных спутников  Земли (ИСЗ): пассивного типа, имеющих большую отражающую поверхность для падающих радиоволн, активного типа, имеющих на борту приемопередатчики соответствующего диапазона волн, приемопередающие антенные устройства и устройства электропитания.

С системами первого типа эксперименты проводятся уже несколько десятков лет, но, несмотря на использование  пассивных спутников различного типа, пока не удалось получить на Земле  устойчивого отраженного сигнала, достаточного для создания надежной радиолинии. Системы второго типа обеспечивают устойчивый радиосигнал  и ныне активно применяются для  создания радиолиний дальней связи  самого различного назначения, в том  числе и для использования  в компьютерных сетях. В сравнении  с наземными линиями связи, организуемыми  по кабельным линиям, спутниковая  связь обладает такими преимуществами, как короткое время развертывания, возможность ее использования в труднодоступных районах, мобильность. При достаточном энергетическом потенциале радиолинии может быть организован канал с широкой полосой пропускания, а значит и с высокой скоростью передачи. К недостаткам спутниковых радиолиний следует отнести подверженность внешним помехам, возможность постановки прицельных преднамеренных помех, что важно для военных и других радиолиний, требующих высокой надежности, возможность перехвата информации, передаваемой по радиолинии, высокую стоимость эксплуатации. В ряде применений ограничительной является большая задержка сигнала, обусловленная большой длиной радиолинии земля - спутник - земля и обратно. Для ИСЗ с высокими орбитами она может достигать 0.3 с. при распространении сигнала в одном направлении, а с учетом обратного канала - до 0.6 с.

 

Характеристика каналов связи

 

Каналы связи характеризуются:

1. Емкость канала определяется как произведение времени использования канала T_к, ширины спектра частот, пропускаемых каналом F_к и динамического диапазона D_к., который характеризует способность канала передавать различные уровни сигналов

 

V_к = T_к F_к D_к.                                                                                                                                                            (1)

 

Условие согласования сигнала с  каналом:

V_c £ V_k; T_c £ T_k; F_c £ F_k; V_c £ V_k; D_c £ D_k.

 

2. Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени.
3. Пропускная способность канала связи – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины.
4. Избыточность – обеспечивает достоверность передаваемой информации (R = 0¸1).

Одной из задач теории информации является определение  зависимости скорости передачи информации и пропускной способности канала связи от параметров канала и характеристик сигналов и помех.

Канал связи образно можно сравнивать с дорогами. Узкие дороги – малая  пропускная способность, но дешево. Широкие  дороги – хорошая пропускная способность, но дорого. Пропускная способность  определяется самым «узким» местом.

Скорость  передачи данных в значительной мере зависит от передающей среды в  каналах связи, в качестве которых  используются различные типы линий  связи.

 

Пропускная  способность дискретного канала связи

 

Дискретный  канал представляет собой совокупность средств, предназначенных для передачи дискретных сигналов.

Пропускная способность  канала связи – наибольшая теоретически достижимая скорость передачи информации при условии, что погрешность не превосходит заданной величины. Скорость передачи информации – среднее количество информации, передаваемое в единицу времени. Определим выражения для расчета скорости передачи информации и пропускной способности дискретного канала связи.

При передаче каждого символа в среднем  по каналу связи проходит количество информации, определяемое по формуле

 

I (Y, X) = I (X, Y) = H(X) – H (X/Y) = H(Y) – H (Y/X),                              (2)

 

где: I (Y, X) – взаимная информация, т.е. количество информации, содержащееся в Y относительно X; H(X) – энтропия источника сообщений; H (X/Y) – условная энтропия, определяющая потерю информации на один символ, связанную с наличием помех и искажений.

При передаче сообщения X_T длительности T, состоящего из n элементарных символов, среднее количество передаваемой информации с учетом симметрии взаимного количества информации равно:

 

I(Y_T, X_T) = H(X_T) – H(X_T/Y_T) = H(Y_T) – H(Y_T/X_T) = n [H(X) – H (X/Y),      (3)

 

где T = n ; – среднее время передачи одного символа; n-число символов в сообщении длительностью Т.

Для символов равной длительности = t, в случае неравновероятных символов неравной длительности

.

 

При этом скорость передачи информации

 

 [бит/с].                                        (4)

 

Скорость  передачи информации зависит от статистических свойств источника, метода кодирования и свойств канала.

Пропускная  способность дискретного канала связи

 

.                                                                      (5)

 

Максимально-возможное  значение, т.е. максимум функционала ищется на всем множестве функций распределения вероятности p(x).

Пропускная  способность зависит от технических  характеристик канала (быстродействия аппаратуры, вида модуляции, уровня помех и искажений и т.д.). Единицами измерения пропускной способности канала являются: [bit/s], [Kbit/s], [Mbit/s], [Gbit/s].

 

Дискретный  канал связи без помех

 

Если  помехи в канале связи отсутствуют, то входные и выходные сигналы канала связаны однозначной, функциональной зависимостью.

При этом условная энтропия равна нулю, а  безусловные энтропии источника и приемника равны, т.е. среднее количество информации в принятом символе относительно переданного равно

 

I (X, Y) = H(X) = H(Y); H (X/Y) = 0.

 

Если Х_Т – количество символов за время T, то скорость передачи информации для дискретного канала связи без помех равна

 

                                                  (6)

 

где V = 1/ – средняя скорость передачи одного символа.

Пропускная  способность для дискретного  канала связи без помех

 

                                                        (7)

 

Т.к. максимальная энтропия соответствует  для равновероятных символов, то пропускная способность для равномерного распределения  и статистической независимости  передаваемых символов равна:

 

.                                                                             (8)

 

Первая  теорема Шеннона для канала: Если поток информации, вырабатываемый источником, достаточно близок к пропускной способности канала связи, т.е.

 

, где  - сколь угодно малая величина,

 

то всегда можно найти  такой способ кодирования, который  обеспечит передачу всех сообщений источника, причем скорость передачи информации будет весьма близкой к пропускной способности канала.

Теорема не отвечает на вопрос, каким образом  осуществлять кодирование.

Пример 1. Источник вырабатывает 3 сообщения с вероятностями:

p₁ = 0,1; p₂ = 0,2 и p₃ = 0,7.

Сообщения независимы и передаются равномерным  двоичным кодом (m = 2) с длительностью символов, равной 1 мс. Определить скорость передачи информации по каналу связи без помех.

Решение: Энтропия источника равна

 

[бит/с].

 

Для передачи 3 сообщений равномерным  кодом необходимо два разряда, при этом длительность кодовой комбинации равна 2t.

Средняя скорость передачи сигнала

 

V =1/2t = 500 [1/c].

 

Скорость  передачи информации

 

C = vH = 500×1,16 = 580 [бит/с].

 

Дискретный  канал связи с помехами

 

Мы будем  рассматривать дискретные каналы связи без памяти.

Каналом без памяти называется канал, в котором на каждый передаваемый символ сигнала, помехи воздействуют, не зависимо от того, какие сигналы передавались ранее. То есть помехи не создают дополнительные коррелятивные связи между символами. Название «без памяти» означает, что при очередной передаче канал как бы не помнит результатов предыдущих передач.

При наличии  помехи среднее количество информации в принятом символе сообщении – Y, относительно переданного – X равно:

 

.

 

Для символа  сообщения X_T длительности T, состоящего из n элементарных символов среднее количество информации в принятом символе сообщении – Y_T относительно переданного – X_T равно:

 

I(Y_T, X_T) = H(X_T) – H(X_T/Y_T) = H(Y_T) – H(Y_T/X_T) = n [H(Y) – H (Y/X).      (9)

 

Для определения  потерь в дискретном канале связи  используется канальная матрица (матрица  переходных вероятностей), позволяющая  определить условную энтропию характеризующую потерю информации на символ сообщения. Скорость передачи информации по дискретному каналу с помехами равна:

 

                        (10)

 

Пропускная  способность дискретного канала при наличии помех равна максимально  допустимой скорости передачи информации, причем максимум разыскивается по всем распределениям вероятностей p(x) на X и, поскольку, энтропия максимальна для равномерного распределения (для равновероятных символов сообщения), то выражение для пропускной способности имеет вид:

 

.             (11)

 

Как видно из формулы, наличие помех  уменьшает пропускную способность  канала связи.

 

Скрытый канал связи

 

Скрытый канал — это коммуникационный канал, пересылающий информацию методом, который изначально был для этого не предназначен.

Впервые понятие скрытого канала было введено в работе Батлера Лэмпсона «A Note of the Confinement Problem» 10 октября 1973 года, как «(каналы), не предназначенные для передачи информации совершенно, такие как воздействие служебной программы на загрузку системы»^[1]. Чаще всего скрытый канал является паразитом по отношению к основному каналу: скрытый канал уменьшает пропускную способность основного канала. Сторонние наблюдатели обычно не могут обнаружить, что помимо основного канал передачи данных есть ещё дополнительный. Только отправитель и получатель знают это. Например, в стеганографии скрытые сообщения кодировались внутри графических изображений или других данных таким образом, что на глаз изменений было не заметить, однако получатель сообщения мог раскодировать зашифрованное сообщение.