عندما تنتقل الإشارة عبر قناة اتصال، تنخفض سعتها لأن البيئة المادية تقاوم تدفق الطاقة الكهربائية أو الكهرومغناطيسية. يُعرف هذا التأثير بتوهين الإشارة. عند نقل الإشارات الكهربائية، تكون بعض المواد، مثل النحاس، موصلات أكثر كفاءة من غيرها. ومع ذلك، فإن جميع الموصلات تحتوي على شوائب تقاوم حركة مكوناتها التيار الكهربائيالإلكترونات. تتسبب مقاومة الموصلات في تحويل بعض الطاقة الكهربائية للإشارة إلى طاقة حرارية أثناء انتقال الإشارة عبر الكابل، مما يتسبب في انخفاض مستوى الإشارة الكهربائية باستمرار. يتم التعبير عن توهين الإشارة على أنه فقدان طاقة الإشارة لكل وحدة طول من الكابل، عادةً بالديسيبل لكل كيلومتر (ديسيبل / كم).

أرز. 2.5. توهين الإشارة

للتوهين، يتم تعيين الحد الأقصى لطول قناة الاتصال. ويتم ذلك للتأكد من أن الإشارة التي تصل إلى جهاز الاستقبال لديها سعة كافية للتعرف الموثوق والتفسير الصحيح. إذا تجاوزت القناة هذا الحد الأقصى للطول، فيجب استخدام مكبرات الصوت أو أجهزة إعادة الإرسال على طولها لاستعادة مستوى إشارة مقبول.

أرز. 2.6. مكررات الإشارة

يزداد توهين الإشارة مع زيادة التردد. يؤدي هذا إلى تشويه الإشارة الفعلية التي تحتوي على نطاق من الترددات. على سبيل المثال، تحتوي الإشارة الرقمية على حافة نبضية حادة جدًا وسريعة الارتفاع، مما يؤدي إلى إنشاء مكون عالي التردد. كلما كان الارتفاع أكثر حدة (أسرع)، كلما زاد مكون التردد. يظهر هذا في الشكل. 2.5، حيث تزداد فترة مقدمة الإشارات المخففة تدريجيًا مع مرور الإشارة عبر الكابل بسبب التوهين الأكبر للمكونات عالية التردد. يمكن التغلب على هذه المشكلة باستخدام مكبرات صوت خاصة (معادلات) تعمل على تعزيز الترددات العالية المعرضة للتوهين بشكل أكبر.

ويضعف الضوء أيضًا عند مروره عبر الزجاج للأسباب نفسها تقريبًا. يتم امتصاص الطاقة الكهرومغناطيسية (الضوء) بسبب المقاومة الطبيعية للزجاج.

2.3.3. عرض النطاق الترددي للقناة

يتم تحديد كمية المعلومات التي يمكن للقناة إرسالها خلال فترة زمنية معينة من خلال قدرتها على التعامل مع معدل تغير الإشارة > أي ترددها. إشارة تناظريةيغير التردد من الحد الأدنى إلى الحد الأقصى، والفرق بينهما هو عرض طيف تردد الإشارة. عرض النطاق الترددي للقناة التناظرية هو الفرق بين الحد الأقصى والحد الأدنى من الترددات التي يمكن نقلها بشكل موثوق عبر القناة. عادةً ما تكون هذه هي الترددات التي تفقد فيها الإشارة نصف قوتها مقارنة بمستويات التردد المتوسطة أو ترددات c* عند دخل القناة؛ تم تعيين هذه الترددات على أنها 3 نقاط ديسيبل. وفي الحالة الأخيرة، يُعرف عرض النطاق الترددي بعرض النطاق 3 ديسيبل.

تتكون الإشارات الرقمية من عدد كبير من مكونات التردد، ولكن يمكن استقبال الترددات الموجودة ضمن النطاق الترددي للقناة فقط. كلما زاد عرض النطاق الترددي للقناة، زاد معدل البيانات ويمكن إرسال مكونات التردد الأعلى للإشارة، وبالتالي يمكن الحصول على تمثيل أكثر دقة للإشارة المرسلة وفك تشفيرها

أرز. 2.7. عرض النطاق الترددي

أرز. 2.8. تأثير عرض النطاق الترددي على الإشارات الرقمية

يمكن تحديد الحد الأقصى لمعدل البيانات (C) للقناة من سعة الإرسال الخاصة بها باستخدام الصيغة التالية المشتقة من عالم الرياضيات نيكويست.

C = 2 B سجل 2 M بت في الثانية،

حيث B هو عرض النطاق الترددي بالهرتز؛ يتم استخدام مستويات M لكل عنصر إشارة

في حالة خاصة لاستخدام مستويين فقط، "ON" و"OFF" (ثنائي):

م = 2 و ج = 2 ب.

على سبيل المثال، الحد الأقصى لمعدل بيانات Nyquist لارتباط PSTN مع عرض نطاق 3100 هرتز للإشارة الثنائية سيكون: 2 × 3100 = 6200 بت في الثانية. في الواقع، يتم تقليل معدل البيانات الذي يمكن تحقيقه بسبب الضوضاء في القناة.

2.3.4. ضوضاء

أثناء مرور الإشارات عبر قناة اتصال، تهتز الذرات والجزيئات الموجودة في وسط الإرسال وتنبعث منها موجات كهرومغناطيسية عشوائية على شكل ضوضاء. عادة ما تكون قوة الإشارة المرسلة كبيرة مقارنة بإشارة الضوضاء 1. ومع ذلك، مع تقدم الإشارة وتلاشيها، قد يصبح مستواها مساويًا لمستوى الضوضاء. عندما تكون الإشارة المطلوبة أكبر قليلاً من ضوضاء الخلفية، لا يستطيع جهاز الاستقبال فصل البيانات عن الضوضاء وتحدث أخطاء في الاتصال.

من المعلمات المهمة للقناة هي نسبة قدرة الإشارة المستقبلة (S) إلى القدرة إشارة الضوضاء(ن). تسمى نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S/N) نسبة الإشارة إلى الضوضاء ويتم التعبير عنها عادة بالديسيبل، واختصارها dB.

S/N = 10 سجل 10 (S/N) ديسيبل،

حيث S هي قوة الإشارة بالواط؛ N هي قوة الضوضاء بالواط.

تعني نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية أن قوة الإشارة المطلوبة مرتفعة بالنسبة لمستوى الضوضاء، مما يؤدي إلى جودة إشارة جيدة. يمكن حساب الحد الأقصى النظري لمعدل البيانات للقناة الحقيقية باستخدام قانون شانون-هارتلي(شانون - هارتلي).

C = B سجل 2(1 +S/N) بت في الثانية،

حيث C هو معدل نقل البيانات بالثانية؛ B هو عرض النطاق الترددي للقناة بالهرتز؛ S - قوة الإشارة بالواط؛ N هي قوة الضوضاء بالواط.

من هذه الصيغة، يمكنك أن ترى أن زيادة عرض النطاق الترددي أو زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء يسمح لك بزيادة معدل البيانات وأن الزيادة الصغيرة نسبيًا في عرض النطاق الترددي تعادل زيادة أكبر بكثير في نسبة الإشارة إلى الضوضاء .

تستخدم قنوات النقل الرقمية نطاقات ترددية عالية ومكررات أو أجهزة إعادة توليد رقمية لإعادة إنشاء الإشارات على فترات منتظمة، مع الحفاظ على نسب إشارة إلى ضوضاء مقبولة. يتم التعرف على الإشارات الموهنة التي يستقبلها المجدد، وإعادة ضبطها، وإعادة توجيهها كنسخ شبه دقيقة من الإشارات الرقمية الأصلية، كما هو مبين في الشكل 1. 2.9. لا يوجد ضوضاء متراكمة في الإشارة، حتى عند إرسالها عبر آلاف الكيلومترات، طالما تم الحفاظ على نسب الإشارة إلى الضوضاء المقبولة.

عرض النطاق الترددي (الشفافية)- نطاق التردد، الذي تكون فيه استجابة تردد الاتساع (AFC) لجهاز صوتي أو راديوي أو بصري أو ميكانيكي موحدة بما يكفي لضمان إرسال الإشارة دون تشويه كبير لشكلها. في بعض الأحيان، بدلاً من مصطلح "عرض النطاق الترددي"، يتم استخدام مصطلح "نطاق التردد المرسل بشكل فعال (ETF)". تتركز طاقة الإشارة الرئيسية (90٪ على الأقل) في EPFC. يتم ضبط نطاق التردد هذا بشكل تجريبي لكل إشارة وفقًا لمتطلبات الجودة.

معلمات عرض النطاق الترددي الأساسية

المعلمات الرئيسية التي تميز عرض النطاق الترددي هي عرض النطاق الترددي وعدم انتظام استجابة التردد داخل النطاق.

عرض النطاق الترددي

عرض نطاق التمرير هو نطاق تردد لا يتجاوز فيه تفاوت استجابة التردد القيمة المحددة.

يتم تعريف عرض النطاق الترددي عادةً على أنه الفرق بين ترددات الحدود العلوية والسفلية لقسم استجابة التردد و 2 − و 1 (\displaystyle f_(2)-f_(1))، حيث تتساوى سعة التذبذبات 1 2 (\displaystyle (\frac (1)(\sqrt (2))))(أو ما يعادلها 1 2 (\displaystyle (\frac (1)(2)))للطاقة) من الحد الأقصى. ويقابل هذا المستوى تقريبًا dB 3−.

يتم التعبير عن عرض النطاق الترددي بوحدات التردد (على سبيل المثال، هيرتز).

في أجهزة الاتصالات اللاسلكية ونقل المعلومات، تسمح زيادة عرض النطاق الترددي بنقل المزيد من المعلومات.

تفاوت استجابة التردد

يميز تفاوت استجابة التردد درجة انحرافه عن خط مستقيم موازٍ لمحور التردد.

يؤدي تقليل تفاوت استجابة التردد في النطاق إلى تحسين إعادة إنتاج شكل الإشارة المرسلة.

هناك:

• عرض النطاق الترددي المطلق: 2Δω = Sa
• عرض النطاق الترددي النسبي: 2Δω/ωo = So

يتم تقييم درجة تشويه الإشارات الجيبية بواسطة خطوط الاتصال باستخدام خصائص مثل استجابة تردد السعة وعرض النطاق الترددي والتوهين عند تردد معين.

استجابة التردد السعة(الشكل 2.7) يوضح كيف تتضاءل سعة الشكل الجيبي عند خرج خط الاتصال مقارنة بالسعة عند مدخلاته لجميع الترددات الممكنة للإشارة المرسلة. بدلاً من السعة، غالبًا ما تستخدم هذه الخاصية معلمة إشارة مثل قوتها.

تتيح لك معرفة استجابة تردد السعة للخط الحقيقي تحديد شكل إشارة الخرج لأي إشارة دخل تقريبًا. للقيام بذلك، من الضروري العثور على طيف إشارة الدخل، وتحويل سعة التوافقيات المكونة لها وفقًا لخاصية تردد السعة، ثم العثور على شكل إشارة الخرج عن طريق إضافة التوافقيات المحولة.

على الرغم من اكتمال المعلومات التي توفرها خاصية السعة والتردد حول خط الاتصال، فإن استخدامها معقد بسبب صعوبة الحصول عليها. بعد كل شيء، للقيام بذلك، تحتاج إلى اختبار الخط مع الجيوب الأنفية المرجعية على نطاق التردد بأكمله من الصفر إلى بعض القيمة القصوى التي يمكن العثور عليها في إشارات الإدخال. علاوة على ذلك، يجب تغيير وتيرة الجيوب الأنفية المدخلة في خطوات صغيرة، مما يعني أن عدد التجارب يجب أن يكون كبيرًا جدًا. لذلك، في الممارسة العملية، بدلا من خاصية التردد السعة، يتم استخدام خصائص أخرى مبسطة - عرض النطاق الترددي والتوهين.

عرض النطاق الترددي (عرض النطاق الترددي) هو نطاق مستمر من الترددات التي تتجاوز فيها نسبة سعة إشارة الخرج إلى إشارة الدخل حدًا محددًا مسبقًا، عادة 0.5. أي أن عرض النطاق الترددي يحدد نطاق تردد الإشارة الجيبية التي يتم من خلالها إرسال هذه الإشارة عبر خط اتصال دون تشويه كبير. تتيح لك معرفة عرض النطاق الترددي الحصول، إلى حد ما، على نفس النتيجة مثل معرفة خاصية السعة والتردد. كما سنرى أدناه، عرضعرض النطاق الترددي له أكبر تأثير على أقصى سرعة ممكنة لنقل المعلومات عبر خط الاتصال. هذه الحقيقة تنعكس في المعادل الإنجليزي للمصطلح المعني (العرض).

التوهين (التوهين) يتم تعريفه على أنه الانخفاض النسبي في سعة أو قوة الإشارة عندما يتم إرسال إشارة بتردد معين على طول الخط. وبالتالي، يمثل التوهين نقطة واحدة من خاصية تردد الاتساع للخط. في كثير من الأحيان، عند تشغيل الخط، يكون التردد الأساسي للإشارة المرسلة معروفًا مسبقًا، أي التردد الذي يتمتع توافقه بأكبر سعة وقوة. لذلك، يكفي معرفة التوهين عند هذا التردد لتقدير تشويه الإشارات المرسلة على طول الخط بشكل تقريبي. من الممكن الحصول على تقديرات أكثر دقة بمعرفة التوهين عند عدة ترددات تقابل العديد من التوافقيات الأساسية للإشارة المرسلة.

يُقاس التوهين A عادة بالديسيبل (dB) ويتم حسابه بالصيغة التالية:

حيث P out هي قوة الإشارة عند خرج الخط، P in هي قوة الإشارة عند دخل الخط.

نظرًا لأن طاقة إشارة الخرج للكابل الذي لا يحتوي على مضخمات وسيطة تكون دائمًا أقل من قوة إشارة الإدخال، فإن توهين الكابل يكون دائمًا قيمة سالبة.

على سبيل المثال، يتميز كبل الزوج الملتوي من الفئة 5 بتوهين لا يقل عن -23.6 ديسيبل لتردد 100 ميجاهرتز وطول كبل 100 متر، وقد تم اختيار تردد 100 ميجاهرتز لأن كبل هذه الفئة مخصص له نقل بيانات عالي السرعة، تتمتع إشاراته بتوافقيات كبيرة بتردد يبلغ حوالي 100 ميجاهرتز. كابل الفئة 3 مخصص لنقل البيانات بسرعة منخفضة، لذلك تم تحديد التوهين عند تردد 10 ميجاهرتز (لا يقل عن -11.5 ديسيبل). غالبًا ما تعمل بقيم التوهين المطلقة دون الإشارة إلى الإشارة.

مطلق مستوى الطاقة,على سبيل المثال، يتم أيضًا قياس مستوى طاقة جهاز الإرسال بالديسيبل. وفي هذه الحالة، تؤخذ قيمة mW 1 كقيمة أساسية لقدرة الإشارة، والتي يتم قياس القدرة الحالية على أساسها. وبالتالي، يتم حساب مستوى الطاقة p باستخدام الصيغة التالية:

حيث P هي قوة الإشارة بالمللي واط، وdBm هي وحدة مستوى الطاقة (ديسيبل لكل ميجاوات).

وبالتالي، فإن استجابة السعة والتردد وعرض النطاق الترددي والتوهين هي خصائص عالمية، ومعرفتها تسمح لنا باستخلاص استنتاج حول كيفية نقل الإشارات من أي شكل من خلال خط الاتصال.

يعتمد عرض النطاق الترددي على نوع الخط وطوله. في الشكل. 2.8 يوضح عروض النطاق الترددي لخطوط الاتصال بمختلف أنواعها، بالإضافة إلى نطاقات التردد الأكثر استخدامًا في تكنولوجيا الاتصالات؛

سعة الخط

عرض النطاق الترددي (الإنتاجية) يحدد الخط أقصى سرعة ممكنة لنقل البيانات عبر خط الاتصال. يتم قياس النطاق الترددي بالبت في الثانية - bps، وكذلك بالوحدات المشتقة مثل كيلوبت في الثانية (Kbps)، ميغابت في الثانية (Mbps)، غيغابت في الثانية (Gbps)، وما إلى ذلك.

ملاحظة: يتم عادةً قياس إنتاجية خطوط الاتصال ومعدات شبكات الاتصالات بالبت في الثانية بدلاً من البايت في الثانية. ويرجع ذلك إلى أن البيانات في الشبكات يتم نقلها بشكل تسلسلي، أي شيئًا فشيئًا، وليس بالتوازي، بالبايت، كما يحدث بين الأجهزة داخل الكمبيوتر. وحدات القياس مثل كيلوبت أو ميغابت أو جيجابت في تقنيات الشبكات تتوافق بشكل صارم مع وحدات 10 (أي كيلوبت هو 1000 بت، والميغابت هو 1،000،000 بت)، كما هو المعتاد في جميع فروع العلوم والتكنولوجيا، وليس قريبة من هذه الأرقام قوى 2 كما هو متعارف عليه في البرمجة، حيث البادئة "كيلو" تساوي 2 10 =1024، و"ميجا" -2 20 = 1 048 576.

لا يعتمد إنتاجية خط الاتصال على خصائصه فقط، مثل استجابة السعة والتردد، ولكن أيضًا على طيف الإشارات المرسلة. إذا كانت التوافقيات المهمة للإشارة (أي تلك التوافقيات التي تساهم سعاتها بشكل رئيسي في الإشارة الناتجة) تقع ضمن نطاق تمرير الخط، فسيتم إرسال هذه الإشارة بشكل جيد عبر خط الاتصال هذا وسيكون جهاز الاستقبال قادرًا على التعرف بشكل صحيح على المعلومات المرسلة على طول الخط بواسطة جهاز الإرسال (الشكل 2.9، أ).إذا تجاوزت التوافقيات الهامة عرض النطاق الترددي لخط الاتصال، فسيتم تشويه الإشارة بشكل كبير، وسوف يرتكب جهاز الاستقبال أخطاء عند التعرف على المعلومات، مما يعني أن المعلومات لن تكون قادرة على الإرسال مع عرض النطاق الترددي المحدد (الشكل 2.9، 6).

يسمى اختيار طريقة تمثيل المعلومات المنفصلة في شكل إشارات يتم توفيرها لخط الاتصال بدنيأو الترميز الخطي.ويعتمد طيف الإشارات، وبالتالي سعة الخط، على طريقة التشفير المختارة. وبالتالي، بالنسبة لإحدى طرق التشفير، قد يكون للخط سعة واحدة، وبالنسبة لطريقة أخرى، سعة أخرى. على سبيل المثال، يمكن للكابل الزوجي المجدول من الفئة 3 أن يحمل إنتاجية بيانات تبلغ 10 ميجابت في الثانية مع تشفير الطبقة المادية 10Base-T و33 ميجابت في الثانية مع تشفير 100Base-T4. في المثال الموضح في الشكل. 2.9، تم اعتماد طريقة الترميز التالية - يتم تمثيل المنطقي 1 على السطر بإمكانية إيجابية، والمنطقي 0 بقدرة سلبية.

تقول نظرية المعلومات أن أي تغيير ملحوظ وغير متوقع في الإشارة المستقبلة يحمل معلومات. وفقًا لهذا، فإن استقبال الجيوب الأنفية، حيث تظل السعة والمرحلة والتردد دون تغيير، لا يحمل معلومات، لأن التغيير في الإشارة، على الرغم من حدوثه، يمكن التنبؤ به جيدًا. وبالمثل، فإن النبضات الموجودة على ناقل ساعة الكمبيوتر لا تحمل معلومات، نظرًا لأن تغيراتها ثابتة أيضًا بمرور الوقت. لكن النبضات الموجودة على ناقل البيانات لا يمكن التنبؤ بها مسبقًا، لذا فهي تنقل المعلومات بين الكتل أو الأجهزة الفردية.

تستخدم معظم طرق التشفير تغييرًا في أي معلمة للإشارة الدورية - التردد والسعة والطور للجيوب الأنفية، أو علامة احتمال تسلسل النبض. تسمى الإشارة الدورية التي تتغير معلماتها إشارة الناقلأو تردد الناقل,إذا تم استخدام الجيوب الأنفية كإشارة من هذا القبيل.

إذا تغيرت الإشارة بحيث يمكن تمييز حالتين فقط من حالاتها، فإن أي تغيير فيها سوف يتوافق مع أصغر وحدة معلومات - قليلاً. إذا كان من الممكن أن تحتوي الإشارة على أكثر من حالتين مميزتين، فإن أي تغيير فيها سيحمل عدة أجزاء من المعلومات.

يتم قياس عدد التغييرات في معلمة المعلومات للإشارة الحاملة الدورية في الثانية بودا (باود). تسمى الفترة الزمنية بين التغييرات المتجاورة في إشارة المعلومات دورة تشغيل المرسل.

سعة الخط بالبت في الثانية بشكل عام ليست نفس معدل الباود. يمكن أن يكون أعلى أو أقل من رقم الباود، وتعتمد هذه النسبة على طريقة التشفير.

إذا كانت الإشارة تحتوي على أكثر من حالتين مميزتين، فسيكون معدل النقل بالبت في الثانية أعلى من معدل الباود. على سبيل المثال، إذا كانت معلمات المعلومات هي الطور والسعة للمجسم الجيبي، وهناك 4 حالات طور تبلغ 0 و90180 و270 درجة وقيمتين لسعة الإشارة، فيمكن أن تحتوي إشارة المعلومات على 8 حالات مميزة. في هذه الحالة، يقوم المودم الذي يعمل عند 2400 باود (بتردد ساعة 2400 هرتز) بنقل المعلومات بسرعة 7200 بت في الثانية، لأنه مع تغيير إشارة واحدة يتم إرسال 3 بتات من المعلومات.

عند استخدام إشارات ذات حالتين يمكن تمييزهما، يمكن ملاحظة الصورة المعاكسة. يحدث هذا غالبًا لأنه لكي يتعرف جهاز الاستقبال بشكل موثوق على معلومات المستخدم، يتم تشفير كل بت في التسلسل باستخدام عدة تغييرات على معلمة المعلومات لإشارة الناقل. على سبيل المثال، عند تشفير قيمة بت واحدة بنبضة ذات قطبية موجبة، وقيمة صفر بتة بنبضة ذات قطبية سلبية، فإن الإشارة المادية تغير حالتها مرتين أثناء إرسال كل بت. وبهذا التشفير، تكون سعة الخط نصف عدد إشارات الباود المرسلة على طول الخط.

لا يتأثر إنتاجية الخط بالتشفير المادي فحسب، بل أيضًا بالتشفير المنطقي. الترميز المنطقييتم تنفيذها قبل التشفير المادي وتتضمن استبدال بتات المعلومات الأصلية بتسلسل جديد من البتات التي تحمل نفس المعلومات، ولكن لها أيضًا خصائص إضافية، على سبيل المثال، قدرة الجانب المتلقي على اكتشاف الأخطاء في البيانات المستلمة. يُعد إرفاق كل بايت من معلومات المصدر ببتة تكافؤ واحدة مثالاً على طريقة التشفير المنطقي شائعة الاستخدام عند إرسال البيانات باستخدام أجهزة المودم. مثال آخر على الترميز المنطقي هو تشفير البيانات، مما يضمن سريتها عند نقلها عبر قنوات الاتصال العامة. مع التشفير المنطقي، غالبًا ما يتم استبدال التسلسل الأصلي للبتات بتسلسل أطول، وبالتالي تنخفض سعة القناة فيما يتعلق بالمعلومات المفيدة.

العلاقة بين سعة الخط وعرض النطاق الترددي

كلما زاد تردد الإشارة الحاملة الدورية، تم إرسال المزيد من المعلومات لكل وحدة زمنية على طول الخط وزادت سعة الخط باستخدام طريقة تشفير مادية ثابتة. ومع ذلك، من ناحية أخرى، مع زيادة تردد الإشارة الحاملة الدورية، يزداد أيضًا عرض طيف هذه الإشارة، أي الفرق بين الترددات القصوى والدنيا لمجموعة الجيوب الأنفية التي ستعطي في المجموع تسلسل الإشارات المحددة للتشفير المادي. ينقل الخط هذا الطيف من الجيوب الأنفية مع تلك التشوهات التي يحددها نطاق المرور الخاص به. كلما زاد التناقض بين عرض النطاق الترددي للخط وعرض طيف إشارات المعلومات المرسلة، كلما زاد تشويه الإشارات وزاد احتمال حدوث أخطاء في التعرف على المعلومات من قبل الجانب المستقبل، مما يعني أن سرعة نقل المعلومات فعليا تبين أنه أقل مما قد يتوقعه المرء.

العلاقة بين عرض النطاق الترددي للخط و أقصى تمريرة ممكنةقدرة نوح,بغض النظر عن الطريقة المعتمدة للتشفير المادي، فقد أثبت كلود شانون ما يلي:

حيث C هي السعة القصوى للخط بالبت في الثانية، وF هو عرض النطاق الترددي للخط بالهرتز، وP c هي قوة الإشارة، وP sh هي قوة الضوضاء.

وتبين هذه العلاقة أنه على الرغم من عدم وجود حد نظري لسعة خط النطاق الترددي الثابت، إلا أنه يوجد مثل هذا الحد عملياً. في الواقع، من الممكن زيادة إنتاجية الخط عن طريق زيادة قدرة المرسل أو تقليل قوة الضوضاء (التداخل) على خط الاتصال. من الصعب جدًا تغيير كلا هذين المكونين. تؤدي زيادة قوة المرسل إلى زيادة كبيرة في حجمه وتكلفته. ويتطلب تقليل مستوى الضوضاء استخدام كابلات خاصة ذات شاشات حماية جيدة، وهو أمر مكلف للغاية، وكذلك تقليل الضوضاء في جهاز الإرسال والمعدات الوسيطة، وهو أمر ليس من السهل تحقيقه. بالإضافة إلى ذلك، فإن تأثير قوى الإشارة المفيدة والضوضاء على الإنتاجية يقتصر على الاعتماد اللوغاريتمي، الذي لا ينمو بسرعة مثل الاعتماد المتناسب بشكل مباشر. وبالتالي، مع نسبة أولية نموذجية إلى حد ما من قوة الإشارة إلى قوة الضوضاء تبلغ 100 مرة، فإن زيادة قدرة المرسل بمقدار مرتين ستؤدي إلى زيادة بنسبة 15٪ فقط في سعة الخط.

العلاقة التالية التي حصل عليها نيكويست قريبة من صيغة شانون، والتي تحدد أيضًا أقصى إنتاجية ممكنة لخط اتصال، ولكن دون مراعاة الضوضاء الموجودة على الخط:

حيث M هو عدد الحالات المميزة لمعلمة المعلومات.

إذا كانت الإشارة تحتوي على حالتين مميزتين، فإن الإنتاجية تساوي ضعف عرض النطاق الترددي لخط الاتصال (الشكل 2.10، أ).إذا كان المرسل يستخدم أكثر من حالتين إشارة مستقرة لتشفير البيانات، فإن سعة الخط تزداد، لأنه في دورة ساعة واحدة يرسل المرسل عدة بتات من البيانات الأصلية، على سبيل المثال 2 بت إذا كانت هناك أربع حالات إشارة مميزة (الشكل 2.10) , ب).

على الرغم من أن صيغة نيكويست لا تأخذ في الاعتبار صراحة وجود الضوضاء، إلا أن تأثيرها ينعكس بشكل غير مباشر في اختيار عدد حالات إشارة المعلومات. ولزيادة سعة القناة، نود زيادة هذا العدد إلى قيم كبيرة، ولكن عمليا لا يمكننا القيام بذلك بسبب الضوضاء على الخط. على سبيل المثال، للمثال الموضح في الشكل. 2.10، يمكنك مضاعفة سعة الخط باستخدام 16 بدلاً من 4 مستويات لتشفير البيانات. ومع ذلك، إذا تجاوز اتساع الضوضاء في كثير من الأحيان الفرق بين المستويات الـ 16 المجاورة، فلن يتمكن جهاز الاستقبال من التعرف باستمرار على البيانات المرسلة. ولذلك فإن عدد حالات الإشارة الممكنة يقتصر فعليًا على نسبة قوة الإشارة إلى الضوضاء، وتحدد صيغة نيكويست الحد الأقصى لمعدل نقل البيانات في الحالة التي يكون فيها عدد الحالات قد تم اختياره بالفعل مع الأخذ في الاعتبار إمكانيات التعرف المستقر من قبل المتلقي.

تعطي العلاقات المذكورة أعلاه القيمة الحدية لسعة الخط، وتعتمد درجة التقريب لهذا الحد على طرق التشفير المادي المحددة التي تمت مناقشتها أدناه.

مناعة الضوضاء والموثوقية

حصانة الضوضاء الخطيةيحدد قدرته على تقليل مستوى التداخل الناتج في البيئة الخارجية على الموصلات الداخلية. تعتمد مناعة الخط من الضوضاء على نوع الوسيط المادي المستخدم، وكذلك على وسائل التدريع وكتم الضوضاء للخط نفسه. خطوط الراديو هي الأقل مقاومة للتداخل، فهي تتمتع باستقرار جيد خطوط الكابلاتوممتازة - خطوط الألياف الضوئية، غير حساسة للإشعاع الكهرومغناطيسي الخارجي. عادةً، لتقليل التداخل الناتج عن المجالات الكهرومغناطيسية الخارجية، يتم حماية الموصلات و/أو لفها.

الحديث المتبادل بالقرب من النهاية (قريب نهاية يعبر يتحدث - التالي) تحديد حصانة الكابل من الضوضاء لمصادر التداخل الداخلية عندما يؤدي المجال الكهرومغناطيسي للإشارة المرسلة بواسطة خرج المرسل على طول زوج واحد من الموصلات إلى ظهور إشارة تداخل على الزوج الآخر من الموصلات. إذا كان جهاز الاستقبال متصلاً بالزوج الثاني، فقد يخطئ في أن الضوضاء الداخلية المستحثة هي إشارة مفيدة. مؤشر NEXT، المعبر عنه بالديسيبل، يساوي 10 log P OUT / P NAV، حيث P OUT هي قوة إشارة الخرج، P NAV هي قوة الإشارة المستحثة.

كلما كانت قيمة NEXT أقل، كان الكابل أفضل. لذلك، بالنسبة للكابل المزدوج المجدول من الفئة 5، يجب أن يكون NEXT أقل من -27 ديسيبل عند 100 ميجاهرتز.

يُستخدم مؤشر NEXT عادةً فيما يتعلق بكابل يتكون من عدة أزواج ملتوية، لأنه في هذه الحالة يمكن أن يصل التداخل المتبادل بين زوج وآخر إلى قيم كبيرة. بالنسبة لكابل متحد المحور واحد (أي يتكون من قلب محمي واحد)، فإن هذا المؤشر لا معنى له، وبالنسبة للكابل المحوري المزدوج، لا يتم استخدامه أيضًا نظرًا لدرجة الحماية العالية لكل قلب. كما أن الألياف الضوئية لا تخلق أي تداخل ملحوظ مع بعضها البعض.

نظرًا لحقيقة أن بعض التقنيات الجديدة تستخدم نقل البيانات في وقت واحد عبر عدة أزواج ملتوية، مؤخرابدأ استخدام المؤشر مجموع الطاقة, وهو تعديل للمؤشر التالي. يعكس هذا المؤشر إجمالي طاقة الحديث المتبادل من جميع أزواج الإرسال في الكابل.

موثوقية نقل البياناتيميز احتمالية التشويه لكل بتة من البيانات المرسلة. في بعض الأحيان يتم استدعاء هذا المؤشر نفسه بشكل مكثفأخطاء بت (قليل خطأ معدل, بير). قيمة BER لقنوات الاتصال دون وسائل إضافية للحماية من الأخطاء (على سبيل المثال، رموز التصحيح الذاتي أو البروتوكولات مع إعادة إرسال الإطارات المشوهة) هي، كقاعدة عامة، 10" 4 -10~6، في خطوط اتصالات الألياف الضوئية - 10~ 9. قيمة موثوقية نقل البيانات، على سبيل المثال، في Yu -4 تقول أنه في المتوسط ​​من بين 10000 بت، تكون قيمة البت الواحد مشوهة.

يحدث تشويه البتات بسبب وجود تداخل على الخط، وبسبب تشويه شكل موجة الإشارة المحدود بعرض النطاق الترددي للخط. لذلك، لزيادة موثوقية البيانات المرسلة، من الضروري زيادة درجة حصانة الضوضاء للخط، وتقليل مستوى الحديث المتبادل في الكابل، وكذلك استخدام المزيد من خطوط الاتصالات ذات النطاق العريض.

عادة ما يكون جهد البطارية في معظم بدالات الهاتف الأوتوماتيكية في رابطة الدول المستقلة 60 فولت، ولكن يمكن أن يكون في حدود 24...100 فولت.

لنحسب القيمة الحالية للخط (في أسوأ الحالات):

مقاومة الملف (2x400 أوم) 800 أوم

خط هاتف 10 كيلو 18000 م

مقاومة الهاتف... 300 أوم

المجموع: 29000 م

جهد البطارية 60 فولت

الحد الأدنى لتيار الخط: 60 فولت/2900 أوم - 20.7 مللي أمبير.

في الجدول يوضح الجدول 2.1 الحد الأدنى لتيارات الخطوط لشبكات الهاتف في بعض الدول الأوروبية.

في الماضي، حددت معظم شركات الهاتف الحد الأقصى لمقاومة التيار المستمر لـ SLTs لضمان الحد الأدنى من تيار الملف. ومع ذلك، بالنسبة للأجهزة الإلكترونية، من الصعب تحديد الحد الأقصى لمقاومة التيار المستمر، نظرًا لأنها تتمتع بخاصية IV غير خطية (خاصية فولت أمبير). يتم تحديد خاصية الجهد الحالي من خلال قطبية الجسر الواقي والمقاومة العالية جدًا للجسر للتيارات الصغيرة. في الشكل. يوضح الشكل 2.19 مناطق خصائص الجهد الحالي المسموح بها وغير المقبولة لشبكات الهاتف. تسمح بعض الشركات بجهد خطي أعلى أثناء الاتصال بالتردد لأن... تعمل هذه الأنظمة دون عزل النبضات الرقمية. في الولايات المتحدة الأمريكية، يبلغ جهد الخط القياسي 6 فولت عند 20 مللي أمبير، ولكن مع الاتصال الترددي يمكن أن يصل إلى 8 فولت عند 20 مللي أمبير. ولذلك فمن الأسهل تشغيل مولدات رموز التردد في البلدان التي لديها هذا النوع من المواصفات.

تسمح بعض شركات الهاتف بجهد منخفض للخط أثناء الاتصال النبضي لتسهيل قيام المرحلات الموجودة على جهاز التبادل بعزل انقطاعات تيار الخط.

غالبًا ما يستخدم مصطلح "عرض النطاق الترددي" عند وصف شبكات الاتصالات الإلكترونية. هذه هي واحدة من الخصائص الرئيسية لمثل هذه الأنظمة. للوهلة الأولى، قد يبدو أن الشخص الذي لا علاقة لعمله بخطوط الاتصال، لا يحتاج إلى فهم ما هو عرض النطاق الترددي للقناة. في الواقع، كل شيء مختلف قليلاً. كثير من الناس لديهم منزل كمبيوتر شخصي، متصل بـ ويعلم الجميع أنه في بعض الأحيان يعمل مع شبكة الويب العالمية بدونها أسباب مرئيةيبطئ. أحد أسباب ذلك هو أنه في تلك اللحظة بالذات، يصبح النطاق الترددي لقناة الموفر مثقلًا. والنتيجة هي تباطؤ واضح وأعطال محتملة. قبل أن نحدد مفهوم "عرض النطاق الترددي"، دعونا نستخدم مثالاً يسمح لأي شخص بفهم ما نتحدث عنه.

دعونا نتخيل طريقًا سريعًا في بلدة إقليمية صغيرة وفي مدينة مكتظة بالسكان. في الحالة الأولى، غالبا ما يتم تصميمه لتدفق حركة مرور واحد أو اثنين، على التوالي، العرض صغير. ولكن في المدن الكبيرة، حتى حركة المرور المكونة من أربعة حارات لن تفاجئ أحداً. خلال نفس الوقت، يختلف عدد السيارات التي تسير نفس المسافة على هذين الطريقين اختلافًا كبيرًا. يعتمد ذلك على خاصيتين - سرعة الحركة وعدد الممرات. في هذا المثال، الطريق والسيارات عبارة عن أجزاء من المعلومات. وفي المقابل، كل فرقة عبارة عن خط اتصال.

بمعنى آخر، يشير عرض النطاق الترددي بشكل غير مباشر إلى مقدار البيانات التي يمكن نقلها لكل وحدة زمنية. كلما ارتفعت هذه المعلمة، كلما كان العمل من خلال هذا الاتصال أكثر راحة.

إذا كان كل شيء واضحًا فيما يتعلق بسرعة الإرسال (تزداد مع انخفاض تأخير إرسال الإشارة)، فإن مصطلح "عرض النطاق الترددي" أكثر تعقيدًا بعض الشيء. كما تعلمون، لكي تقوم الإشارة بنقل المعلومات، يتم تحويلها بطريقة معينة. فيما يتعلق بالإلكترونيات، يمكن أن يكون هذا إما تعديلًا مختلطًا. ومع ذلك، فإن إحدى ميزات الإرسال هي أن هناك عدة نبضات ترددات مختلفة(ضمن النطاق الكلي، طالما أن التشوه ضمن الحدود المقبولة). تتيح لك هذه الميزة زيادة الأداء العام لخط الاتصال دون تغيير التأخير. من الأمثلة الصارخة على التعايش بين الترددات المحادثة المتزامنة بين عدة أشخاص بأجراس مختلفة. على الرغم من أن الجميع يتحدثون، إلا أن كلمات الجميع مميزة تمامًا.

لماذا يوجد أحيانًا تباطؤ عند العمل مع الشبكة؟ يتم شرح كل شيء بكل بساطة:

كلما زاد التأخير، انخفضت السرعة. أي تداخل في الإشارة (سواء كان برمجيًا أو فعليًا) يقلل من الأداء؛

غالبًا ما تتضمن بتات إضافية تؤدي وظائف زائدة عن الحاجة - ما يسمى "التكرار". وهذا ضروري لضمان قابلية التشغيل في ظروف التداخل على الخط؛

تم الوصول إلى الحد المادي للوسيط الموصل، عندما تم بالفعل استخدام جميع الوسائط الصالحة ومع أجزاء جديدة من البيانات يتم وضعها في قائمة انتظار للإرسال.

لحل مثل هذه المشاكل، يتخذ مقدمو الخدمة عدة طرق مختلفة. قد يكون هذا هو المحاكاة الافتراضية، التي تزيد من "العرض" ولكنها تؤدي إلى تأخيرات إضافية؛ توسيع القناة بسبب الوسائط الموصلة "الإضافية" وما إلى ذلك.

في التكنولوجيا الرقمية يستخدم مصطلح "الباود" في بعض الأحيان. في الواقع، هذا يعني عدد بتات البيانات المنقولة لكل وحدة زمنية. في أيام خطوط الاتصال البطيئة (الاتصال الهاتفي)، كان الباود الواحد يقابل 1 بت لكل ثانية واحدة. وفي وقت لاحق، مع زيادة السرعات، لم يعد "الباود" عالميًا. قد يعني ذلك 1 أو 2 أو 3 بتات أو أكثر في الثانية، الأمر الذي يتطلب إشارة منفصلة، ​​لذلك يتم حاليًا استخدام نظام مختلف يفهمه الجميع.

شرط نطاق الترددفيما يتعلق بالإشارةالمرتبطة بمفهوم عرض طيف الإشارة الفعالحيث يتركز 90% من طاقة الإشارة (بالاتفاق)، بالإضافة إلى الحدود الدنيا والعليا لنطاق تردد الإشارة. هؤلاء أهم الخصائصترتبط مصادر الإشارة مباشرة بالفيزياء هذا المصدرإشارة. على سبيل المثال، بالنسبة لمستشعر الاهتزاز الاستقرائي، فإن نطاق تردد إشارة الخرج محدود فعليًا من الأعلى بوحدات كيلوهرتز بسبب القصور الذاتي لكتلة النواة المعدنية الممغنطة داخل ملف الحث للمستشعر، ومن الأسفل - بالقيمة المرتبطة محاثة الملف. يرتبط الحد الأعلى لنطاق تردد الإشارة عمومًا بالقيود المادية على معدل تدفق الإشارة، ويرتبط الحد الأدنى لنطاق التردد بوجود مكون منخفض التردد للإشارة، بما في ذلك مكون التيار المستمر.

شرط نطاق الترددالانتقالتستخدم فيما يتعلق بالمحولات ومسارات نقل الإشارات (الواجهات). نحن نتحدث عن استجابة تردد السعة (AFC)هذه الأجهزة وحول خصائص عرض النطاق الترددي لاستجابة التردد هذه، والتي يتم قياسها تقليديًا عند مستوى -3 ديسيبل، كما هو موضح في الشكل أعلاه. يعتبر صفر ديسيبل هو القيمة القصوى (أو المتوسطة، حسب الاتفاقية) لسعة الإشارة في نطاق التمرير. في الشكل، الترددات F 1 و F 2 هي الأقل و تردد عالعروض النطاق الترددي وفقا لذلك. الحد الأدنى F 1 = 0، إذا كان هذا المحول أو المسار يمر بمكون DC للإشارة. المزيد عرض نطاقات الترددالانتقال∆F= F 2 - F 1 للمحول أو مسار نقل البيانات، الأعلى دقة (تفاصيل) الإشارة في الوقت المناسب , كلما زادت سرعة نقل المعلومات في الواجهة المقابلة، ولكن في نفس الوقت والمزيد من التدخل والضوضاءيقع ضمن نطاق المرور.

إذا كان نطاق تردد الإشارة جزئيًا أو كليًا لا يقع ضمن نطاق تمرير المحول أو المسار، فإن ذلك يؤدي إلى تشويه أو قمع كامل للإشارة في المسار.

من ناحية أخرى، إذا كان نطاق التردد الفعال للإشارة أضيق بعدة مرات من نطاق تمرير المحول أو المسار، فلا يمكن اعتبار مثل هذه الحالة مثالية، لأنه في هذا النظام المطبق فعليًا يوجد دائمًا ضوضاء وتداخل ذو طبيعة مختلفة ، والتي تكون في الحالة العامة منتشرة على نطاق المرور بأكمله. مناطق ترددات المرور التي لا تحتوي على مكونات إشارة مفيدة ستضيف ضوضاء، مما يؤدي إلى انخفاض نسبة الإشارة إلى الضوضاء لقناة تحويل أو إرسال معينة. وعلى أساس هذه المقدمات فقد اقتربنا من ذلك شرط: عرض النطاق الترددي الأمثل للإشارة هو نطاق مرور تتوافق حدوده مع عرض النطاق الترددي الفعال للإشارة.

في حالة ADC، يمكن توفير الحد الأعلى لنطاق التمرير بواسطة مرشح مانع للتعرج، ويمكن توفير الحد الأدنى بواسطة مرشح تمرير عالي.

كما ترون، الجنرال شرط نطاق التردد، المستخدمة في أي سياق، ترتبط بقوة بمسألة اختيار المعداتوفقًا لخصائص ترددها، وترتبط أيضًا بمسألة المطابقة المثالية للمحولات ومسارات الإرسال مع مصادر الإشارة.