Пропускная способность канала

Зависимость пропускной способности канала, обладающего определенной полосой пропускания, от отношения сигнала к шуму исследовал американский инженер и математик Клод Шеннон (1916 г.р.).

Теорема Шеннона (1948-1949) ограничивает предельную пропускную способность канала I с заданной полосой пропускания F и отношением "сигнал/шум" в канале S/N (формула получена в предположении белого гауссова шума):

( 1.1)

Для стандартного телефонного канала F=3КГц, S/N=30дБ, следовательно, теоретический предел для публичной коммутируемой телефонной сети равен примерно 30 Кбит/с. Ослабление для телефонных скрученных пар составляет около 15 дБ/км, дополнительные ограничения возникают из-за перекрестных наводок в многожильном кабеле. Стандартные проводные линии связи имеют ослабление 6 дБ/км на частоте 800 Гц, или 10 дБ/км на частоте 1600 Гц. С самого начала развития телефонии проводная система и оборудование проектировалось исходя из возможностей человеческого уха и голосового аппарата. По этой причине все традиционные системы телефонии имели полосу пропускания 3-3,5 КГц.

Из теоремы Шеннона следует, что при нулевом уровне шума можно получить сколь угодно высокую скорость передачи при сколь угодно низкой полосе пропускания канала!

Чтобы увеличить пропускную способность канала связи, можно расширять его полосу или улучшать отношение сигнала к шуму (см. выше теорему Шеннона).

Шеннон, по существу, развил идеи Найквиста. Если используется двоичное представление сигнала, то согласно теореме Найквиста[1924] максимальная скорость передачи данных по каналу без шума составит

( 1.2)

где - полоса пропускания канала в Гц, а - число дискретных уровней сигнала на выходе цифрового преобразователя. Суть теоремы Найквиста-Котельникова заключается в том, что при полосе сигнала частота стробирования должна быть больше , чтобы принимающая сторона могла корректно восстановить форму исходного сигнала. По этой причине для стандартного телефонного канала с полосой , при отсутствии шумов и при нельзя получить скорость передачи более 6 Кбит/с. Здесь нет противоречия с теоремой Шеннона. Ведь в отсутствие шумов значение не будет иметь ограничения сверху! Здесь не имеется в виду, что максимальная амплитуда сигнала может достигнуть напряжения в несколько киловольт. Согласитесь, телефонных абонентов такая перспектива вряд ли бы порадовала. Но в отсутствии шумов можно и в пределах одного вольта представить себе любое число уровней сигнала. Фактически теорема Шеннона проясняет то, как уровень шумов ограничивает предельное значение при заданной максимальной амплитуде сигнала.

По этой причине висящие еще кое-где телеграфные провода обречены. Надо заметить, что и медные телефонные провода, закопанные в землю, ждет та же участь. Предстоит выкопать миллионы тонн медных кабелей. Медные провода будут заменены оптоволоконными волноводами.

Следует иметь в виду, что реальная пропускная способность для конкретного пользователя определяется не только полосой пропускания канала, но и его загруженностью трафиком других клиентов. Ведь и пропускная способность автомобильной магистрали зависит не только от числа полос, но и от загруженности автомобилями.

В 1876 году Э. Грей и А.Г. Белл одновременно сделали заявку на изобретение телефонного аппарата. Белл откупил у Грея права на это изобретение, усовершенствовал предложенное решение и совместно с Блейком и Эдисоном организовал первые телефонные сети. Вначале телефонная связь использовала электромеханические схемы преобразования и передачи голоса. Трансатлантический телефонный кабель был проложен в 1956 году. Современная телефония базируется на сотнях, а возможно, и тысячах изобретений. Системы коммутации телефонных каналов прошли путь от ручного переключения через этап электромеханических шаговых искателей к аналого-цифровым коммутаторам. Первый автоматический коммутатор был разработан Штроугером еще в XIX веке. К этому его подтолкнула осведомленность конкурентов о его делах, и он счел, что любопытные операторы ручной телефонной станции ему ни к чему.

Телефония стимулировала многие области электроники. Вскоре после Второй мировой войны стала широко внедряться импульсно-кодовая модуляция, пакетная схема передачи данных, а позднее и цифровая телефония (ISDN).

Чтобы увеличить пропускную способность канала связи, можно расширять его полосу или улучшать отношение сигнала к шуму (см. выше теорему Шеннона).