Пропускна здатність (throughput) лінії характеризує максимально можли-ву швидкість передачі даних по лінії зв'язку. Пропускна здатність виміряти-ється в бітах в секунду - біт / с, а також в похідних одиницях, таких як кілобіт в секунду (Кбіт / с), мегабіт в секунду (Мбіт / с), гігабіт на секунду (Гбіт / с) і т . д.
ПРИМІТКА. Пропускна спроможність ліній зв'язку і комунікаційного мережного обладнання традиційно изме-ряется в бітах в секунду, а не в байтах в секунду. Це пов'язано з тим, що дані в мережах передаються послідовно, тобто побитно, а не паралельно, байтами, як це відбувається між пристроями внут-ри комп'ютера. Такі одиниці вимірювання, як кілобіт, мегабіт або гігабіт, в мережевих технологіях строго відповідають ступеням 10 (тобто кілобіт - це 1000 біт, а мегабіт - це 1000000 біт), як це прийнято у всіх галузях науки і техніки, а не близьким до цих числах ступенів 2, як це прийнято в програмуванні, де приставка «кіло» рівно 210 = 1024, а "Мега» - 220 = 1048576
Пропускна здатність лінії зв'язку залежить не тільки від її характеристик, таких як амплітудно-частотна характеристика, але і від спектру переданих сигналів. Якщо значущі гармоніки сигналу (тобто ті гармоніки, амплітуди яких вносять основний внесок в результуючий сигнал) потрапляють в смугу пропускання лінії, то такий сигнал буде добре передаватися даною лінією зв'язку і приймач зможе правильно розпізнати інформацію, відправлену по лінії передавачем (рис. 2.6, а). Якщо ж значущі гармоніки виходять за межі-ці смуги пропускання лінії зв'язку, то сигнал буде значно спотворюватися, Приймач буде помилятися при розпізнаванні інформації, а значить, інформа-ція не зможе передаватися із заданою пропускною спроможністю (рис. 2.6,6).
Більшість способів кодування використовують зміна будь-якого пара-метри періодичного сигналу - частоти, амплітуди і фази синусоїди або ж знак потенціалу послідовності імпульсів. Періодичний сигнал, парамет-ри якого змінюються, називають несучим сигналом або частотою, якщо в якості такого сигналу використовується синусоїда.
Якщо сигнал змінюється так, що можна розрізнити тільки два його стану, то будь-яке його зміна буде відповідати найменшій одиниці інформації - біту. Якщо ж сигнал може мати більше двох помітних станів, то будь-яке його зміна буде нести кілька біт інформації.
Кількість змін інформаційного параметра несучого періодичного сигналу в секунду вимірюється в бодах (baud). Період часу між сусідніми змінами інформаційного сигналу називається тактом роботи передавача.
Пропускна здатність лінії в бітах в секунду в загальному випадку не збігається з числом бод. Вона може бути як вище, так і нижче числа бод, і це співвідношення залежить від способу кодування.
Якщо сигнал має більше двох помітних станів, то пропускна здатність в бітах в секунду буде вище, ніж число бод. Наприклад, якщо інформаційними параметрами є фаза і амплітуда синусоїди, причому розрізняються 4 перебуваючи-ня фази в 0, 90,180 і 270 градусів і два значення амплітуди сигналу, то інфор-мационного сигнал може мати 8 помітних станів. У цьому випадку модем, що працює зі швидкістю 2400 бод (з тактовою частотою 2400 Гц) передає інфор-мацію з швидкістю 7200 біт / с, так як при одній зміні сигналу передається 3 біта інформації.
При використанні сигналів з двома помітними станами може спостеріга-датися зворотна картина. Це часто відбувається тому, що для надійного розпізнавання-вання приймачем користувальницької інформації кожен біт в послідовності кодується за допомогою декількох змін інформаційного параметра несучого сигналу. Наприклад, при кодуванні одиничного значення біта імпульсом поло-тивних полярності, а нульового значення біта - імпульсом негативної полярності фізичний сигнал двічі змінює свій стан при передачі кожного біта. При такому кодуванні пропускна здатність лінії в два рази нижче, ніж число бод, передане по лінії.
На пропускну здатність лінії впливає не тільки фізичне, а й логічне кодування. Логічне кодування виконується до фізичного кодування і має на увазі заміну біт вихідної інформації нової послідовно-ності біт, що несе ту ж інформацію, але володіє, крім цього, до-виконавчими властивостями, наприклад можливістю для приймальної сторони виявляти помилки в прийнятих даних. Супровід кожного байта результат-ної інформації одним бітом парності - це приклад дуже часто застосовуваного методу логічного кодування при передачі даних за допомогою модемів. Дру-гим прикладом логічного кодування може служити шифрация даних, забезпе-чувати їх конфіденційність при передачі через громадські канали зв'язку. При логічному кодуванні найчастіше вихідна послідовність біт заме-вується довшою послідовністю, тому пропускна здатність ка-налу по відношенню до корисної інформації при цьому зменшується.
Зв'язок між пропускною спроможністю лінії і її смугою пропускання
Чим вище частота несучого періодичного сигналу, тим більше інформації в одиницю часу передається по лінії і тим вище пропускна здатність лінії при фіксованому способі фізичного кодування. Однак, з іншого боку, зі збільшенням частоти періодичного несучого сигналу збільшується і ширина спектру цього сигналу, тобто різниця між максимальною і мінімальною частотами того набору синусоїд, які в сумі дадуть обрану для фізичного кодування послідовність сигналів. Лінія передає цей спектр синусоїд тими спотвореннями, які визначаються її смугою пропускання. Чим більше невідповідність між смугою пропускання лінії і шириною спектру передавати-мих інформаційних сигналів, тим більше сигнали спотворюються і тим імовірніше помилки в розпізнаванні інформації приймаючою стороною, а значить, швидкість передачі інформації насправді виявляється менше, ніж можна було пред-покласти.
Зв'язок між смугою пропускання лінії і її максимально можливою пропуск-ної здатністю, незалежно від прийнятого способу фізичного кодування, встановив Клод Шеннон:
де С - максимальна пропускна здатність лінії в бітах в секунду, F - ширина смуги пропускання лінії в герцах, Рс - потужність сигналу, РШ - потужність шуму.
З цього співвідношення видно, що хоча теоретичної межі пропускної спо-можності лінії з фіксованою смугою пропускання не існує, на практи-ке така межа є. Дійсно, підвищити пропускну спроможність лінії можна за рахунок збільшення потужності передавача або ж зменшення потужності шуму (перешкод) на лінії зв'язку. Обидві ці складові піддаються зміні з великими труднощами. Підвищення потужності передавача веде до значного збіль-личен його габаритів і вартості. Зниження рівня шуму вимагає застосування спеціальних кабелів з хорошими захисними екранами, що вельми дорого, а так-же зниження шуму в передавачі і проміжній апаратурі, чого досягти дуже не просто. До того ж вплив потужностей корисного сигналу і шуму на пропуск-ву здатність обмежена логарифмічною залежністю, яка росте да-леко не так швидко, як прямо-пропорційна. Так, при досить типовому вихідному відношенні потужності сигналу до потужності шуму в 100 разів підвищення потужності передавача в 2 рази дасть тільки 15% збільшення пропускної спосіб-ності лінії.
Близьким по суті до формули Шеннона є наступне співвідношення, напів-ного Найквистом, яке також визначає максимально можливу пропуск-ву здатність лінії зв'язку, але без урахування шуму на лінії:
де М - кількість помітних станів інформаційного параметра.
Якщо сигнал має 2 помітних стану, то пропускна здатність дорівнює подвоєному значенню ширини смуги пропускання лінії зв'язку (рис. 2.7, а). Якщо ж передавач використовує більш ніж 2 стійких стану сигналу для кодування даних, то пропускна здатність лінії підвищується, так як за один такт роботи передавач передає кілька біт вихідних даних, наприклад 2 біти при наявності чотирьох помітних станів сигналу (рис. 2.7, 6).
Хоча формула Найквіста явно не враховує наявність шуму, Побічно його впливав-ня відбивається у виборі кількості станів інформаційного сигналу. Для підвищення пропускної здатності каналу хотілося б збільшити цю кількість до значних величин, але на практиці ми не можемо цього зробити через шум на лінії. Наприклад, для прикладу, наведеного на рис. 2.7, можна збільшити пропускну здатність лінії ще в два рази, використавши для кодування дан-них не 4, а 16 рівнів. Однак якщо амплітуда шуму часто перевищує різницю між сусідніми 16-ю рівнями, то приймач не зможе стійко розпізнавати передані дані. Тому кількість можливих станів сигналу фактичних-ки обмежується співвідношенням потужності сигналу і шуму, а формула Найквіста визначає граничну швидкість передачі даних в тому випадку, коли кількість станів вже вибрано з урахуванням можливостей стійкого розпізнавання прийом-ником.
Наведені співвідношення дають граничне значення пропускної здатності лінії, а ступінь наближення до цієї межі залежить від конкретних методів фізичного кодування, що розглядаються нижче.