Канал связи

Наиболее общее определение понятия имеет исторические корни и обозначает участок полосы электромагнитного спектра, по которому передаются электромагнитные сигналы. Первое и изначально единственное средство разделения и передачи информационных сигналов (радио- и не только) — это деление спектра на диапазоны (мультиплексирование по частоте англ. Frequency Division Multiplexing, FDM). Позднее концепция канала была распространена и на электрические кабельные связи. В настоящее время существует несколько способов канализации, то есть разделения сигналов.

В расширенном смысле, термин «канал» обозначает каждое независимое средство передачи сигнала, обладающее своими характеристиками. Например, если в некоторой системе коммуникации разделяются как по частоте (FDM), так и по времени (мультиплексирование по времени — англ. Time Division Multiplexing, TDM), то каждому участку полосы B и временно́му слоту соответствует отдельный канал. Если каналы получены в результате физического разделения ресурсов, такие каналы называют физическими каналами. Логическими каналами называют независимые информационные потоки, примером могут служить каналы в сотовой связи (GSM): BCCH, SCH, TCH, RACHMS и т. д.

Физические каналы выполняют роль транспортных путей, а логические каналы — это подразделение возможностей передачи, предоставленных физическим каналом. Логические каналы затем отображаются на физические по правилам, определяемым конкретной телекоммуникационной системой. Таким образом, выделение физического канала — это не только способ мультиплексирования, но и, при необходимости, назначение определённой модуляции, кодирование или структуры данных для конкретной ресурсной области.

Для иллюстрации универсальности понятия «канал» его часто сравнивают с трубами: существуют трубы из разных материалов, различных сечений и для разных целей, но суть соединения трубочек — предоставление непрерывного пути для жидкости, то есть принцип остаётся тем же.

Изначально сигналы передавались аналоговым способом, исключительно на базе частотного мультиплексирования, где отсутствовала неоднозначность: физический канал, логический канал и канал в теле-/радиовещательном смысле фактически совпадали.

В общем случае канал передачи или связи может передавать любой тип сигнала. В телекоммуникациях в основном используются непрерывные сигналы, и соответствующая модель называется каналом непрерывных волн: она применима как к аналоговым, так и к цифровым передачам. В отдельных случаях возможно передавать цифровые сигналы (прямоугольные импульсы), но только по кабельным каналам с очень широкой полосой пропускания, например, по оптоволоконным линиям, поскольку такие сигналы имеют большую спектральную ширину и снижают спектральную эффективность передачи. В интерфейсах между компонентами аппаратных электронных систем и в коммуникационных шинах передаются, как правило, цифровые сигналы (битовые потоки).

У каждого канала имеется собственная частотная характеристика, или полоса пропускания, в которой он работает оптимально. Для согласования передачи с полосой канала применяется техника модуляции, осуществляющая перенос (трансляцию) спектра исходного сигнала (базовая полоса) в другую область (смещённая полоса).

Техники множественного доступа/мультиплексирования позволяют организовывать совместное или раздельное использование ресурсов канала для нескольких информационных потоков и/или абонентов.

В цифровых системах связи кодирование источника обеспечивает сжатие информации и уменьшение требуемой полосы пропускания, повышая эффективность использования канала, а канальное кодирование вводит избыточность для обнаружения и исправления ошибок в передаче. Для защиты данных часто используется также криптографическое кодирование, чтобы предотвратить раскрытие информации при передаче по общедоступному каналу.

Все методы обработки сигнала в передающей цепи призваны максимально эффективно адаптировать сигнал к каналу, компенсировать нежелательные искажения и повысить надёжность, то есть информационная целостность (корректность данных) и конфиденциальность, при условии, что обратные или дополняющие действия осуществляются и на приёме (за исключением фильтрации, усиления, эквализации).

В телекоммуникациях различают три типа каналов передачи:

• Broadcast — широковещательный: получатели — все, кто может принять сигнал (типичное точка — всем);
• Multicast — групповая передача: получатели — часть абонентов, подсеть (точка — группе);
• Unicast — точечная передача: получатель — только один абонент (точка — точка, англ. point-to-point).

Разделение этих видов связи хорошо известно в области информационных технологий; например, говоря о broadcast-канале, подразумевают задачи радиотрансляции.

В вычислительной технике по способу передачи выделяют:

• последовательную (serial);
• параллельную (parallel).

Системный (логико-функциональный и поведенческий) аспект рассмотрения приводит к трактовке канала связи как системы или «чёрного ящика» (модель «чёрного ящика»), на вход которого подаётся сигнал x(t), а на выходе возникает сигнал y(t). В случае линейного канала его поведение описывается импульсной характеристикой h(t), передаточной функцией H(s) и частотной характеристикой H(f). Для радиоканала эти функции, как правило, случайно изменяются во времени из-за нестабильности условий радиораспространения. Ширина полосы частот частотной характеристики определяет полосу пропускания B канала, а её форма — степень искажения входного сигнала x(t). К этим параметрам добавляются затухание и время распространения сигнала, вызывающее фазовые сдвиги между приёмом и несущим сигналом; эти параметры входят в функцию передачи.

Идеальный канал передачи должен иметь ширину полосы, достаточную для полного размещения спектра информационного сигнала без искажений (воспроизведение в точности), и обеспечивать передачу сигнала на любые расстояния без ухудшения его мощности. Реальные каналы всегда имеют факторы деградации: затухание, полосовые искажения и шум. Если канал вызывает частотные искажения, его называют дисперсионным: при этом разные частоты испытывают разную степень затухания (амплитудная искажённость) или фазовых сдвигов (фазовая искажённость, расширение спектра).

В реальных каналах к передаваемому сигналу x(t) всегда добавляется шум n(t) — случайная компонента, делающая поведение канала стохастическим. Наиболее часто воздействует тепловой шум (результат движения молекул носителя сигнала). Присутствие шума порождает искажения, и вместе с собственными искажениями канала может привести к нарушению передаваемой формы сигнала и содержимого информации — как в аналоговых, так и в цифровых передающих системах, где ошибочная декодировка вызвана, в том числе, межсимвольными помехами. Современные ресиверы с помощью децизоров пытаются восстановить оригинальный сигнал, оценивая и устраняя ошибки (FEC), либо запрашивая повторную передачу (ARQ).

Другим источником искажений сигнала выступает интерференция — воздействие других, не относящихся к полезной информации сигналов в рабочей полосе канала.

В зависимости от типа канала возможны и нелинейные искажения, зависящие от мощности передаваемого сигнала, наиболее характерное проявление которых — интермодуляция, разновидность нелинейных искажений.

С логической точки зрения, каналы моделируют различными способами по сценарию передачи, но из-за стохастичности шума каналы обычно описывают стохастическими моделями. Примеры: канал с аддитивным белым гауссовским шумом (AWGN), LOS, Rayleigh и др.

В цифровых каналах, если рассматривать только физический канал — участок между модулятором и демодулятором — это канал непрерывных волн (на входе и выходе аналоговые сигналы); если учитывать сигнал на входе и выходе модулятора/демодулятора — это дискретный канал (цифровой поток).

С точки зрения передачи выделяют:

• симплекс — односторонняя связь (например, радиовещание, телевещание);
• полудуплекс — двусторонняя связь, но поочерёдно (например, рация);
• полнодуплекс — одновременная двусторонняя связь между двумя абонентами (например, телефон).

Протоколы связи используют дисциплины обмена One Way, Two Way Alternate или Two Way Simultaneous.

В цифровой связи только физический канал между модулятором и демодулятором называют каналом непрерывных волн (аналоговые сигналы на входе и выходе). Если учитывать и работу модулятора/демодулятора, говорят о дискретном канале (цифровые сигналы на входе и выходе).

Главные ресурсы канала — полоса пропускания, время доступности t, максимальная мощность передаваемого сигнала без создания помех и/или повреждения среды передачи. Ресурсы всегда ограничены, поэтому их необходимо использовать рационально и эффективно. Если канал разделяется между несколькими пользователями, применяют методы множественного доступа или мультиплексирования для обеспечения справедливого (fairness) доступа к ресурсу. Качественные показатели канала — скорость передачи данных (бит/с), спектральная эффективность, коэффициент шума, вероятность ошибки передачи Pb или BER, а также кроссток.

Все перечисленные параметры подлежат измерению для оценки свойств и работоспособности канала. Используются приборы типа осциллограф, спектроанализатор, оборудование и методики для измерения затухания, искажения, полосы пропускания, шума, отношения сигнал/шум (SNR), BER и других.

В физическом смысле термин «канал» обычно обозначает среду кабельной передачи (линия передачи, витая пара, волновод, оптическое волокно), соединяющую передатчики и приёмники для физической дистанционной передачи информации сигналами, либо, шире, среду распространения (радиосреда) для радиосвязи.