КАНАЛЫ СВЯЗИ

— 1) Совокупность технических устройств, обеспечивающих независимую передачу сообщений от передатчика к приемнику по физической линии связи. Линия связи представляет собой среду, в которой распространяются сигналы от передатчика к приемнику. По ней организуется одновременная передача нескольких независимых сообщений, каждое из которых следует по своему каналу. На одной линии каналов может быть очень много.

Схема многоканальной линии связи.

Каналы, по которым связь осуществляется только в одном направлении, наз. односторонними или симплексными, каналы с одновременной двухсторонней связью в прямом и обратном направлении — дуплексными.

К. с. совместно с отправителем и получателем образуют систему связи (рис.). Независимые сообщения многоканальной системы связи от N источников (отправителей) подаются на входы передатчиков и там преобразуются в соответствующие этим сообщениям сигналы Сигналы всех передатчиков поступают в линию связи. С выхода линии связи смесь сигналов всех N каналов поступает на входы приемников, там эти сигналы разделяются спец. разделительными устройствами (селекторами), преобразуются в сообщения и выдаются получателю. Операция преобразования сообщения в сигнал наз. модуляцией сигнала, а обратное преобразование — демодуляцией сигнала. При частотном способе разделения сигналы различных каналов размещаются в неперекрещивающихся частотных полосах и разделяются при помощи набора полосовых фильтров, каждый из которых пропускает полосу частот своего канала; при временном — передача осуществляется так, что элементы сигнала, принадлежащего данному каналу, передаются в определенные промежутки времени, свободные от передачи сигналов других каналов, а для разделения сигналов на приемном конце устанавливается коммутатор, работающий синхронно с распределителем на передающем конце.

Наиболее важные характеристики К. с.: степень искажений, которым подвергается передаваемый сигнал, уровень помех в канале и затухание сигнала. Линейные искажения состоят из частотных и фазовых, они определяются переходной характеристикой канала или, что эквивалентно, комплексным коэффициентом передачи канала. Для уменьшения фазовых искажений в К. с. включают фазокорректирующие цепи. Нелинейные искажения возникают в результате действия нелинейных элементов и узлов (дроссели и трансформаторы с сердечниками, усилители, окислившиеся контакты и др.). При наличии нелинейных искажений в составе сигнала появляются высшие гармонические составляющие и комбинационные частоты.

В результате воздействия помех сигнал искажается и условия разделения сигналов ухудшаются. Источниками синусоидальных, импульсных и флуктуационных помех являются соседние передатчики, пром. установки, линии электропередачи, атмосферные помехи, внутренние шумы в аппаратуре связи и др. Помехи в реальных системах связи ограничивают нижний уровень мощности сигнала и достоверность (надежность) связи.

Затухание К. с. определяется потерей мощности сигналов в нем (уменьшением уровня мощности сигнала), оно измеряется в децибеллах и определяется выражением где — мощность в начале канала при идеальном согласовании канала с передатчиком, мощность на выходе реального канала.

По характеру передаваемых сообщений К. с. разделяют на телеграфные, телефонные, фототелеграфные, радиовещания, телевизионные, телемеханические, передачи данных, радиолокационные и др. Они различаются гл. обр. диапазоном и полосой частот. Воздушные линии выполняются биметаллическими, медными, а в некоторых случаях стальными проводами. По линии с биметаллическими проводами (стальной провод, покрытый слоем меди) можно передавать сигналы до Это позволяет организовать 15 высокочастотных каналов по одной паре проводов. Одним из осн. средств проводной связи являются кабели с симметричными парами. В кабельных линиях используется система уплотнения, позволяющая создавать 24 телефонных канала при диапазоне частот до или 60 каналов с верхним диапазоном частот до По коаксиальным кабелям можно передавать высокие частоты вплоть до это позволяет создавать до 2700 телефонных каналов или 1200 телефонных и один телевизионный канал. К числу проводных линий следует отнести и системы с передачей сигналов связи по линиям электрической передачи (ЛЭП). К. с., построенные на этих линиях, используются в энергосистемах для диспетчерской телефонной связи, телеметрии, телеуправления и релейной защиты.

Для создания К. с. широко используются радио- и радиорелейные линии. В последних связь осуществляется на сверхвысоких частотах в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн, где имеется возможность выделить широкие полосы частот и разместить большое число каналов. В многостволовой системе радиорелейной связи, содержащей до 8 стволов, создают на каждом из них 2220 телефонных каналов или 700 телефонных и один телевизионный канал. Значительное увеличение числа К. с. достигается при работе в более высокочастотном диапазоне. Поэтому для создания К. с. начинают использовать волноводные линии, по которым можно передавать частоты до гц. Очень широкие возможности открываются при использовании для построения систем связи оптического и ультрафиолетового диапазонов волн.

2) В теории информации передачи К. с. наз. математическое описание рассмотренных выше реальных (физических) К. с. Одно из общепринятых матем. определений К. с. с дискретным временем основывается на следующих положениях.

а) Задается монотонно возрастающая последовательность действительных чисел называемых моментами передачи, т. е. предполагается, что передача сигнала ведется по К. с. в отдельные наперед заданные моменты времени При этом считают, что сигналу, поступившему на вход канала в момент соответствует сигнал на выходе канала, полученный в тот же момент . В реальных (физических) К. с. передача сигнала никогда не происходит мгновенно, а имеет некоторую конечную длительность. Поэтому матем. модель К. с. с дискретным временем более всего приспособлена для описания тех реальных К. с., в которых передача ведется на отдельных непересекающихся отрезках времени.

б) Считаются заданными пространства У и У значений сигналов на входе и выходе канала соответственно. Для того, чтобы матем. модель К. с. служила описанием для возможно большего числа различных физ. К. с., естественно считать, что пространство значений сигнала на входе канала в каждый момент передачи и пространство значений сигнала на выходе канала в тот же момент времени являются произвольными мн-вами У и У.

Примером канала, где У и У не совпадают, может служить канал со стиранием, в котором в результате действия шумов передаваемый по каналу сигнал может быть настолько искажен, что его нельзя отождествить с достаточной степенью уверенности ни с одним из возможных значений сигнала на входе (т. е. в результате передачи по каналу сигнал «стирается»). По сравнению с пространством значений У сигнала на входе пространство значений У сигнала на выходе для канала со стиранием содержит дополнительное значение, которое соответствует «стиранию» сигнала при передаче. Возможны такие случаи, когда

сигнал на входе принимает конечное или счетное число значений, а сигнал на выходе может принимать любое действительное значение (случай т. н. полунепрерывных каналов). Так будет, если сигнал на входе принимает, напр., всего два значения а во время передачи на него воздействует аддитивный шум, являющийся в момент случайной величиной принимающей любые действительные значения.

в) В любых физически реальных К. с. в передачу по тем или иным причинам вкрадываются погрешности, которые приводят к тому, что сигнал на выходе канала, вообще говоря, отличается от сигнала на входе канала. Математически такие погрешности в каналах описываются заданием системы переходных вероятностей где , а произвольное мн-во -мерных векторов , где , являющихся при любых условными распределениями в пространстве -мерных векторов значений сигналов на выходе канала, при условии, что были переданы сигналы Эта система переходных вероятностей должна удовлетворять двум естественным ограничениям. Первое из них наз. требованием отсутствия предвосхищения. Его наглядный смысл состоит в том, что статистические свойства значений сигналов на выходе, появившихся до некоторого момента времени t, целиком определяются сигналами на входе до момента и не зависят от значений сигналов, передаваемых после момента t. Второе ограничение состоит в требовании согласованности условных распределений, состоящем в том, что условное распределение сигнала на выходе в моменты вычисленное по условному распределению вероятностей сигнала на выходе в моменты и в соответствии с требованием отсутствия предвосхищения, не зависящее от должно совпадать с заданным условным распределением для сигналов в моменты .

г) Реальные сигналы, передаваемые по К. с., всегда подчиняются некоторым ограничениям (напр., ограничены мощность передатчика и приемника, напряжение электрических сетей и т. п.). Существуют разные способы матем. отражения этих ограничений, однако, матем. теория оказывается существенно более простой, если предполагать, что ограничения накладываются не на пространство значений сигнала, а на его статистические свойства. Наиболее общий способ введения таких ограничений задается с помощью некоторых распределений вероятностей на мн-ве отрезков входных сигналов длины , т. е. на пространстве -мерных векторов , где . Примером такого ограничения может быть часто используемое требование, чтобы распределения вероятностей сигналов на входе являющихся последовательностью случайных величин, соответствующих моментам передачи удовлетворяли неравенству называемому ограничением на мощность сигнала на входе в каждый момент времени. Часто используется также неравенство вида — называемое ограничением на среднюю мощность сигнала.

Данное выше определение К. с. с дискретным временем обобщается и на К. с. с непрерывным временем, т. е. на случай, когда передача ведется во все моменты времени . В непрерывном К. с. сигналы на входе и выходе являются случайными процессами с непрерывным временем. Кроме того, так же, как и для К. с. с дискретным временем, должна быть задана система допустимых распределений на пространстве значений сигнала на входе канала в каждый момент времени .

К наиболее важным классам К. с. принадлежат следующие каналы (даваемые ниже определения для К. с. с дискретным временем в большинстве случаев естественным образом обобщаются и на каналы с непрерывным временем). Стационарный канал без памяти с конечным числом сигналов на входе и на выходе полностью определяется матрицей переходных вероятностей где вероятность того, что сигнал на входе канала перейдет в результате передачи по каналу в сигнал на выходе канала. При этом имеет место равенство

означающее, что каждый передаваемый по каналу сигнал искажается независимо от всех других передаваемых сигналов (т. е. у канала отсутствует память).

Чаще всего рассматриваются симметричные каналы без памяти, для которых число символов на выходе совпадает с числом символов на входе, а матрица такова, что

Примерами каналов с непрерывным пространством сигналов на входе и выходе служат гауссовские каналы, в которых сигнал на входе в момент равен сумме где значения

сигналов на входе канала, гауссовская случайная последовательность, не зависящая от неслучайные числа. В частности, если компоненты аддитивного шума не зависимы, то гауссовский канал с дискретным временем является каналом без памяти.

Интенсивно изучаются К. с. с обратной связью. Наличие полной обратной связи означает, что на входе канала в момент t считаются известными не только значения входных сигналов до момента t, но и значения сигналов на выходе для всех моментов Каналы с обратной связью можно интерпретировать как каналы, в которых наряду с передачей (с ошибками) в прямом направлении возможна и передача, безошибочная в обратном направлении. Наличие обратной связи в большинстве случаев позволяет улучшить осн. характеристики передачи в прямом направлении.

Из других обобщений К. с. следует отметить К. с. с ошибками синхронизации. В таких К. с. могут происходить вставки и выпадения символов так, что в результате передачи каждому символу на входе канала соответствует группа символов на выходе канала случайной (быть может и нулевой) длины, причем на выходе канала невозможно установить, какому входному символу соответствует данный выходной символ. В качестве последнего примера обобщений приведенного определения К. с. надо отметить двусторонние К. с., в которых имеются два встречных потока информации, причем источник сообщений одного потока совмещен с получателем сообщений другого потока.

Математически двусторонний К. с. без памяти можно описать совокупностью переходных вероятностей где соответственно входные и выходные сигналы на первом, а на втором конце канала, — вероятностей, задающих вероятности появления выходных сигналов на соответствующих концах канала, при условии, что входными сигналами на соответствующих концах канала были

Лит. Харкевич А. А. Очерки общей теории связи. М., 1955 [библиогр. с.265-266]; Босый Н. Д. Каналы связи. К., 1963 [библиогр. с. 387—388].

А. М. Лучук, Р. Л. Добурушин, В. В. Прелое.