Единицы измерений линий связи

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 P_in. В волоконной оптике обычно используется величина в 1 милливатт (мВт).

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

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.

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.

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.

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

эквивалентная мощность шума:

N = kTsΔF = 1.38*10 -23 *300*10 6 = 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:

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.

Источник

Измерения в цифровых системах связи. Анализ ошибок в цифровых системах передачи

Обязательными элементами современных сетей связи являются системы сетевого управления, с помощью которых решаются такие задачи, как реконфигурация сети, непрерывный мониторинг параметров системы связи (например, SIP GSM шлюзов), фиксация аварийных состояний, защитные переключения, хранение и обработка результатов мониторинга и т. д. Все указанные операции выполняются, как правило, автоматически, с помощью встроенных аппаратных и программных средств.

В то же время зачастую при обслуживании сетей связи не удается обойтись без ручных операций с применением портативных измерительных приборов. Классический пример – устранение сложных повреждений металлических кабелей связи, случившихся по причине намокания.

АНАЛИЗ ОШИБОК В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

Основное преимущество цифровой передачи по сравнению с аналоговой заключается в отсутствии накопления помех вдоль линии. Это достигается за счет восстановления формы передаваемого сигнала на каждом регенерационном участке.

Все факторы, от которых зависит длина участка, можно разделить на внутренние и внешние.

Наиболее важными внутренними считают затухание линии, межсимвольные помехи, нестабильность тактовой частоты системы, вариацию задержки, возрастание уровня шумов вследствие старения системы.

К существенным внешним факторам обычно относят переходные и импульсные помехи, внешние электромагнитные влияния, механические повреждения контактов при вибрации или ударах, ухудшение свойств передающей среды вследствие перепадов температуры.

Все они обычно предопределяют ухудшение самого чувствительного к ошибкам параметра цифровой передачи — соотношения сигнал/шум. Действительно, снижение величины данного соотношения всего на 1 дБ приводит к увеличению обобщенного параметра качества цифровых систем передачи, которым является коэффициент битовых ошибок (Bit Error Rate, BER), по крайней мере на порядок.

Согласно определению, BER представляет собой отношение числа ошибочно принятых битов к общему числу принятых битов. Его величина статистически колеблется около значения среднего коэффициента ошибок за длительный промежуток времени. Разница между непосредственно измеренным коэффициентом ошибок и долговременным средним значением зависит от числа контролируемых бит и тем самым от длительности измерения.

База времени формируется при помощи двух основных методов.

В соответствии с первым из них, на принимающем конце задается фиксированное число наблюдаемых бит и регистрируется соответствующее число бит с ошибками.

Например, если число ошибочно принятых бит оказалось равным 20, а заданное общее число принимаемых бит – 10 6 , то коэффициент ошибок составит 20/10 6 = 20 x 10 -6 = 2 x 10 -5 .

Достоинством такого подхода является точно известное время измерения, а недостатком – невысокая надежность измерения при малом числе ошибок.

Согласно второму методу, время измерений определяется заданным числом ошибок. Измерение длится до тех пор, пока, например, не будет зафиксировано 100 ошибок. Затем на основании соответствующего числа битов данных вычисляется коэффициент ошибок.

Его недостаток заключается в том, что неизвестно время измерений, которое при малых коэффициентах ошибок может оказаться очень большим. Кроме того, вполне возможно, что счетчик бит данных заполнится полностью, и измерения прекратятся. Поэтому такой способ используется редко.

На начальном этапе развития цифровых систем передачи они применялись главным образом для передачи аналогового телефонного сигнала, и потому требования к качеству цифровых систем передачи определялись характеристиками этого сигнала.

Ошибка в цифровом сигнале приводит к быстрому изменению величины сигнала АИМ на входе канального демодулятора, и абонент слышит неприятный щелчок на выходе канала ИКМ. Экспериментально установлено, что заметные щелчки возникают только при ошибках в одном из первых двух наибольших по весу символов кодовой группы, что соответствует максимальному (положительному или отрицательному) изменению сигнала АИМ. Качество связи считается удовлетворительным, если в каждом канале наблюдается не более одного щелчка в минуту. При частоте дискретизации, равной 8 кГц, по каналу передается 8000 x 60 = 480 тыс. кодовых групп в минуту, причем опасными в отношении щелчков являются 960 тыс. старших разрядов. Если считать, что вероятность ошибки для любого разряда кодовой группы одинакова, то при допущении одного щелчка в минуту вероятность ошибки в линейном тракте не должна быть более 1/960 000 = 10 -6 .

С учетом передачи данных, которая более чувствительна к ошибкам передачи, для эталонного международного соединения протяженностью 27 500 км величина BER не должна превышать 10 -7 .

Ошибки можно обнаружить двумя основными методами.

Во-первых, во время приемки и настройки линий связи, поиске неисправностей и ремонте выполняются измерения с перерывом связи, которые реализуются по трем схемам подключения: точка-точка, шлейф и транзит.

Во-вторых, для мониторинга сети и качественной оценки ее состояния, обнаружения и устранения повреждений используются измерения без перерыва связи.

Измерение BER без перерыва связи требует точного знания структуры цифрового сигнала. Таким сигналом в составе цикла, например первичного цифрового сигнала Е-1, является цикловой синхросигнал, занимающий 7 бит нулевого канального интервала (КИ) сигнала E-1.

Цикловой сигнал передается в каждом втором цикле сигнала E-1, причем каждый цикл E-1 содержит 32 КИ и, следовательно, 32 х 8 = 256 бит. Таким образом, относительная доля циклового синхросигнала в сигнале E-1 составляет 7/(256 x 2) -3 . Кроме того, нарушение правил кодирования часто распространяется и на нескольких бит, находящихся после бита с ошибкой. Вследствие этого зависящее от содержания сигнала смещение и погрешность при больших коэффициентах ошибок делают невозможным точный анализ распределения ошибок.

Итак, практическая оценка BER возможна только в режиме измерений с перерывом связи и посылкой эталонных испытательных сигналов. При измерении BER испытательный сигнал должен как можно лучше имитировать реальный, т. е. иметь случайный характер. В качестве такого испытательного сигнала обычно используют псевдослучайную последовательность битов (ПСП) с заданной структурой, близкой к настоящему информационному сигналу. Такие последовательности формируются тактируемыми регистрами сдвига с обратной связью.

Цифровой испытательный сигнал заменяет обычно передаваемый информационный сигнал и оценивается на приемном конце измерителем ошибок.

Таким образом, необходимый в условиях нормальной эксплуатации непрерывный мониторинг ошибок цифровой передачи методом BER без перерыва связи практически невозможен.

В настоящее время для оценки качества цифровых систем передачи в эксплуатационных условиях применяется метод измерения блочных ошибок. Как нетрудно догадаться, главное его достоинство состоит в том, что он основан на использовании самого информационного сигнала и выполняется без прерывания связи.

Все методы измерения блочных ошибок предполагают введение избыточности в информационный сигнал, обработку этого вспомогательного сигнала по определенному алгоритму и передачу результата обработки на принимающую сторону, где принятый сигнал обрабатывается по тому же алгоритму, что и при передаче, а итог сравнивается с результатом обработки, полученным от передающей стороны. При их разнице переданный блок считается ошибочным.

Известно несколько способов обнаружения блочных ошибок. Способы поблочного контроля четности и контрольной суммы не позволяют распознать все типы ошибок, тем самым ограничивая их практическую применимость. Пожалуй, единственным универсальным способом измерения ошибок без перерыва связи является контроль при помощи циклического избыточного кода (Cyclical Redundancy Check, CRC).

Таблица 1. Измерения в цифровых системах связи и соответствующие им процедуры могут применяться для решения целого ряда задач.

Источник

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.

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:

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:

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 P_in. В волоконной оптике обычно используется величина в 1 милливатт (мВт).

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

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.

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.

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.

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

эквивалентная мощность шума:

N = kTsΔF = 1.38*10 -23 *300*10 6 = 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:

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.

Источник

Единицы измерения параметров сигналов электросвязи

УЛЬЯНОВ А.В.

Кафедра ССПД

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ

СЕТЕЙ И СИСТЕМ

Методические указания к контрольным работам

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2014

Рекомендации по оформлению работы и

выбору варианта задания.

Перед выполнением работы внимательно прочтите этот раздел.

Для того, чтобы получить множество различных вариантов задания, расчет исходных данных осуществляется на основе четырех последних цифр номера зачетной книжки и следующих математических операций.

Операция mod(x,y) – остаток от деления числа x на число y. Если y оказался равным 0, то принять mod(x,0)=0. Если одно из чисел отрицательное, а другое ­– положительное, то остаток от деления тоже является отрицательным.

Операция max/min(x,y) – максимальное/минимальное из x и y.

Где abcd – 4 последние цифры номера зачетной книжки.

Округление полученных результатов следует осуществлять до десятых долей.

Для расчета исходных данных удобно пользоваться системой компьютерной алгебры MathCad. Тем не менее, в работе должны быть приведены примеры подробных расчетов всех величин.

Контрольная работа должна быть выполнена либо на компьютере в редакторе MS Word, либо от руки в тетради в клетку объемом 12(18) листов. При выполнении работы на компьютере, рисунки можно выполнять в векторном редакторе MS Visio. На всех рисунках должны быть подписаны все необходимые параметры: граничные частоты, частоты несущих, временные интервалы и т.д. Допускается подписывать эти параметры от руки черной ручкой на распечатанном рисунке.

При выполнении работы от руки следует соблюдать аккуратность. Желательно пользоваться ручкой черного цвета. Не рекомендуется пользоваться корректором (замазкой), в случае необходимости исправлений, следует зачеркнуть одной линией ошибку и произвести корректировку в следующей строке. Рисунки должны быть выполнены ручкой с указанием всех основных параметров и соблюдением пропорций при изображении, например, спектров сигналов. Рисунки можно выполнять как в тетради по клеткам, так и на вклеенной миллиметровке. Все записи, подписи и пояснения должны быть разборчивыми и достаточно крупными.

В работе не следует переписывать текст из методички. Для всех вычислений и рисунков требуется привести краткие, но понятные пояснения.

Единицы измерения параметров сигналов электросвязи

В методических указаниях предложены краткие сведения о логарифмических параметрах сигналов электросвязи, необходимые для решения задачи 1. Для более глубокого освоения данной темы необходимо изучить соответствующие разделы в [1] и [3].

В технике электросвязи принято оценивать числовые характеристики (мощности, напряжения и тока) не абсолютными значениями в ваттах, вольтах и амперах, а в относительных логарифмических единицах (уровни мощности, напряжения и тока). Удобства такой оценки в следующем:

потери энергии в линии описываются экспоненциальными зависимостями;

чувствительность органов слуха к силе звукового давления подчиняется логарифмическому закону;

при использовании логарифмических единиц упрощаются арифметические расчеты: действия умножения и деления заменяются сложением и вычитанием и т. д.;

порядок логарифмических величин, с которыми приходится оперировать, оказывается более низким, чем при использовании абсолютных величин.

Абсолютным уровнем сигнала называется логарифмическая мера его реальной физической характеристики: мощности, тока или напряжения. Таким образом, для некоторой точки различают абсолютные уровни по мощности:

где – абсолютные значения полной мощности, напряжения и тока сигнала в данной точке. На практике понятие абсолютного уровня по току используется редко.

Изменение мощности или напряжения сигнала в тракте передачи оценивается относительными уровнями мощности и напряжения:

где – абсолютные значения мощности и напряжения сигнала в данной точке, а – абсолютные значения мощности и напряжения сигнала в точке цепи, принятой за начало.

Относительный уровень мощности можно представить в следующем виде:

Следовательно, относительный уровень по мощности равен разности абсолютных уровней мощности в данной точке и в точке принятой за начало. Очевидно, что относительный уровень в точке, принятой за начало, равен нулю, а по этому данную точку называют точкой нулевого относительного уровня (ТНОУ), а абсолютный уровень сигнала в этой точке обозначают .

Потери энергии сигнала или ее увеличение оцениваются затуханием или усилением. Затуханием α (усилением S) сигнала на участке тракта передачи между двумя его точками называется разность между абсолютными уровнями мощности в конечной точке y и начальной точке x

Можно показать, что в случае, когда в качестве начальной точки x выбрана ТНОУ, то затухание (усиление) сигнала на этом участке тракта передачи будет численно равно модулю относительного уровня сигнала в конечной точке y

В качестве практического задания по теме «Единицы измерения параметров сигналов электросвязи» была взята упрощенная задача инженера по телекоммуникациям, связанная с расчетом оптического бюджета оптической сети широкополосного абонентского доступа.

Принцип построения пассивных оптических сетей (ПОС, PON) [4] заключается в том, что от линейного мультиплексора (OLT), установленного на АТС выходит оптическое волокно, по которому передается групповой сигнал для нескольких абонентов, подключенных к этому волокну с помощью оконечных терминалов ONU. Такие сети называются пассивными, поскольку между ONU и OLT нет активных элементов, а для подведения волокна к каждому абоненту используются оптические разветвители, которые делят приходящую на их вход мощность оптического излучения поровну между выходами. Например, если на вход идеального (без дополнительных потерь) оптического разветвителя 1х4 пришел 1мВт оптической мощности, то на каждом из четырех его выходов мощность излучения будет составлять 0.25мВт. Таким образом, пассивные оптические сети имеют древовидную структуру.

Рисунок 1. Упрощенная схема пассивной оптической сети.

Выбирая абонентские терминалы для конкретного OLT, инженер связи сталкивается с задачей предотвращения перегрузки приемников близко расположенных ONU, в то время как наиболее удаленные ONU должны детектировать принимаемый сигнал.

Таким образом, для расчета оптического бюджета спроектированной сети, необходимо определить направления наибольшего и наименьшего затухания, определяемые количеством установленных оптических разветвителей и километрическим затуханием оптического волокна. Для этого рекомендуется выбрать в качестве ТНОУ точку подключения OLT и рассчитать относительные уровни сигналов в точках, где установлены ONU.

При решении задачи удобно пользоваться следующими соотношениями. Предположим, что мощность сигнала, проходящего через некоторый элемент сети, уменьшилась в 2 раза ( ). Тогда

Таким образом, изменение мощности сигнала в 2 раза приводит к изменению его абсолютного уровня на 3 децибела.

Источник