...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич (онлайн книга без txt) 📗
Как-то английский писатель Самюэль Бойлер произнес фразу, ставшую впоследствии знаменитой: "Хотя аналогия часто вводит в заблуждение, это наименьшее из того, что вводит нас в заблуждение...". Что ж, последуем совету писателя и перенесемся на... трассу памятного чемпионата мира по автогонкам "Формула-1" 1991 г., и проследим за ходом одной из гонок, а точнее, за тремя ее участниками: бразильцем А. Сенной, французом А. Простом и австрийцем Г. Бергером.
Старт блестяще выиграл француз, он возглавил гонку. Бразилец и австриец поначалу оказались среди большой группы преследователей. Умело и расчетливо проходя виражи на трассе, А. Прост наращивал свое преимущество. К сожалению, Бергера постигла неудача: на своем "Феррари" он не вписался в вираж и вылетел на травяное покрытие, сильно повредив машину.
Продолжить гонку он не смог. Бразилец Сенна к середине гонки "вырвался" из группы и начал преследовать француза. В это время оказалось, что колеса на машине Проста уже были изрядно изношены - им требовалась срочная замена. Француз вынужден был остановиться и заменить покрышки своего "Макларена". Воспользовавшись этой ситуацией, бразилец вышел вперед и, как ни пытался настигнуть его Прост, до конца гонки не упустил лидерство. Победитель показал среднюю скорость 350 км/ч, занявший второе место Прост - 340 км/ч, "неудачник" Бергер - на этапе борьбы - 300 км/ч.
Теперь, когда гонка закончилась, проследим, как изменялись скорости автомобилей участников гонки при прохождении ими трассы. Вот перед нами график изменения скорости автомобиля победителя гонки Сенны. Реальная скорость заметно отличается от средней: на старте она не может мгновенно измениться от нулевой до средней - на это нужно определенное время, при прохождении виражей она заметно колеблется вокруг средней и, наконец, после финиша автомобиль останавливается не сразу - скорость падает до нуля постепенно. Но посмотрите, как удивительно похож этот график на изображение искаженного линией связи импульса. Чем объяснить такое поразительное сходство? Вероятно, тем, что как скорость движения автомобиля по трассе, так и скорость нарастания тока в линии связи не могут изменяться мгновенно, скачком. Вы уже рассматриваете два других графика, вычерченные для автомобилей Проста и Бергера? Ну что же, чуть позже мы тоже обратимся к ним.
А пока вернемся к искажениям формы импульсов и подумаем над тем, к каким последствиям они приведут. На первый взгляд может показаться, что от искажений "пострадают" только те биты, которые несут информацию "Да" или 1: ведь только им соответствуют импульсы тока в цифровом потоке. Однако это не так. Вы видели, что импульсы, искажаясь, "расплываются" во времени, а в некоторые промежутки они принимают даже отрицательные значения. Причем протяженность импульсов во времени полностью зависит только от параметров линии связи: R, L, С и G. Бывают такие линии, в которых каждый импульс "тянется" в десятки раз дольше времени, отведенного на его существование. Происходит весьма неприятное явление: передаваемый импульс накладывается своим длинным "хвостом" на целый десяток соседних импульсов. Но и соседние импульсы тока "не остаются в долгу": они "распускают" свои "хвосты".
Нетрудно сообразить, что в те промежутки времени, когда импульсы в цифровом потоке отсутствуют, теперь за счет многочисленных соседних "хвостов" могут вдруг запросто появиться "незваные гости" - импульсы, которые не передавали. И наоборот, отрицательные "хвосты" могут в сумме достичь такой величины, что они "съедят" (или, если хотите, скомпенсируют) рабочий импульс. Описанные события непредсказуемы и могут наступать неоднократно, потому что чередование импульсов в цифровом потоке происходит случайным образом. Предвидеть заранее, во что сложатся на том или ином временном интервале "хвосты" всех соседних импульсов, просто невозможно. Такой вид искажений, когда к моменту приема последующего символа не успевает закончиться действие нескольких предыдущих символов, специалисты назвали межсимвольной интерференцией (что и означает как раз взаимодействие символов между собой). Межсимвольная интерференция может привести, как мы только что убедились, к неправильному приему информации: вместо переданной 1 может быть принят 0, а вместо 0 принята 1.
Как вы думаете, в каком случае межсимвольная интерференция будет меньше: при высокой скорости цифрового потока или при низкой? Правильный ответ - во втором случае. Действительно, на степень "расплывания" импульсов во времени влияют только параметры линии связи, поэтому при низкой скорости передачи, когда импульсы появляются реже и, следовательно, отстоят друг от друга дальше, их "хвосты" едва дотягиваются до соседних импульсов. При высокой же скорости передачи импульсы следуют гораздо чаще и, "расплываясь", налезают друг на друга. Для каждой линии связи можно подобрать скорость цифрового потока, при которой межсимвольная интерференция будет настолько мала, что с ней можно практически не считаться. Правда, возникает другой вопрос: устраивает ли нас эта скорость? Забегая вперед, скажем, что борьба за повышение скорости передачи информации и в то же время за повышение ее достоверности (а эти требования, как мы видели, являются противоречивыми) всегда была и остается до настоящего времени, пожалуй, самой главной задачей связистов. Какими средствами она решается? Об этом еще будет время поговорить.
Наложение импульсов друг на друга происходит не только в линии из двух проводов. В коаксиальных кабелях, где вместо проводов для передачи цифр используются коаксиальные пары, тоже имеет место интерференция символов, хотя и в меньшей степени, так как у линии такой специальной конструкции индуктивность и емкость значительно меньше. Кстати, это одна из причин, по которой удается передавать по коаксиальным кабелям цифровые потоки с более высокой скоростью, чем по симметричным кабелям, состоящим из проводов.
По оптическому волокну распространяются, как вы помните, световые импульсы. Если передается единичный бит, волокно озаряется короткой вспышкой света, если нулевой бит - волокно остается темным. Скорость передачи его по оптическим волокнам столь велика, что каждая вспышка длится менее миллиардной доли секунды или еще короче. Вы, вероятно, не забыли, что световой поток вводится в торец волокна и распространяется по нему в виде множества лучей. Так как различные лучи затрачивают на "пробег" по волокну разное время, то световые импульсы "размазываются" во времени и громоздятся друг на друга. Но это же и есть межсимвольная интерференция!
Работает в открытом пространстве лазерная линия - световые лучи интерферируют из-за отражения их от неоднородности атмосферы. Выходят биты в "эфир" с помощью радиорелейных и спутниковых линий - УКВ-радиолучи интерферируют из-за неоднородностей ионосферы. Как видите, какое бы "обличие" не принимали биты, спастись от искажений им не удастся. Но это еще не все! Как гласит народная мудрость: пришла беда - отворяй ворота!
Мы обещали вернуться к автогонкам, вернее, к графикам изменения скоростей автомобилей во время прохождения автогонщиками трассы. Теперь самое время взглянуть на них еще раз. Французу Л. Просту крупно не повезло: в середине гонки задымились изношенные покрышки и потребовалась их замена. Досадная помеха! Из-за нее француз пришел к финишу только вторым. Австриец Бергер вообще сошел с трассы. Опять какая-то помеха? Как часто в жизни жалуемся мы на различные помехи. Вот кто-то вклинивается в наш разговор по телефону (для нас это помеха, мешающая слышать собеседника). А вот мы не можем из-за сетки дождя разглядеть, сгорая от нетерпения на остановке, номер троллейбуса. Таких примеров много.
