23734

Амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания, затухание и пропускная способность

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Волоконно-оптический кабель также искажает передаваемый сигнал, что обусловлено различным временем распространения мод и наличием частотной зависимости показателя преломления материала оптического кабеля.

Русский

2014-10-12

176 KB

17 чел.

Лекция 3.

Амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания, затухание и пропускная способность

Параметры любой физической линии связи отличаются от идеальных. Вследствие этого линия связи искажает передаваемые сигналы

В частности, если рассматривать электрический кабель, он представляет собой распределенную комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки, как показано на рисунке 6..

Рисунок 6. Модель электрического кабеля

Волоконно-оптический кабель также искажает передаваемый сигнал, что обусловлено различным временем распространения мод и наличием частотной зависимости показателя преломления материала оптического кабеля.

Затухание сигнала в линии

Затухание определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала на определенной частоте.

Измеряется в децибелах и вычисляется по формуле:

A = 10log10 Pвых/Pвх.

Будет ли затухание на нулевой частоте?

Почему?

Амплитудно-частотная характеристика и полоса пропускания.

Одним из основных параметров, по которому осуществляют оценку качества передачи сигнала по линии связи, является амплитудно-частотная характеристика линии (Рисунок 7.). Она показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе.

Рисунок 7. Амплитудно-частотная характеристика линии связи

По АЧХ можно определить какое затухание претерпевают гармоники сигнала, проходя по линии связи. Если известна АЧХ и спектр входного сигнала, то можно без труда определить спектр выходного сигнала.

Как может повлиять на качество сигнала искажение АЧХ.

Например.

1. Передается речь - изменится тембр голоса.

2. Передается импульсный сигнал – произойдет искажение цифрового сигнала, как показано на рисунке 8. .

Рисунок 8. Искажение цифрового сигнала

Однако на практике достаточно трудно измерять АЧХ линии связи.

Например.

Проложен коаксиальный кабель неизвестной длины и конфигурации. Чтобы определить его частотную характеристику, необходимо осуществить тестирование на прохождение эталонных синусоид во всем рабочем диапазоне частот, что бывает достаточно трудоемко. Поэтому пользуются такой характеристикой, как полоса пропускания. Знание полосы пропускания позволяет получить приближенный результат.

АЧХ, полоса пропускания и затухание являются универсальными характеристиками, по которым можно судить как будут передаваться сигналы по линии связи.

На рисунке 9 приведены полосы пропускания линий связи.


Рисунок 9 Полосы пропускания линий связи

Пропускная способность линии связи.

Характеризует максимально возможную скорость передачи данных.

Измеряется в бит/с, кбит/с, Мбит/с, Гбит/с.

Зависит не только от АЧХ линии, но и от спектра передаваемого сигнала.

Если гармоники сигнала попадают в полосу пропускания линии (Рисунок 10.), то такой сигнал будет передаваться без искажений и приемник будет правильно распознавать информацию, отправленную передатчиком. Если гармоники выходят за границы частотной характеристики, то сигнал будет искажаться, приемник будет ошибаться при распознавании информации, следовательно, информация не будет передаваться с заданной пропускной способностью.

В случае если полоса частот спектра сигнала выходит за полосу пропускания линии, сигнал будет искажаться, приемник будет ошибаться при распознавании информации. Следовательно, информация не будет передаваться с заданной скоростью.

Связь между пропускной способностью линии и ее полосой пропускания

Согласно теории информации любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию.

Если сигнал изменяется предсказуемо, следовательно, он не несет в себе никакой информации.

Например.

1. Синусоида не несет в себе никакой информации, если у нее не изменяются амплитуда, частота или фаза.

2. Последовательность прямоугольных импульсов также не несет в себе никакой информации.

Чтобы передать информацию по линии связи используют физическое кодирование.

Изменение амплитуды, фазы или частоты синусоидального сигнала  - модуляция

Изменение уровня сигнала - цифровое кодирование.

Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации - биту.

Если сигнал имеет несколько различимых состояний, то любое его изменение будет нести несколько бит информации.

Количество изменений параметра несущего периодического сигнала или уровня сигнала в секунду измеряется в бодах.

Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии и тем выше пропускная способность линии.

Но с увеличением частоты увеличивается и ширина спектра сигнала. Чем шире спектр, тем больше искажений претерпевает сигнал и тем вероятнее ошибки, а, значит, скорость передачи информации оказывается меньшей.

Связь между полосой пропускания линии и ее возможной пропускной способностью установил Клод Шеннон:

C = F log 2 (1 + Pc/Pш),

где C - максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F - ширина полосы пропускания в герцах, Pс - мощность сигнала, Pш - мощность шума.

Согласно формуле не существует теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания.

Предел существует практический, поскольку нельзя до бесконечности увеличивать мощность сигнала и уменьшать мощность помех.

Без учета шума в линии пропускная способность определяется по формуле Найквиста:

C = 2 F log 2 M,

где M - количество различимых состояний информационного параметра.

Из формулы следует, что пропускная способность зависит от количества различимых состояний, увеличивая которые можно повышать пропускную способность, передавая за один тактовый интервал более одного бита (Рисунок 11.).

Рисунок 11. Повышение скорости передачи информации за счет увеличения количества различимых состояний информационного параметра.

Хотя формула не учитывает наличие шума, но косвенно это отражается в выборе числа различимых состояний. Для повышения пропускной способности их количество необходимо увеличивать. Но если амплитуда шума начнет превышать разницу между уровнями, то приемник не сможет распознавать передаваемые данные, что приведет к снижению скорости передачи.

Формула Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в тех случае, когда количество состояний уже выбрано с учетом устойчивого распознавания приемником.


1

0.7

A

ых

/A

вх

f

Полоса

пропускания

f

f

Гармоники сигнала

АЧХ

Гармоники сигнала

АЧХ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2736. Реостат и делитель напряжения 158.5 KB
  Реостат и делитель напряжения Приборы и принадлежности: источник тока, два вольтметра, два миллиамперметра, реостат, нагрузочные резисторы. Введение. Реостат – устройство для регулирования тока или напряжения в электрических цепях путем изменен...
2737. Измерение электрического сопротивления одинарным мостом постоянного тока 148 KB
  Измерение электрического сопротивления одинарным мостом постоянного тока (мостом Уитстона) Приборы и принадлежности: реохорд, магазин сопротивлений, источник постоянного тока, гальванометр, два резистора с неизвестным сопротивлением. Введение. Для и...
2738. Гальванометр и его применение 206.5 KB
  Гальванометр и его применение Приборы и принадлежности: источник питания постоянного тока Б5-70, ампервольтметр М2018, реостат, лабораторная панель с гальванометром ЛМ, вольтметром М252, двумя магазинами сопротивлений. Введение. Гальванометрами назы...
2739. Компенсационный метод измерения электрических величин 83 KB
  Компенсационный метод измерения электрических величин Приборы и принадлежности. исследуемый гальванический элемент, нормальный элемент, источник рабочего тока, реохорд, гальванометр, двухполюсный переключатель, магазин сопротивлений...
2740. Зависимость мощности и КПД источника тока от нагрузки 146 KB
  Зависимость мощности и КПД источника тока от нагрузки Приборы и принадлежности. лабораторная панель, два аккумулятора, миллиамперметр, вольтметр, переменные резисторы. Введение. Наиболее широко распространенными источниками постоянного тока явл...
2741. Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников 88 KB
  Изучение температурной зависимости сопротивления металлов и полупроводников Приборы и принадлежности измеряемые образцы, масляная баня, источник постоянного тока к мешалке, универсальный вольтметр РВ7-32. Введение. Как показывает опыт...
2742. Изучение работы полупроводникового диода 106 KB
  Изучение работы полупроводникового диода Приборы и принадлежности: лабораторная панель Полупроводниковый диод, источник постоянного тока Б5-48, универсальный измерительный прибор В7-40, электронный осциллограф. Введение. Кристаллическим...
2743. Определение удельного заряда электрона из вольт-амперной характеристики вакуумного диода 161 KB
  Определение удельного заряда электрона из вольт-амперной характеристики вакуумного диода Приборы и принадлежности лабораторная панель Вакуумный диод, миллиамперметр постоянного тока, стабилизированные источники питания. Введение. Явление термоэле...
2744. Определение удельного заряда электрона методом магнетрона 175.5 KB
  Определение удельного заряда электрона методом магнетрона. Удельным зарядом электрона называется отношение заряда электрона к его массе – е/m. Эту величину можно определить различными экспериментальными методами, в том числе...