Интерфейсы информационных систем, страница 4

Типичный вид АЧХ приведен на рисунке. Такой вид связан с параметрами линии связи: сопротивлением, емкостью и индуктивностью. Для всех линий связи характерно затухание в области высоких частот, что ограничивает полосу пропускания.

Поглощение в материале.

Помимо затухания, связанного с параметрами линии связи, в некоторых линиях связи существуют и другие причины, ухудшающие вид АЧХ.

Например, для волоконно-оптических линий связи существуют так называемые зоны поглощения. Эти зоны находятся в области частот, соответствующих энергиям, необходимым для перехода электронов материала с одного уровня на другой. Другими словами, на этих частотах происходит поглощение фотонов электромагнитной волны в материале оптоволокна.

Примерный вид частотной характеристики волоконно-оптического кабеля приведен на рисунке. При наличии зон поглощения информацию приходится передавать в так называемых окнах прозрачности. В современных интерфейсах используются окна, расположенные на длинах волн 850, 1350 и 1550 нм.

Другие ограничения (например, АТС).

Помимо ограничений самой среды передачи, на АЧХ линии связи могут накладываться искусственные ограничения. Например, при передаче радиосигналов всегда есть ограничения на используемую полосу частот.

Другой пример связан с коммутируемыми телефонными линиями. Коммутаторы автоматических телефонных станций выделяют для одного абонента диапазон в 4кГц. С учетом того, что фильтры, выделяющие этот диапазон, не могут быть идеальными, то доступная полоса частот еще больше сужается до 3200 Гц.

Шумы

Шум — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Они оказывают негативное влияние на передачу данных.

Влияние шума.

Как правило, шум носит аддитивный характер, т.е. складывается с передаваемым сигналом. Считается, что распознать передаваемый сигнал можно, если он в 2 раза (или, что тоже самое, на 3 dB) выше, чем уровень шума.

Полосой пропускания называется диапазон частот, в котором сигнал, переданный по линии связи, в 2 раза превышает уровень шума, который наводится в этой линии связи.

Как видно из рисунка, с точки зрения передачи информации значение имеет не абсолютное значение шума, а отношение АЧХ и уровня шума. Эта величина характеризует такой ресурс линии связи как динамический диапазон.

Измерение шума

Шум можно измерять в децибелах (обозначается как dB). Определяется он по следующей формуле:

1 dB = 10 lg(Pс/Pш).

где Pc – мощность сигнала, Pш – мощность шума.

Обычно сигнал передается уровнем напряжения, а не мощности. С учетом того, что при известном сопротивлении мощность сигнала пропорциональна квадрату напряжения формула принимает следующий вид:

1 dB = 20 lg(Uс/Uш),

где Uс – напряжение сигнала, Uш – напряжение шума.

Например, если соотношения мощностей сигнала и шума равно двум, то уровень шума по формуле получается равным 3dB.

При передаче цифровых сигналов часто встает вопрос о том, сколько бит необходимо для передачи сигнала с некоторым соотношением сигнала и шума. 1 бит позволяет различить два состояния напряжения сигнала, т.е. позволяет передавать сигнал выше уровня шума на 6 dB.

Мы рассмотрели влияние и измерение шума, далее рассмотрим причины его возникновения.

Внешние шумы.

Внешние шумы возникают от различных электрических приборов, которые повсюду окружают нас. Можно выделить три вида таких шумов.

Во-первых, шумы от приборов создающих электромагнитную волны в соответствии со своим назначением. Это различного рода радиопередающие устройства: телефоны, беспроводные компьютерные сети, радиостанции и другие. Эти приборы должны работать в отведенном для них диапазоне, но диапазоны работы приборов могут пересекаться, а также возможен шум за пределами отведенного диапазона.

Во-вторых, шумы от электрической сети, и работающих от нее устройств. Этот шум имеет частоту 50 Гц или кратную 50 Гц.

В-третьих, это широкополосные шумы, связанные с различными искрениями, например, с молниями.

Как правило, внешние шума рассматриваются как белые (т.е. равномерно распределенные во всем частотном диапазоне). В некоторых случаях, например, для устройств, работающих на промышленных предприятиях, имеет смысл учитывать, что часть шума имеет частоту электрической сети.

Шумы соединений.

При возникновении неоднородности среды возникает перепад ее сопротивления, вследствие чего передаваемая электромагнитная волна может рассеиваться или отражаться.

Неоднородность среды характерна, прежде всего, в местах разъемов и соединений.

Данное явление можно описывать как шум линии связи, так и дополнительное затухание сигнала в линии связи. С точки зрения передачи сигнала значение имеет соотношение сигнала и шума, поэтому выбор способа описания в данном случае не существенен.

Перекрестные шумы.

В интерфейсе передача информации часто идет одновременно по нескольким линиям связи. Эти линии близко расположены другу к другу, и на высоких частотах влияние электромагнитной волны одной линии связи на другую может оказаться существенным.

На рисунке показан пример влияния электромагнитной волны в витой паре. Для присоединения витой пары к разъему ее необходимо раскрутить на несколько миллиметров. На этом участке перекрестные шумы особенно заметны.

Эти шумы определяются, прежде всего, характеристиками среды передачи, в данном случае, витой пары. Стандартом на кабельную систему регламентируются параметры NEXT (максимально возможные перекрестные шумы на ближнем конце, т.е. влияние сигнала исходящего от передатчика, на сигнал, приходящий к приемнику) и FEXT (перекрестные помехи на дальнем конце).

Перекрестные шумы на высоких частотах имеют довольно большое значение. Это является одной из причин тенденции к переходу от параллельных интерфейсов к последовательным.