Что такое полоса пропускания канала. Зависимость между частотой дискретизации и полосой пропускания осциллографа. Характеристики каналов связи. Шумы

» (вверху):
1 - кнопки переключателя программ. Каждая кнопка могла быть настроена на любой метровый или дециметровый канал.
Советский чёрно-белый лампово-полупроводниковый телевизор 1980-х годов (внизу):
2 - рукоятка селектора метровых каналов.
3 - переключатель между «метровым» и «дециметровым» селекторами каналов.
4 - рукоятка плавной настройки дециметровых каналов.
Не каждый советский телевизор комплектовался на заводе селектором дециметровых каналов, хотя возможность самостоятельной установки была. Дело в том, что в СССР телепередачи в дециметровом диапазоне велись только в нескольких крупных городах.

Телевизио́нный кана́л - полоса радиочастот в диапазоне метровых и дециметровых волн (МВ и ДМВ), предназначенная для передачи в сетях эфирного , кабельного или мобильного телевидения :

• радиосигналов изображения и звукового сопровождения одного аналогового телеканала ;
• цифровых сервисов в составе одного мультиплекса , как правило - нескольких телеканалов и (или) радиоканалов.

Последнее можно отнести и к спутниковому телевидению. Однако традиционно для него в данном случае используется термин «транспондер », что не совсем точно, так как транспондер - это физическое устройство, а не полоса радиочастот. С другой стороны, диапазоны спутникового телевидения расположены на сверхвысоких частотах , а ширина полосы исчезающе мала по сравнению с абсолютными частотами мультиплексов (транспондеров), которые могут и не иметь стандартных значений границ радиочастот.

Не следует путать радиотехнические средства, обеспечивающие передачу аудиовизуальной информации, с самой этой информацией, которую пользователь может увидеть на экране своего телевизора (новости , концерт , фильм или настроечную таблицу). Собственно полоса радиочастот не является строго телеканалом, наоборот - как аналоговые, так и цифровые стандарты определяют необходимую им ширину радиочастот для одного канала (или мультиплекса), а их границы регламентируются стандартами отдельных стран. Термин телевизионный канал (телеканал , ТВК ) продолжает использоваться и в контексте цифрового вещания, так как для границ мультиплексов в большинстве случаев сохранены и полосы и номера ТВК, соответствующие аналоговому телевещанию.

Использование

Исторически сложилось, что в разных странах используются разные телевизионные стандарты , отличающиеся принципом кодирования сигнала - аналоговое телевидение и цифровое телевидение . Аналоговые стандарты (см. таблицу) в свою очередь отличаются друг от друга значениями:

• несущих частот изображения и звука,
• ширины полосы радиочастот целого канала и её составляющих - полос яркости, цветности и звука,
• частотных границ каналов и их нумерацией,
• числом строк и полярностью видеосигнала,
• частот кадровой и строчной развёртки,
• а также применяемыми стандартами кодирования цвета (NTSC , PAL , SECAM) и другими техническими особенностями.

Цифровые стандарты наследуют из этого списка ширину полосы радиочастот канала (первоначально аналогового) и вместе с ней границы большей части каналов (зависит от страны), несущей частотой можно условно считать середину данной полосы, что строго говоря не верно, ибо спектр цифрового сигнала сложен из множества отдельных элементов и лишь на графическом изображении выглядит как например аналоговый спектр яркости с центром в середине полосы. Цифровые стандарты разработаны европейской группой DVB , есть и стандарты, созданные силами отдельных стран (США , Япония , Китай и Корея). Остальные страны принимают либо наиболее распространённые DVB-стандарты, либо американские ATSC , либо японские ISDB , китайский стандарт принят только Кубой . Во многих странах уже прекращено аналоговое вещание.

Типичная ширина полосы может составлять 1,7; 5; 6; 7; 8 и 10 МГц , чаще используется ширина в 8 МГц. Значение ширины полосы прямо пропорционально количеству передаваемой в спектре информации, а также влияет на помехоустойчивость.

Абонент принимает аналоговые телевизионные сигналы и (или) цифровые мультиплексы либо через эфир (с помощью индивидуальной или коллективной антенны), либо при посредстве кабельных операторов. Эти операторы могут ретранслировать частотные каналы по своим кабельным сетям, изменив при этом номера , занимаемые ими в эфире. Такая же ситуация возможна в системах коллективного телеприёма отдельного жилого дома или гостиниц, санаториев и т. д. В разных населённых пунктах один и тот же аналоговый телеканал может передаваться в эфир на разных частотных каналах, например во Владивостоке российский «Первый канал » передаётся на первом метровом канале, в Хабаровске - на третьем, а в посёлке Хор - на девятом, равно как и общероссийские цифровые мультиплексы «РТРС-1 » и «РТРС-2 » имеют индивидуальную частотную сеть вещания в зависимости от региона страны. В ряде случаев (ввод в строй новых мощностей на телецентре , ремонт телепередающей аппаратуры, изменение контракта между собственником средства массовой информации и передающим телерадиоцентром) вещание может быть продолжено на другом частотном канале.

Некоторые бытовые электронные устройства (например, советские игровые приставки «Видеоспорт-3 », «Электроника Экси Видео 01 » и др), приставки «Dendy », бытовые видеомагнитофоны , домашние компьютеры 1980-х - начала 1990-х годов («БК », «Микро-80 » и др.) могут подключаться к телевизору с помощью антенного коаксиального высокочастотного кабеля . В этих устройствах имеется модулятор высокой частоты одного ТВК, тюнер телевизора может настраивается на его приём ровно также как и на обычный эфирный или кабельный аналоговый частотный канал. Частота канала (номер ТВК), на котором передаётся телевизионный сигнал от устройства к телевизору может быть изменён в настройках этого устройства, чтобы избежать помех, если в населённом пункте уже идут передачи на этой частоте.

Стандарты полос телевизионных каналов

В таблице представлены частотные диапазоны и частотные телевизионные каналы, используемые в России и на постсоветском пространстве , а также в бывших социалистических странах. Этот телевизионный стандарт в целом соответствует стандарту OIRT . Стандарты разложения, применявшиеся в большинстве стран-участниц организации «OIRT» - «D» для МВ и «K» для ДМВ , а стандарт кодирования цвета - SECAM , поэтому в качестве наименования данного стандарта чаще встречается обозначение «SECAM-D/K». Впрочем, после распада СССР некоторые телецентры и особенно кабельные операторы передают цвет и в стандарте PAL или даже в PAL+ . После интеграции «OIRT» в организацию «EBU » и с распадом организации «СЭВ » стандарт SECAM постепенно заменялся на PAL и в Восточной Европе . Номера и частоты каналов при этом сохранялись, но в ряде стран произведено перераспределение частотных ресурсов в пользу иных видов связи, отличных от аналогового эфирного телевидения, как в диапазоне ДМВ, так и в МВ.

Необходимо отметить, что кроме собственно стандартов разложения аналогового телевидения (см. таблицу выше), под обозначениями «D» и «K» (и другими) понимают и стандарты границ частотных каналов в соответствующих диапазонах частот, особенно за пределами постсоветского пространства. Тем не менее, система «K» для ДМВ в этом отношении практически идентична системам « », « », « » и «L» с последовательностью каналов начиная с 21-го. А система «D» для МВ более оригинальна, в современном виде (с 1965 года) она представляет собой 12 каналов, последовательность которых соблюдается лишь внутри трёх поддиапазонов (I, II и III). От прежней системы OIR (наименование организации «OIRT» до 1960 года) из 13 каналов в МВ (выпускавшиеся в 1950-е годы советские телевизоры могли принимать от трёх до пяти частотных телевизионных каналов ) сохранились лишь три - современные 1-й, 2-й и 3-й. Таким образом, 1-й и 2-й каналы представляют собой один из старейших в мире ТВ-диапазон I (48,5-66 МГц), 3-й канал дал начало оригинальному ТВ-диапазону II (76-100 МГц), но ТВ-диапазон III имеет близкие аналоги в других системах.

Кроме России, стандарт OIRT (или «SECAM-D/K») используется (или использовался) в следующих странах:

Типы характеристик и способы их определения.

Характеристики линий связи.

Линия связи искажает передаваемые данные т.к. ее физические параметры отличаются от идеальных. Линия связи представляет собой некую распределенную комбинацию активного сопротивления, индуктивной и емкостной нагрузки.

К основным характеристикам линий связи относятся:

· амплитудно-частотная характеристика;

· полоса пропускания;

· затухание;

· помехоустойчивость;

· перекрестные наводки на ближнем конце линии;

· пропускная способность;

· достоверность передачи данных;

· удельная стоимость.

В первую очередь разработчика вычислительной сети интересуют пропускная способность и достоверность передачи данных, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети. Пропускная спо­собность и достоверность - это характеристики как линии связи, так и способа передачи данных. Поэтому если способ передачи (протокол) уже определен, то известны и эти характеристики. Например, пропускная способность цифровой линии всегда известна, так как на ней определен протокол физического уровня, который задает битовую скорость передачи данных - 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.

Однако нельзя говорить о пропускной способности линии связи, до того как для нее определен протокол физического уровня.

Амплитудно-частотная характеристика показывает, как затухает ам­плитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Вместо амплитуды в этой ха­рактеристике часто используют также такой параметр сигнала, как его мощность.

На практике вместо АЧХ применяются другие, упрощенные харак­теристики - полоса пропускания и затухание.

Полоса пропускания - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5. Ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи.

Затухание определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Таким образом, затухание представляет собой одну точку из амплитудно-частотной характеристики линии. Часто при эксплуатации линии заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по ли­нии сигналов.

Затухание А обычно измеряется в децибелах и вычисляется по следующей формуле:

А = 10 log (Рвых/Pвх),

Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей всегда меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.

Например, кабель на витой паре категории 5 характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м. Частота 100 МГц выбрана потому, что кабель этой категории предназначен для высокоскоростной передачи данных, сигналы которых имеют значимые гармоники с частотой примерно 100 МГц.

Кабель категории 3 предназначен для низкоскоростной передачи данных, поэтому для него определяется затухание на частоте 10 МГц (не ниже -11,5 дБ). Часто опе­рируют с абсолютными значениями затухания, без указания знака.

Абсолютный уровень мощности, например уровень мощности передатчика, так­же измеряется в децибелах. При этом в качестве базового значения мощности сигнала, относительно которого измеряется текущая мощность, принимается зна­чение в 1 мВт. Таким образом, уровень мощности р вычисляется по следующей формуле:

р = 10 log (Р/1мВт) [дБм],

где Р - мощность сигнала в милливаттах, а дБм (dBm) - это единица измерения уровня мощности (децибел на 1 мВт).

Таким образом, амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание являются универсальными характеристиками, и их знание позволяет сделать вывод о том, как через линию связи будут передаваться сигналы любой формы.

Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. На слайде по­казаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.

Во время передачи тех или иных сигналов ток высокой частоты в антенне радиопередатчика состоит из нескольких токов различной частоты. Такой же сложный характер имеют электромагнитные волны, распространяющиеся от антенны передатчика, и токи, возникающие под действием радиоволн в приемной антенне.

Для каждого вида передачи (радиотелефония, радиотелеграфия, телевизионная передача и т. д.) частоты этих токов занимают определенную полосу. При радиовещании на средних волнах она составляет примерно 9 кГц, т. е. радиовещательный передатчик создает сложный ток, состоящий из нескольких токов, у которых наиболее высокая частота на 9 кГц больше наиболее низкой частоты. Например, для радиовещательного передатчика, работающего на частоте 173 кГц (? =1734 м), это будут частоты от 168,5 до 177,5 кГц. В случае служебной радиотелефонной связи полоса частот не больше 2 — 2,5 кГц, а для радиотелеграфной передачи она еще меньше. Зато при телевизионной передаче полоса частот расширяется до нескольких мегагерц.

При воздействии на контур электродвижущих сил различной частоты наиболее сильные колебания получаются в случае, когда эдс имеет резонансную частоту или частоту, близкую к ней. А при значительном отклонении частоты внешней эдс от резонансного значения, т. е. когда контур расстроен относительно частоты внешней эдс, амплитуда колебаний получается сравнительно малой.

Можно сказать, что каждый контур хорошо пропускает колебания в пределах некоторой полосы частот, располагающейся по обе стороны от резонансной частоты. Ее называют полосой пропускания контура Ппр и условно определяют по резонансной кривой на уровне 0,7 от максимального значения тока или напряжения, соответствующего резонансной частоте (рис.1).

Рис.1 — Полоса пропускания контура

Иначе говоря, считают, что контур хорошо пропускает колебания тогда, когда их амплитуда уменьшается не более, чем на 30% по сравнению с амплитудой при резонансе. Полосу пропускания контура иногда называют также шириной кривой резонанса. Качество контура влияет на форму резонансной кривой. Из этого рисунка видно, что чем ниже качество контура, тем больше его полоса пропускания. Кроме того, полоса пропускания получается больше при более высокой резонансной частоте контура.

Зависимость полосы пропускания контура от его затухания или добротности Q дается следующей простой формулой

Например, контур, настроенный на частоту fо = 2000 кГц и обладающий затуханием? = 0,01, имеет полосу пропускания Ппр =0,01 * 2000 = 20 кГц.

Как видно, для получения узкой полосы пропускания необходимо применять контур с высокой добротностью, а для широкой полосы добротность, либо работать на весьма высокой резонансной частоте.

Из приведенной формулы следует, что fo = Q * Ппp. Так как у контура среднего качества Q не менее 20, то рабочая частота должна не менее, чем в 20 раз, превышать полосу пропускания. Например, телевизионную передачу, для которой Ппр составляет несколько мегагерц, нужно вести на частотах не ниже нескольких десятков мегагерц, т.е. на ультракоротких волнах.

Желательно, чтобы контур имел полосу пропускания соответствующую полосе частот, которая характерна для данного вида передачи. Если полоса пропускания меньше, то получатся искажения за счет плохого пропускания некоторых колебаний. Более широкая полоса нежелательна, так как могут быть помехи от сигналов радиостанций, работающих на соседних частотах.

Если необходима широкая полоса пропускания, то приходится часто применять контуры с низкой добротностью. Добротность контура снижается, а полоса пропускания увеличивается, если параллельно контуру присоединяют активное сопротивление R, называемое шунтирующим (рис.2). Действительно, переменное напряжение U, имеющееся на контуре, приложено к сопротивлению R и создает в нем ток. Следовательно, в этом сопротивлении будет расходоваться мощность. Чем меньше сопротивление R, тем больше в нем потери мощности и тем больше затухание контура. Если сопротивление R будет очень малым, то оно замкнет накоротко один из элементов контура (конденсатор на (рис.2 а) или весь контур (рис.2 б). Тогда контур вообще не сможет работать как колебательная система и проявлять свои резонансные свойства.

Рис.1 — Шунтирование контура активным сопротивлением

Шунтирование контура активным сопротивлением делают иногда специально с целью расширения полосы пропускания. Кроме того, подобное шунтирование существует вследствие того, что контур соединен с другими деталями и цепями. За счет этого происходит нежелательное ухудшение качества контура.

Внутреннее сопротивление генератора, питающего параллельный контур, также влияет на добротность контура и его полосу пропускания. Это можно легко объяснить следующим образом.

Пусть генератор в какой-то момент прекратил свое действие. Тогда колебания в контуре станут затухать, а внутреннее сопротивление генератора, присоединенного к контуру, будет играть роль шунтирующего сопротивления, увеличивающего затухание.

Чем больше Ri генератора, тем слабее его влияние, а значит, кривая резонанса контура острее и его полоса пропускания меньше, т.е. резонансные свойства контура выражены резче. При малом Ri генератора добротность контура настолько снижается и полоса пропускания становится такой широкой, что резонансные свойства у контура практически отсутствуют.

К подобному выводу о влиянии Ri генератора мы пришли уже ранее при рассмотрении работы параллельного контура.

Полоса пропускания - это непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает некоторый заранее заданный предел. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений.

Рис. 1. Полосы пропускания линий связи и популярные частотные диапазоны

Часто граничными частотами считаются частоты, на которых мощность выходного сигнала уменьшается в два раза по отношению к входному, что соответствует затуханию в - 3 дБ.

Как мы увидим далее, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. На рис. 1 показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.

Пропускная способность линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных, которая может быть достигнута на этой линии. Особенностью пропускной способности является то, что, с одной стороны, эта характеристика зависит от параметров физической среды, а с другой - определяется способом передачи данных. Следовательно, нельзя говорить о пропускной способности линии связи до того, как для нее определен протокол физического уровня.

Например, поскольку для цифровых линий всегда определен протокол физического уровня, задающий битовую скорость передачи данных, то для них всегда известна и пропускная способность - 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.

В тех же случаях, когда только предстоит выбрать, какой из множества существующих протоколов использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристики линии, такие как полоса пропускания, перекрестные наводки, помехоустойчивость и др.

Пропускная способность, как и скорость передачи данных, измеряется в битах в секунду (бит/с), а также в производных единицах, таких как килобиты в секунду (Кбит/с) и т. д.

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как затухание и полоса пропускания, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи, и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис. 2 а). Если же значимые гармоники выходят,за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал начнет значительно искажаться, и приемник будет ошибаться при распознавании информации (рис. 2 б).

Очень часто, общаясь с ИТ-специалистами, в медленной работе корпоративных приложений обвиняют сетевой департамент или узкие каналы связи. Самое простое решение всех проблем — больше пропускной способности (шире канал) и меньше левых приложений в канале (меньше конкурентов за полосу) и тогда все будет летать. Конечно, надо обращать внимание и на чистоту каналов связи и их использование, но это не единственные параметры. Самым простым решением для оценки состояния каналов являются Flow технологии и корреляция данных между производительностью ключевого приложения и данных с NetFlow (jFlow, Sflow и т. д.).

В сетях передачи данных, задержки — это жизненный факт. Понимая их природу, можно уменьшить отрицательный эффект, повысив тем самым качество связи. Сетевые задержки определены стандартами ITU и должны укладываться в определенные пределы:

Последовательный принцип передачи пакетов по каналу связи вносит задержки. Задержка при передаче информации от одного пользователя другому состоят из нескольких составляющих и их можно разделить на два больших класса — фиксированные и переменные.

К переменным задержкам относятся в основном задержка в очередях на каждом из узлов сети: маршрутизатор, коммутатор, сетевой адаптер. К фиксированным - задержка пакетирования, последовательная задержка, задержка кодека (для видео или аудио). Средой передачи может служить медная пара, волоконно-оптический кабель или эфир. При этом величина задержки зависит от тактовой частоты и, в гораздо меньшей степени, от скорости света в среде передачи.

В документации Cisco есть вот такая таблица, которая позволяет оценить последовательную задержку в зависимости от длины пакетов и ширины канала связи:

Для передачи кадра длиной 1518 байт (максимальная длина для Ethernet) по каналу 64-кбит/сек последовательная задержка достигает 185 мс. Если по тому же каналу передавать пакеты длиной 64 байт, задержка составит всего 8 мс, т. е. чем короче пакет, тем быстрее он достигнет приемной стороны. Поэтому для передачи голоса используются короткие UDP пакеты, которые позволяют минимизировать величину задержки, а разработчики оборудования для передачи данных, напротив, стремятся к увеличению длины кадров для снижения объема служебного трафика. Для расчёта последовательной задержки можно воспользоваться формулой:

Последовательная задержка = ((кол-во байт для отправки или получения) x (8 бит))/ (самую медленную скорость в канале)

Например, последовательная задержка для отправки 100 Кбайт и получения 1 Мбайт по каналу 2 Мбит/сек составит:

Передача: (100,000 * 8) / 2,048,000 = 390 мсек

Прием: (1,024,000 *8) / 2,048,000 = 4000 мсек

Конечно, последовательная задержка это один из компонентов и на каждый из потоков будет дополнительно оказывать влияние задержка в каналах связи, джиттер и т.д. Данная формула покажет идеальную картину, когда за канал связи не борются другие пользователи или приложения. Это можно увидеть на диаграмме, которая показывает реальную скорость канала связи при передаче 200 Кбайтного файла по протоколу FTP и каналу 10 Мбит/сек.

Мы видим, что скорость в процессе передачи не постоянна. Так как сеть - среда разделяемая, то пакеты по мере передачи по сети попадают в очереди, теряются, активируется алгоритм контроля доступа к среде, который мешает одному пользователю захватить весь канал связи. Все это оказывает влияние на скорость передачи и как следствие на скорость работы приложения.

Как увеличить скорость работы приложений, не изменяя ширину полосы пропускания канала связи?

Естественно, самый простой выход - увеличить ширину канала связи, но иногда это не возможно или стоит очень дорого для корпоративных клиентов. В таком случае логично уменьшить объем данных, передаваемых в канале связи. Уменьшить объем можно несколькими способами. Сжатие данных, использование тонких клиентов, кеширование, использование решений для оптимизации трафика - это позволяет иногда добиться сокращения трафика от 2 до 5 раз (разные приложения ужимаются по-разному).

Также можно, понять структуру трафика и как реально используется канал связи с помощью Flow технологий и далее путем приоритезации трафика сократить возможные потери пакетов и рост очередей в активном оборудовании.