Каналы связи

Канал связи — это система, которая объединяет передатчик, среду распространения сигнала и приёмник.

Каналы связи характеризуются техническими параметрами приёмника, передатчика и теми условиями среды распространения, по которому проходит радиосигнал. Таким образом, каналы связи описываются непосредственно тем диапазоном частот, который в них используется, например, длинноволновые каналы связи, где длина волны может быть километры и сотни метров. Такие частоты используются для связи с подводными лодками, или их использует служба точного времени, так как волны настолько большие, что могут огибать большие препятствия, такие как дома, деревья, небольшие горки и распространяться вдоль земной поверхности практически без затухания. Но такие волны достаточно сложно сгенерировать.

Вообще, чем длиннее волна, тем сложнее её сгенерировать, чем короче волна, тем легче она отрывается от передающей антенны.

Дециметровые волны используются в коротковолновой связи, это радио, которое мы слышим в коротковолновом диапазоне. Эти волны, распространяясь, могут отражаться от верхней атмосферы (ионосферы) и распространяться дальше в канале, который образует с нижней стороны поверхность Земли, а с верхней — ионосфера (это заряженная среда от высот 100 км и выше).

Если мы говорим про волны с длиной волны размером от десяти метров до десятков сантиметров — это ультракоротковолновый диапазон (УКВ) — в этом диапазоне работают некоторые радиостанции системы радиолокации, спутниковой связи. Например, на частоте 121 МГц Международная космическая станция, которая летает вокруг Земли на высоте около 400 километров, передаёт свою телеметрию на наземные пункты. Так что этот диапазон тоже активно используется.

Также активно используется сантиметровый диапазон длин волн, это уже частоты единиц и десятков гигагерц, которые используются в спутниковой связи. GPS, ГЛОНАСС, BeiDou — системы глобального позиционирования, которые используют этот диапазон.

То есть каналы связи можно чётко разделить по тем диапазонам частот, в которых они работают. И в каждом диапазоне частот есть свои преимущества и недостатки. Например, если мы говорим про сантиметровый диапазон, то волна распространяется по прямой, и если необходимо передать сигнал на большое расстояние, то нужно будет ставить ряд ретрансляторов по поверхности Земли так, чтобы они могли по цепочке передать сообщение, то есть необходимы дополнительные затраты. В отличие от коротковолновой связи, в которой в качестве природного ретранслятора, как упоминалось ранее, используется ионосфера Земли. Ионосфера — это верхняя часть атмосферы Земли, которая содержит свободные электроны и соответственно является хорошим естественным зеркалом для отражения коротковолновых длин волн.

Также каналы связи можно характеризовать по тому, какая модуляция используется при передачи сигналов. Это может быть частотная модуляция, фазовая модуляция, амплитудная модуляция и так далее, фактически выбирается та физическая величина в сигнале (амплитуда, фаза или частота), которая будет нести в себе информационную составляющую.

Также каналы связи можно разделить по тому диапазону частот, который используется. Например, на узкодиапазонные и широкодиапазонные каналы. В зависимости от того насколько широкая выбрана полоса передачи данных, настолько велика и скорость передачи данных, то есть если узкополосный канал, то и скорость передачи данных будет невелика, чем больше полоса, тем больше информации можно передать в единицу времени.

Также каналы связи можно характеризовать по помехоустойчивости или надёжности, соответственно это определяется тем помехоустойчивым кодом, который используется, насколько он избыточен, какая схема кодирования выбрана (блочные коды, свёрточные коды или турбокоды). В зависимости от того, что использовано, это тоже является характеристикой канала связи. Если на стороне передатчика устройство кодирования использует коды Рида-Соломона, то соответственно на стороне приёмника декодер должен использовать ту же самую систему декодирования.

Таким образом, любая характеристика приёмо-передающего тракта и канала связи, диапазона частот является и характеристикой всего канала в целом. Фактически если перечислить все эти характеристики, то вы будете знать, как этот канал работает, как в нём передаются данные, и понимать слабые и сильные его стороны.

Например, мы уже говорили про высокочастотные каналы, там большая скорость передачи данных, здесь меньше дисперсия, скажем так, сигнала, связанная с атмосферой, но, c другой стороны, данные высокие частоты, скажем от 10 ГГц и выше, уже претерпевает достаточно сильное изменение в атмосфере, они уже достаточно хорошо поглощаются, и это необходимо учитывать.

Так что каналы связи бывают самыми разными, характеризуются как техническими характеристиками передатчика, приёмника, так и непосредственно самой средой распространения.

Давайте проследим, как передаётся наша информация по каналу связи от начала до конца. Пусть некоторый источник информации подготовил данные, которые нам необходимо передать. Эти данные, например, какое-то сообщение, необходимо оцифровать — это первый этап. Нам необходимо оцифровать сообщение, чтобы передать их по каналу связи.

Сейчас я говорю про современные каналы связи, конечно, есть аналоговые, где можно этот этап пропустить, но тем не менее давайте его рассмотрим.

Сначала сообщение необходимо оцифровать, мы подготавливаем это сообщение. Дальше тот сигнал, сообщение в цифровом виде, перед отправкой желательно сжать, чтобы объём передаваемых данных был как можно меньше. Для этого можно использовать различные варианты алгоритмов, которые позволяют сжимать информацию или архивировать. После того как информацию сжали, её можно, например, разбить на блоки для того, чтобы на приёмном конце убедиться, что все блоки пришли и потерь нет. После этого, информацию иногда ещё перемешивают, чтобы если вдруг возникла какая-то большая блочная ошибка, то при обратном процессе восстановления, когда мы данные поставим на свои места, чтобы наши ошибки “разбежались” по всему сообщению и были независимы. После этого данные можно закодировать каким-то помехоустойчивым кодом, и дальше передать уже таким образом подготовленную информацию передатчику.

На стороне передатчика соответствующего устройства некоторый модулятор преобразует данные, которые вы подготовили, в некоторый сигнал, и фактически будут предаваться уже именно биты. Мы работаем, когда передаём данные, именно с битами. В данном случае может быть использована либо амплитудная, либо частотная, либо какая-то фазовая модуляция, либо какие-то другие более сложные виды модуляции, и сигнал, уже переведённый в аналоговый вид, непосредственно поступает в антенну в виде колебаний электрического тока и дальше излучается.

Радиоволна проходит атмосферу, в которой могут быть различные неоднородности. Если мы говорим про спутниковые каналы связи, то на пути нашей радиоволны встречаются заряженная верхняя атмосфера, которая находится в магнитном поле Земли, в этой атмосфере есть различные неоднородности различного масштаба, которые также могут влиять на сигнал. В сигнале, прошедшем через такую среду, из-за неоднородностей, которые ему встретились на пути распространения, могут возникнуть различные искажения, какие-то мерцания, может наблюдаться поглощение.

Когда сигнал прошёл через среду распространения, он попадает на приёмную антенну. Но на приёмную антенну, конечно, попадает не только тот сигнал, который мы передаём — не только полезный сигнал — приёмная антенна может регистрировать и какие-то другие источники сигнала. Например, мощным источником сигнала, который чувствуется практически во всём диапазоне частот — это молниевые разряды, какие-то такие мощные короткие импульсы. Это может быть какой-то шум, например, от Солнца. Если Солнце находится где-то в основном лепестке диаграммы направленности приёмной антенны, то достаточно сильная помеха может быть связана как раз с Солнцем. Или когда, например, проходит через диаграмму направленности центр нашей галактики Водолей, вот тогда тоже могут возникнуть серьезные наводки и помехи.

Дальше наш сигнал  каким образом путешествует: в данном случае он уже преобразован в колебания электрического тока, который поступает на демодулятор, который, в свою очередь, занимается тем, что выделяет именно ту информационную часть в сигнале, которая была передана. То есть у нас тот сигнал, который мы излучаем, обязательно излучается на некоторой несущей частоте, и на этой несущей частоте может изменяться, как я уже говорил, либо амплитуда, либо фаза, либо частота, и когда данный сигнал уже на высокой частоте принимается, то системой гетеродинов удаляется рабочая частота, остаётся только информационная.

Дальше наш аналоговый сигнал уже преобразуется в цифровой опять, и на стороне декодера фактически выполняются операции в обратную сторону нежели те, про которые мы говорили на стороне кодера.

Итак, сигнал принимается, по необходимости усиливается, и дальше мы начинаем разворачивать это всё в обратную сторону так: декодируем, перемешиваем в обратную сторону, то есть возвращаем блоки в обратный порядок. Очень популярный в этом смысле такой вариант, когда вы подготавливаете какое-то сообщение в виде блоков. Например, есть четыре блока и каждый блок представляет полоску - ряд бит, но передаёте вы их не построчно, а по столбикам. А на приёмном конце наоборот: эти столбики собираете, поворачиваете и представляете в виде строки. Таким образом, если была какая-то блоковая ошибка, и ряд бит испортился (все биты в ряду претерпели искажения), то когда их разворачиваем, они уже представляют некую мозаику по всему сообщению, а не стоят рядом друг с другом.

Дальше вы анализируете блоки, находите начало блока, конец, берёте данные и собираете из них уже общее сообщение, которое передаётся непосредственно потребителю.

Фактически мы проследили путешествие битов от момента, когда они были сгенерированы источником информации, до непосредственно потребителя.

Для размышления

Подумайте, какие ещё бывают каналы связи и как они могут классифицироваться?

Материалы

• О каналах связи и их характеристиках