Полоса пропускания - это непрерывный диапазон частот, для которого затухание не превышает некоторый заранее заданный предел. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений.
Рис. 1. Полосы пропускания линий связи и популярные частотные диапазоны
Часто граничными частотами считаются частоты, на которых мощность выходного сигнала уменьшается в два раза по отношению к входному, что соответствует затуханию в - 3 дБ.
Как мы увидим далее, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. На рис. 1 показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.
Пропускная способность линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных, которая может быть достигнута на этой линии. Особенностью пропускной способности является то, что, с одной стороны, эта характеристика зависит от параметров физической среды, а с другой - определяется способом передачи данных. Следовательно, нельзя говорить о пропускной способности линии связи до того, как для нее определен протокол физического уровня.
Например, поскольку для цифровых линий всегда определен протокол физического уровня, задающий битовую скорость передачи данных, то для них всегда известна и пропускная способность - 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.
В тех же случаях, когда только предстоит выбрать, какой из множества существующих протоколов использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристики линии, такие как полоса пропускания, перекрестные наводки, помехоустойчивость и др.
Пропускная способность, как и скорость передачи данных, измеряется в битах в секунду (бит/с), а также в производных единицах, таких как килобиты в секунду (Кбит/с) и т. д.
Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как затухание и полоса пропускания, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи, и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис. 2 а). Если же значимые гармоники выходят,за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал начнет значительно искажаться, и приемник будет ошибаться при распознавании информации (рис. 2 б).
Полоса пропускания
О полосе пропускания в цифровой технике см. Скорость передачи информации
Полоса пропускания (прозрачности) - диапазон частот , в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы. Иногда, вместо термина "полоса пропускания", используют термин "эффективно передаваемая полоса частот (ЭППЧ)". В ЭППЧ сосредоточена основная энергия сигнала (не менее 90%). Этот диапазон частот устанавливается для каждого сигнала экспериментально в соответствии с требованиями качества.
Основные параметры полосы пропускания
Основные параметры, которые характеризуют полосу пропускания частот - это ширина полосы пропускания и неравномерность АЧХ в пределах полосы.
Ширина полосы
Ширина полосы пропускания - полоса частот, в пределах которой неравномерность частотной характеристики не превышает заданной.
Ширина полосы обычно определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка АЧХ, на котором амплитуда колебаний (или для мощности) от максимальной. Этот уровень приблизительно соответствует −3 дБ .
Ширина полосы пропускания выражается в единицах частоты (например, в Гц).
Расширение полосы пропускания позволяет передать большее количество информации.
Неравномерность АЧХ
Неравномерность АЧХ характеризует степень её отклонения от прямой, параллельной оси частот.
Ослабление неравномерности АЧХ в полосе улучшает воспроизведение формы передаваемого сигнала.
Различают:
- Абсолютную полосу пропускания: 2Δω = Sa
- Относительную полосу пропускания: 2Δω/ωo = So
Конкретные примеры
В теории антенн полоса пропускания - диапазон частот, при которых антенна работает эффективно, обычно окрестность центральной (резонансной) частоты. Зависит от типа антенны, ее геометрии. На практике полоса пропускания обычно определяется по уровню КСВ (коэффициента стоячей волны). КСВ МЕТР
Поскольку даже самый лучший монохроматичный лазер всё равно излучает некоторый спектр длин волн, дисперсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. При оценке этого пользуются термином полоса пропускания. Измеряется полоса пропускания (в данном случае) в МГц/км.
Из определения полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность передачи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.
Требования к П. п. различных устройств определяются их назначением (например, для телефонной связи требуется П. п. 300-3400 гц, для высококачественного воспроизведения музыкальных произведений 30-16000 гц, а для телевизионного вещания - шириной до 8 Мгц) .
См. также
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Полоса пропускания" в других словарях:
Энциклопедический словарь
полоса пропускания - 1. Ширина частотного спектра сигнала между верхней и нижней частотами среза 2. Интервал частот, заключенный между двумя частотами среза, в пределах которого модуль коэффициента передачи системы составляет не менее 0,707 от максимального значения… … Справочник технического переводчика
Диапазон частот, в пределах которого зависимость амплитуды колебаний на выходе акустического, радиотехнического или оптического устройства от их частоты достаточно слаба, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения. Ширину… … Большой Энциклопедический словарь
Область частот, в к рой колебания, проходящие через радиотехн., акустич., оптич. и др. устройства, изменяют свою амплитуду и др. параметры в установленных границах. Для электрич. цепей в пределах П. п. сопротивление цепи (в зависимости от её… … Физическая энциклопедия
полоса пропускания - Bandwidth Полоса пропускания Область частот, в которой амплитудно частотная характеристика акустического, радиотехнического или оптического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного… … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. - М.
полоса пропускания - praleidžiamoji juosta statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. pass band; pass range; passband; transmission band vok. Durchlaßband, n; Durchlaßbereich, m rus. полоса пропускания, f pranc. bande de transmission, f; bande passante, f; passe … Automatikos terminų žodynas
полоса пропускания - praleidžiamoji juosta statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. pass band; transmission band vok. Durchlaßband, n; Durchlaßbereich, n rus. полоса пропускания, f pranc. bande passante, f … Fizikos terminų žodynas
Частот, диапазон частот, в пределах которого Амплитудно частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического или оптического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного… … Большая советская энциклопедия
Частот (в радиотехнике и электросвязи) интервал частот, в пределах к рого отношение амплитуды колебаний на выходе электрич. цепи (фильтра, усилителя и др.) к амплитуде колебаний на её входе не опускается ниже определённого уровня, обычно 1 3 дБ… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Диапазон частот, в пределах к рого зависимость амплитуды колебаний на выходе акустич., радиотехн. или оптич. устройства от их частоты достаточно слаба, чтобы обеспечить передачу сигнала без существ, искажения. Ширину П. п. выражают в Гц,… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Термин полоса частот в отношении сигнала связан с понятиями об эффективной ширине спектра сигнала , в которой сосредоточено 90% энергии сигнала (по соглашению), а также о нижней и верхней границах полосы частот сигнала. Эти важнейшие характеристики источника сигнала непосредственно связаны с физикой данного источника сигнала. Например, для индукционного вибродатчика полоса частот выходного сигнала реально ограничена сверху единицами килогерц из-за инерционности массы металлического намагниченного сердечника внутри катушки индуктивности датчика, а снизу – величиной, связанной с индуктивностью катушки. Верхняя граница полосы частот сигнала, как правило, связана с физическими ограничениями скорости нарастания сигнала, а нижняя граница полосы частот связана с наличием низкочастотной составляющей сигнала, включая постоянную составляющую .
Термин полоса частот пропускания употребляется в отношении преобразователей и трактов (интерфейсов) передачи сигналов. Речь идёт об амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) этих устройств и о характеристиках полосы пропускания этой АЧХ, которые традиционно измеряются по уровню -3 дБ , как это показано она рисунке выше. За нуль децибел принимается максимальное (или среднее, по соглашению) значение амплитуды сигнала в полосе пропускания. На рисунке частоты F 1 и F 2 – это нижняя и верхняя частота полосы пропускания соответственно. Нижняя граница F 1 = 0, если данный преобразователь или тракт пропускает постоянную составляющую сигнала. Чем больше ширина полосы частот пропускания ∆F= F 2 - F 1 преобразователя или тракта передачи данных, тем выше разрешение (детализация) сигнала по времени , тем выше скорость передачи информации в соответствующем интерфейсе , но в то же время тем больше помех и шумов попадает в полосу пропускания.
Если полоса частот сигнала частично или полностью не попадает в полосу частот пропускания преобразователя или тракта, то это приводит к искажению или полному подавлению сигнала в тракте.
С другой стороны, если эффективная полоса частот сигнала многократно у́же полосы частот пропускания преобразователя или тракта, то такой случай нельзя считать оптимальным, поскольку в этой физически реализованной системе всегда присутствуют шум и помехи различной природы, которые в общем случае рассредоточены по всей ширине полосы частот пропускания. Области частот пропускания, в которых нет полезных составляющих сигнала, будут добавлять шум, ухудшая соотношение сигнал/шум в данном канале преобразования или передачи сигнала. Исходя из этих посылок, мы вплотную подошли к термину: оптимальная полоса частот пропускания сигнала – это полоса частот пропускания, границы которой согласованы с эффективной полосой частот сигнала .
В случае АЦП верхняя граница полосы частот пропускания может быть обеспечена антиалайзинговым фильтром , а нижняя граница может быть обеспечена фильтром высокой частоты .
Как видите, общий термин полоса частот , употреблённый в любом контексте, сильно связан с вопросом выбора оборудования по его частотным характеристикам, а также связан с вопросом оптимального согласования преобразователей и трактов передачи с источниками сигналов.
Очень часто, общаясь с ИТ-специалистами, в медленной работе корпоративных приложений обвиняют сетевой департамент или узкие каналы связи. Самое простое решение всех проблем — больше пропускной способности (шире канал) и меньше левых приложений в канале (меньше конкурентов за полосу) и тогда все будет летать. Конечно, надо обращать внимание и на чистоту каналов связи и их использование, но это не единственные параметры. Самым простым решением для оценки состояния каналов являются Flow технологии и корреляция данных между производительностью ключевого приложения и данных с NetFlow (jFlow, Sflow и т. д.).
В сетях передачи данных, задержки — это жизненный факт. Понимая их природу, можно уменьшить отрицательный эффект, повысив тем самым качество связи. Сетевые задержки определены стандартами ITU и должны укладываться в определенные пределы:
Последовательный принцип передачи пакетов по каналу связи вносит задержки. Задержка при передаче информации от одного пользователя другому состоят из нескольких составляющих и их можно разделить на два больших класса — фиксированные и переменные.
К переменным задержкам относятся в основном задержка в очередях на каждом из узлов сети: маршрутизатор, коммутатор, сетевой адаптер. К фиксированным - задержка пакетирования, последовательная задержка, задержка кодека (для видео или аудио). Средой передачи может служить медная пара, волоконно-оптический кабель или эфир. При этом величина задержки зависит от тактовой частоты и, в гораздо меньшей степени, от скорости света в среде передачи.
В документации Cisco есть вот такая таблица, которая позволяет оценить последовательную задержку в зависимости от длины пакетов и ширины канала связи:
|
Размер кадра (байты) |
Скорость передачи по каналу (Кбит/с) |
||||||||||
Для передачи кадра длиной 1518 байт (максимальная длина для Ethernet) по каналу 64-кбит/сек последовательная задержка достигает 185 мс. Если по тому же каналу передавать пакеты длиной 64 байт, задержка составит всего 8 мс, т. е. чем короче пакет, тем быстрее он достигнет приемной стороны. Поэтому для передачи голоса используются короткие UDP пакеты, которые позволяют минимизировать величину задержки, а разработчики оборудования для передачи данных, напротив, стремятся к увеличению длины кадров для снижения объема служебного трафика. Для расчёта последовательной задержки можно воспользоваться формулой:
Последовательная задержка = ((кол-во байт для отправки или получения) x (8 бит))/ (самую медленную скорость в канале)
Например, последовательная задержка для отправки 100 Кбайт и получения 1 Мбайт по каналу 2 Мбит/сек составит:
Передача: (100,000 * 8) / 2,048,000 = 390 мсек
Прием: (1,024,000 *8) / 2,048,000 = 4000 мсек
Конечно, последовательная задержка это один из компонентов и на каждый из потоков будет дополнительно оказывать влияние задержка в каналах связи, джиттер и т.д. Данная формула покажет идеальную картину, когда за канал связи не борются другие пользователи или приложения. Это можно увидеть на диаграмме, которая показывает реальную скорость канала связи при передаче 200 Кбайтного файла по протоколу FTP и каналу 10 Мбит/сек.
Мы видим, что скорость в процессе передачи не постоянна. Так как сеть - среда разделяемая, то пакеты по мере передачи по сети попадают в очереди, теряются, активируется алгоритм контроля доступа к среде, который мешает одному пользователю захватить весь канал связи. Все это оказывает влияние на скорость передачи и как следствие на скорость работы приложения.
Как увеличить скорость работы приложений, не изменяя ширину полосы пропускания канала связи?
Естественно, самый простой выход - увеличить ширину канала связи, но иногда это не возможно или стоит очень дорого для корпоративных клиентов. В таком случае логично уменьшить объем данных, передаваемых в канале связи. Уменьшить объем можно несколькими способами. Сжатие данных, использование тонких клиентов, кеширование, использование решений для оптимизации трафика - это позволяет иногда добиться сокращения трафика от 2 до 5 раз (разные приложения ужимаются по-разному).
Также можно, понять структуру трафика и как реально используется канал связи с помощью Flow технологий и далее путем приоритезации трафика сократить возможные потери пакетов и рост очередей в активном оборудовании.
Во время передачи тех или иных сигналов ток высокой частоты в антенне радиопередатчика состоит из нескольких токов различной частоты. Такой же сложный характер имеют электромагнитные волны, распространяющиеся от антенны передатчика, и токи, возникающие под действием радиоволн в приемной антенне.
Для каждого вида передачи (радиотелефония, радиотелеграфия, телевизионная передача и т. д.) частоты этих токов занимают определенную полосу. При радиовещании на средних волнах она составляет примерно 9 кГц, т. е. радиовещательный передатчик создает сложный ток, состоящий из нескольких токов, у которых наиболее высокая частота на 9 кГц больше наиболее низкой частоты. Например, для радиовещательного передатчика, работающего на частоте 173 кГц (? =1734 м), это будут частоты от 168,5 до 177,5 кГц. В случае служебной радиотелефонной связи полоса частот не больше 2 — 2,5 кГц, а для радиотелеграфной передачи она еще меньше. Зато при телевизионной передаче полоса частот расширяется до нескольких мегагерц.
При воздействии на контур электродвижущих сил различной частоты наиболее сильные колебания получаются в случае, когда эдс имеет резонансную частоту или частоту, близкую к ней. А при значительном отклонении частоты внешней эдс от резонансного значения, т. е. когда контур расстроен относительно частоты внешней эдс, амплитуда колебаний получается сравнительно малой.
Можно сказать, что каждый контур хорошо пропускает колебания в пределах некоторой полосы частот, располагающейся по обе стороны от резонансной частоты. Ее называют полосой пропускания контура Ппр и условно определяют по резонансной кривой на уровне 0,7 от максимального значения тока или напряжения, соответствующего резонансной частоте (рис.1).
Рис.1 — Полоса пропускания контура
Иначе говоря, считают, что контур хорошо пропускает колебания тогда, когда их амплитуда уменьшается не более, чем на 30% по сравнению с амплитудой при резонансе. Полосу пропускания контура иногда называют также шириной кривой резонанса. Качество контура влияет на форму резонансной кривой. Из этого рисунка видно, что чем ниже качество контура, тем больше его полоса пропускания. Кроме того, полоса пропускания получается больше при более высокой резонансной частоте контура.
Зависимость полосы пропускания контура от его затухания или добротности Q дается следующей простой формулой
Например, контур, настроенный на частоту fо = 2000 кГц и обладающий затуханием? = 0,01, имеет полосу пропускания Ппр =0,01 * 2000 = 20 кГц.
Как видно, для получения узкой полосы пропускания необходимо применять контур с высокой добротностью, а для широкой полосы добротность, либо работать на весьма высокой резонансной частоте.
Из приведенной формулы следует, что fo = Q * Ппp. Так как у контура среднего качества Q не менее 20, то рабочая частота должна не менее, чем в 20 раз, превышать полосу пропускания. Например, телевизионную передачу, для которой Ппр составляет несколько мегагерц, нужно вести на частотах не ниже нескольких десятков мегагерц, т.е. на ультракоротких волнах.
Желательно, чтобы контур имел полосу пропускания соответствующую полосе частот, которая характерна для данного вида передачи. Если полоса пропускания меньше, то получатся искажения за счет плохого пропускания некоторых колебаний. Более широкая полоса нежелательна, так как могут быть помехи от сигналов радиостанций, работающих на соседних частотах.
Если необходима широкая полоса пропускания, то приходится часто применять контуры с низкой добротностью. Добротность контура снижается, а полоса пропускания увеличивается, если параллельно контуру присоединяют активное сопротивление R, называемое шунтирующим (рис.2). Действительно, переменное напряжение U, имеющееся на контуре, приложено к сопротивлению R и создает в нем ток. Следовательно, в этом сопротивлении будет расходоваться мощность. Чем меньше сопротивление R, тем больше в нем потери мощности и тем больше затухание контура. Если сопротивление R будет очень малым, то оно замкнет накоротко один из элементов контура (конденсатор на (рис.2 а) или весь контур (рис.2 б). Тогда контур вообще не сможет работать как колебательная система и проявлять свои резонансные свойства.
Рис.1 — Шунтирование контура активным сопротивлением
Шунтирование контура активным сопротивлением делают иногда специально с целью расширения полосы пропускания. Кроме того, подобное шунтирование существует вследствие того, что контур соединен с другими деталями и цепями. За счет этого происходит нежелательное ухудшение качества контура.
Внутреннее сопротивление генератора, питающего параллельный контур, также влияет на добротность контура и его полосу пропускания. Это можно легко объяснить следующим образом.
Пусть генератор в какой-то момент прекратил свое действие. Тогда колебания в контуре станут затухать, а внутреннее сопротивление генератора, присоединенного к контуру, будет играть роль шунтирующего сопротивления, увеличивающего затухание.
Чем больше Ri генератора, тем слабее его влияние, а значит, кривая резонанса контура острее и его полоса пропускания меньше, т.е. резонансные свойства контура выражены резче. При малом Ri генератора добротность контура настолько снижается и полоса пропускания становится такой широкой, что резонансные свойства у контура практически отсутствуют.
К подобному выводу о влиянии Ri генератора мы пришли уже ранее при рассмотрении работы параллельного контура.