Материал из Юнциклопедии

Век научно-технической революции характеризуется информационным взрывом, т. е. огромным количеством самой разнообразной информации. Чтобы передать какую-либо информацию (звук, изображение, текст телеграммы, дифровые данные для ЭВМ) по сети электрической связи, необходимо сначала превратить ее в электрические сигналы, затем направить их через линию связи, а на другом конце линии преобразовать полученные сигналы снова в информацию. Преобразование передаваемой информации в электрические сигналы и последующая «расшифровка» принятых сообщений происходят в аппаратах связи, например в телефонном, телеграфном, в передающем и приемном устройствах радиовещания или телевидения, которые включаются на концах линии связи и поэтому называются оконечными.

Передающий и приемный оконечные аппараты расположены в различных пунктах. Нет необходимости постоянно связывать эти пункты прямой линией связи: достаточно установить коммутационную (соединительную) станцию, которая бы соединяла линии связи, идущие от аппаратов, лишь на время передачи и приема сигналов. Такими коммутационными станциями являются автоматические телефонные станции (АТС), объединяющие тысячи телефонов и быстро находящие номер каждого из них, и автоматические телеграфные станции, в которых поступающие от отправителей телеграммы могут при необходимости накапливаться, сортироваться по их важности, а уж затем, через некоторое время, посылаться дальше.

Линии связи появились в середине XIX в. когда заработал электрический телеграф. Телеграфные линии связи изготавливали из железной или медной проволоки и подвешивали на столбах, прикрепляя к изоляторам. Чтобы передать больше сообщений, на каждый столб подвешивалось несколько десятков проводов. Позднее покрытые резиновой изоляцией провода стали собирать в толстые жгуты, заключая их для предохранения от повреждений в оболочку. Так «были созданы кабельные линии связи (см. Кабель). Когда изобрели телефон, то сначала пользовались уже существовавшими телеграфными линиями. Только со временем стало ясно, что для передачи телеграмм и для телефонных разговоров надо иметь линии связи разного «качества», так как их электрические сигналы состоят из токов различных частот, или, как говорят, имеют разную полосу частот.

странственные радиоволны могут прийти к радиоприемнику разными путями; 14 - междугородный кабель связи с промежуточными усилительными пунктами; 15 - кабель для приема телефонной, телеграфной и телевизионной информации от спутника связи; 16, 17, 18 - кабели для передачи информации по телефону, телеграфу, телевидению; 19 - длинноволновая радиосвязь с кораблем. При передаче телеграфных сигналов требуется полоса частот всего 50-100 Гц, для телефонной связи - примерно 3 кГц (точнее, от 300 до 3400 Гц); для хорошей передачи музыки - 20 кГц; огромную полосу частот - примерно 6 МГц занимает телевизионный сигнал. Простейшая линия электрической связи - это пара изолированных друг от друга медных проводников. Медь - ценный металл, используемый во многих отраслях народного хозяйства. Чтобы сэкономить дефицитный металл, инженеры предложили по одной и той же паре проводов передавать не одно, а несколько сообщений - телефонных разговоров, телеграмм и т. п. С этой целью была создана многоканальная связь, которая позволяет передавать по одной линии связи одновременно и независимо друг от друга множество электрических сигналов. Но передавать по одной линии множество электрических сигналов с различной информацией без особых «хитростей» нельзя, так как все сигналы имеют одинаковые или почти одинаковые (причем относительно низкие) частоты и, следовательно, будут мешать друг другу: каждый из переданных сигналов будет приниматься каждым приемником, вместо того чтобы быть принятым только «своим». Секрет многоканальной связи заключается в том, что каждый сигнал в передатчике модулирует (т. е. изменяет амплитуды, частоты или фазы колебаний) «свой», отличающийся от других по частоте высокочастотный ток. Таким образом, модулированные разными сигналами информации высокочастотные токи могут одновременно передаваться по одной линии, не мешая друг другу и «перенося» каждый «свой» сигнал информации, т. е. в линии как бы создается много отдельных, не мешающих друг другу каналов передачи. Каждый приемник с помощью включенного на его входе электрического фильтра (см. Фильтр электрический) принимает только «свой» модулированный высокочастотный ток, а детектор приемника вновь превращает этот ток в сигнал исходной информации. Существует и другой метод многоканальной связи, когда сигналы отдельных каналов передаются по линии в различные промежутки времени и на приеме разделяются соответствующим распределителем. Для того чтобы непрерывные во времени сигналы (например, телефонные, вещательные и др.) могли передаваться таким методом, эти сигналы сначала дискретизируют во времени, т. е. каждый сигнал заменяют последовательностью отдельных его (дискретных) значений; затем эти значения кодируют, т. е. каждое из них заменяют соответствующей его величине комбинацией импульсов «1» и «0», аналогично комбинациям импульсов буквопечатающего телеграфного кода (см. Телеграфная связь). Чем больше создается различных каналов по одной линии, тем меньше продолжительность каждого импульса всех передаваемых сигналов всех каналов, поэтому тем шире должна быть полоса частот, которая используется в линии, чтобы импульсы передавались по ней без искажений. Количество отдельных каналов передачи, которые таким образом могут быть созданы на линиях связи различного типа, определяется тем, токи каких частот хорошо передаются по этим линиям. Токи одних частот могут быть использованы для многоканальной связи в различных кабелях, а токи других - в радиорелейных линиях, волноводах и световодах, линиях, использующих искусственные спутники Земли. Для примера можно сказать, что уже сегодня по одной паре коаксиального кабеля можно организовать свыше 10 тыс. одновременных телефонных разговоров, примерно столько же - по радиорелейным линиям и линиям, использующим искусственные спутники Земли; по волноводным линиям могут одновременно разговаривать до сотни тысяч абонентов и еще больше - по световодам. Электрические сигналы по мере их продвижения по линии связи постепенно ослабевают. На языке связистов это явление называется затуханием. Чтобы поддержать уровень сигналов, прибегают к их усилению с помощью усилителей, которые устанавливают через равные промежутки вдоль всей линии связи. Большинство усилителей управляется и снабжается электрической энергией с помощью дистанционного управления. Совокупность различных линий связи - кабельных, радиорелейных, волноводов, линий связи через искусственные спутники Земли и линий радиосвязи, на длинных, средних и коротких волнах, а также всех оконечных аппаратов и всех коммутационных станций - образует Единую автоматизированную систему связи (ЕАСС).

Литература:

Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высшая школа, 2000-448с.

Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В. Финк Л.М. Теория передачи сигналов. – М.: Радио и связь, 1986-304с.

Теория электрической связи. Под редакцией Кловского Д.Д. – М.: Радио и связь, 1999-432с.

Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы – М.: Советское радио, 1986.

Клюев Л.Л. Теория электрической связи – Мн.: Дизайн ПРО, 1998-336с.

Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Руководство к решению задач – М.:: Высшая школа, 1987-206с.

Кловский Д.Д., Шилкин В.А. Теория передачи сигналов в задачах – М.: Радио и связь, 1990-280с.

Заездный А.М. Основы расчётов по статистической радиотехнике. М.: Связь, 1969.

Горяинов В.Т., Журавлёв А.Г. Тихонов В.И. Примеры и задачи по статистической радиотехнике – М.: Советское радио, 1980

Прокис Дж. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под редакцией Д.Д. Кловского – М. Радио и связь, 2000 – 1000с.

Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции расширенных спектров. – М.: Радио и связь. 2000 – 520с.

Борисов В.И., Зинчук В.М. и др. Помехозащищённость систем радиосвязи / Под ред. Борисова В.И. – М.: Радио и связь, 2003-640с.

Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е изд.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2003-1104с.

Каганов В.И. Радиотехника + компьютер + Math CAD. М.: Горячая линия, 2001.

Предмет: «Теория электросвязи».

Целью дисциплины является изучение основных закономерностей и методов передачи информации по каналам связи. Рассматриваются математические модели сообщений, сигналов и помех, методы формирования сигналов и их преобразования в каналах связи, принципы построения систем связи, их характеристики и вопросы оптимизации.

Введение

Системы электрической связи. Общие сведения о системах электросвязи. Основные понятия и определения

Под информацией понимают совокупность новых сведений о каких-либо событиях, явлениях или предметах окружающего нас мира. Для передачи или хранения информации используют различные знаки (символы), позволяющие выразить (представить) её в некоторой форме. Этими знаками могут быть слова и фразы, жесты и рисунки, формы колебаний, математические знаки и т.п. Совокупность знаков, содержащих ту или иную информацию, называют сообщением.

При телеграфной передаче сообщением является текст телеграммы. При разговоре по телефону сообщением является непрерывное изменение во времени звукового давления, отображающее речь. При передаче движущихся изображений в телевизионных системах сообщение представляет собой изменение во времени яркости элементов изображения.

Передача сообщений, а, следовательно, и информации на расстояние осуществляется с помощью какого-либо математического носителя или физического процесса. Физический процесс, отображающий передаваемое сообщение, называется сигналом.

В качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. В современных системах управления и связи чаще всего используют электрические сигналы. Физической величиной, определяющей такой сигнал, является ток или напряжение. Можно передавать сигналы постоянным током на близкие расстояния по проводам. При передаче на большие расстояния по проводам и по радиоканалам используется модуляция.

Сигналы формируются путём изменения тех или иных параметров физического носителя по закону передаваемых сообщений. Этот процесс изменения параметров носителя называется модуляцией.

Сообщения могут быть функциями времени, (например, речь при передаче телефонных разговоров, спектакль при передаче по телевидению и т. п.). В других случаях сообщение не является функцией времени (например, текст телеграммы, неподвижное изображение и т.д.).

Сигнал является функцией времени, даже если сообщение таковым не является. Основными, с точки зрения передачи, являются следующие параметры сигнала: длительность сигнала Тс, его динамический диапазон Dс и ширина спектра Fc.

Длительность сигнала Тс – это параметр, определяющий интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Динамический диапазон – это отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности, которую необходимо отличать от нуля при заданном качестве передачи. Он выражается обычно в децибелах.

Динамический диапазон речи диктора, например, равен 25… 30 дб, симфонического оркестра 70… 95 дб.

Ширина спектра сигнала Fс – это диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная энергия.

При телефонной связи, чтобы речь была разборчива, достаточно передать сигнал в полосе от 300 Гц до 3400 Гц. Необходимая ширина спектра телевизионного сигнала определяется требуемой чёткостью изображения (верхняя частота сигнала 6,5 МГц).

Более общей и наглядной характеристикой является объём сигнала:

Чем больше объём сигнала, тем больше информации можно «вложить» в этот объём, и тем труднее передать такой сигнал по каналу связи.

Опираясь на эти понятия, можно теперь рассмотреть укрупнённую структурную схему системы электросвязи.

Для случая передачи дискретного (телеграфного сигнала) технология прохождения информации через элементы системы связи выглядит следующим образом:

Рассмотрим назначение отдельных элементов схемы. Источником сообщений и получателем в одних системах может быть человек, в других – различного рода устройства (автомат, ЭВМ и т. д.).

Устройство, преобразующее сообщение в сигнал, называется передающим устройством, а устройство, преобразующее принятый сигнал в сообщение – приёмным устройством.

С помощью преобразователя в передающем устройстве сообщение a , которое может иметь любую физическую природу (изображение, звуковое колебание и т. п.), преобразуется в первичный электрический сигнал в (t). В телефоне, например, эта операция сводится к превращению звукового давления в пропорционально изменяющийся электрический ток микрофона. А в телеграфии сначала производится кодирование, в результате которого последовательность элементов сообщения (букв) заменяется последовательностью кодовых символов (чаще 0 и 1), которая затем преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока.

Одной из основных задач кодирования является задача согласования алфавита, из которого построены дискретные сообщения с кодовым алфавитом выходных комбинаций. Например: в коде МТК 2 – 32 буквы русского алфавита представлены двоичными комбинациями длиной по 5 символов каждая. Такой код называется равномерным.

Кодирование позволяет также решить задачу устранения ненужной избыточности источника сообщений и тем самым повысить скорость передаваемой информации. Для этого используются неравномерные коды: обычно часто встречающиеся сообщения кодируются короткими кодовыми комбинациями, а редко встречающиеся – длинными (например: код Шеннона – Фано, код Хаффмена).

Коды могут использоваться также и для повышения достоверности передачи дискретной информации. Такие коды называются помехоустойчивыми.

В отличие от простых кодов у помехоустойчивых кодов не все возможные кодовые комбинации используются для передачи информации, часть из них является запрещённой, что позволяет обнаруживать и исправлять ошибки. Кроме того, для повышения достоверности при помехоустойчивом кодировании, наряду с информационными, передаются и проверочные символы.

Преобразователь сообщения в электрический сигнал

Процесс преобразования в общем случае осуществляется с помощью электрических и электромеханических устройств, которые воспринимают неэлектрические сообщения и выдают их в виде электрического процесса, т.е. изменяющегося во времени напряжения или тока. Это так называемое первичные преобразователи и их выходной сигнал является первичным электрическим сигналом b (t).

Передатчик. Первичные сигналы с преобразователя, как правило, не могут быть непосредственно переданы по линии передачи. Первичные сигналы низкочастотные, а в линии передачи эффективно передаются высокочастотные колебания. Для согласования первичных сигналов с линией передачи применяется устройство, называемое передатчиком, т.е. именно в нём осуществляется преобразование первичных сигналов b(t) в сигналы удобные для передачи по линии связи (по форме, мощности, частоте и т.д.).

В передатчике первичный сигнал b(t) (обычно низкочастотный) посредством модуляции превращается во вторичный (высокочастотный) сигнал u(t), пригодный для передачи по используемому каналу. В передатчике осуществляется модуляция.

Процесс модуляции заключается в управлении параметрами несущей первичным сигналом b(t). На выходе передатчика получаем модулированный сигнал u (t).

Например:

Преобразование сообщения в сигнал должно быть обратимым. В этом случае по выходному сигналу можно с помощью операции демодуляции и декодирования, восстановить входной первичный сигнал, т.е. получить всю информацию содержащуюся в переданном сообщении. В противном случае часть информации будет потеряна при передаче. Устройства, осуществляющие кодирование и декодирование, называются кодером и декодером, а устройства, осуществляющие модуляцию и демодуляцию – модулятором и демодулятором. Кодер и декодер объединяются в кодек. Модулятор и демодулятор в модем. В результате различных искажений и воздействия помех пришедший сигнал может существенно отличаться от переданного. Поэтому всегда можно высказать ряд предположений (гипотез) о том, какое сообщение передавалось. Задачей приёмного устройства является принятие решения о том, какое из возможных сообщений действительно передавалось источником. Для этого принятый сигнал подвергают анализу с учётом всех сведений об источнике (например, о вероятностях с которыми источник посылает то или иное сообщение), о применяемом коде и методе модуляции, а также о свойствах канала. В результате анализа обычно можно определить вероятности возможных гипотез и на основании этих вероятностей принять решение, которое и поступает к получателю. Та часть приёмного устройства, которая осуществляет анализ приходящего сигнала и принимает решение о переданном сообщении, называется решающей схемой.

Передача сигнала от источника к получателю осуществляется по линии связи.

Линией связи называется среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приёмнику. В системах проводной связи – это кабель, волновод или волокно, в системах радиосвязи – область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны.

Теперь можно дать определение системы связи. Совокупность технических средств для передачи сообщений от источника к потребителю называется системой связи. По виду передаваемых сообщений различают следующие системы связи: передача речи (телефония); передача текста (телеграфия); телекс, телетекс; передача неподвижных изображений (фототелеграфия, факсимильные сообщения); передача изображений (телевидение); телеизмерение, телеуправление и передача данных. По значению телефонные и телевизионные системы делят на вещательные, отличающиеся высокой степенью художественности воспроизведения сообщений, и профессиональные, имеющие специальное применение (служебная связь, промышленное телевидение и т.п.).

В системе телеизмерения физическая величина, подлежащая измерению (температура, давление, скорость и т.п.), с помощью датчиков воздействует на передатчик, где она преобразовывается в сигнал и передаётся по каналу. На приёмном конце переданную физическую величину или её изменения выделяют из сигнала и наблюдают или регистрируют с помощью приборов.

В системе телеуправления осуществляется передача команд для автоматического выполнения определённых действий. Нередко эти команды формируют автоматически на основании результатов измерения, переданных телеметрической системой.

Системы передачи данных также могут иметь различное применение. В частности, они являются неотъемлемой частью телеметрических и телемеханических систем, автоматизированных систем управления (АСУ), компьютерных сетей.

Каналом связи называется совокупность средств, обеспечивающих передачу сигнала от некоторой точки А системы до точки В. Точки А и В могут быть выбраны произвольно, лишь бы между ними проходил сигнал. Каналы связи характеризуются тремя параметрами временем передачи Тк, полосой пропускания Fк и динамическим диапазоном Дк.

Тк – время в течение которого ведётся передача.

Fк – диапазон частот пропускаемых каналом (АЧХ> 0,707).

Pп – мощность помехи.

Обобщённой характеристикой канала является его объём:

Необходимым условием неискажённой передачи по каналу сигналов с объёмом Vс, очевидно, д. б.

Преобразование первичного сигнала в высокочастотный сигнал и преследует цель согласования сигнала с каналом. В простейшем случае сигнал согласуют с каналом по всем трём параметрам, т.е. добиваются выполнения условий:

При этих условиях объём сигнала полностью «вписывается» в объём канала. Однако условие неискажённой передачи может выполняться и тогда, когда одно или два из вышеприведённых неравенств не выполнены. Это означает, что можно производить «обмен» длительности на ширину спектра или ширины спектра на динамический диапазон и т. д.

В реальном канале сигнал при передаче искажается, и сообщение воспроизводится с некоторой ошибкой. Причиной таких ошибок являются искажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздействующие на сигнал.

Частотные и временные характеристики канала определяют так называемые линейные искажения. Кроме того, канал может вносить и нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью тех или иных звеньев канала. Искажения могут быть устранены соответствующим конструированием аппаратуры связи и коррекцией характеристик каналов.

Помехи имеют случайный характер, заранее неизвестны и поэтому не могут быть, как искажения, полностью устранены.

Помехой называется любое случайное воздействие на сигнал, которое ухудшает верность воспроизведения передаваемых сообщений. Помехи разнообразны как по своему происхождению, так и по физическим свойствам.

В проводных каналах связи основным видом помех являются:

импульсные шумы, часто связанные с автоматической коммутацией и перекрёстными наводками;

прерывания связи – явление, при котором сигнал в линии резко затухает или исчезает.

В радиоканалах основные виды помех:

атмосферные, обусловленные электрическими процессами в атмосфере и, прежде всего, грозовыми разрядами;

индустриальные, возникающие из-за резких изменений тока в электрических цепях всевозможных электроустройств;

помехи от посторонних радиостанций и каналов.

При радиосвязи в диапазоне ультракоротких волн сказываются:

внутренние шумы аппаратуры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в элементах аппаратуры;

космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на внеземных объектах.

В общем виде влияние помехи n (t) на передоваемый сигнал u (t) можно выразить оператором:

Когда оператор вырождается в сумму:

помеха называется аддитивной.

Если же оператор может быть представлен в виде произведения:

то помеху называют мультипликативной.

В реальных каналах обычно имеют место и аддитивные и мультипликативные помехи, поэтому:

Среди аддитивных помех различного происхождения особое место занимает флуктуационная помеха (флуктуационный шум), представляющая собой случайный процесс с нормальным распределением вероятностей (гауссовский процесс). Такая помеха наиболее изучена и представляет наибольший интерес, как в теоретическом, так и в практическом отношении. Этот вид помех практически имеет место во всех реальных каналах.

При оценке работы системы связи необходимо, прежде всего, учесть, какую точность передачи сообщения обеспечивает система и с какой скоростью передаётся информация. Первое определяет качество информации, второе – количество. В правильно спроектированной и технически исправной системе связи искажения сообщений обусловлены лишь воздействием помех. В этом случае качество передачи полностью определяется помехоустойчивостью системы.

Под помехоустойчивостью обычно понимают способность системы противостоять вредному влиянию помех на передачу сообщений. Так как действие помех проявляется в том, что принятое сообщение отличается от переданного, то количественно помехоустойчивость при заданной помехе можно характеризовать степенью соответствия принятого сообщения переданному. Эта величина называется верностью или достоверностью.

Если сообщение представляет собой дискретную последовательность элементов, влияние помехи на передачу такого сообщения проявляется в том, что вместо фактически переданного элемента может быть принят какой-либо другой, такое событие называется ошибкой. В этом случае в качестве количественной меры верности можно взять вероятность ошибки p или любую монотонную функцию этой вероятности.

При передаче непрерывных сообщений степенью соответствия принятого сообщения
переданному
может служить некоторая величина, представляющая собой «расстояние» междуи. Часто принимают критерий квадратичного отклонения:

Наряду с верностью важнейшим показателем работы системы связи является скорость передачи.

В системах передачи дискретных сообщений скорость измеряется числом передаваемых двоичных символов (импульсов) в единицу времени.

Максимальную скорость передачи R mах, допускаемую данной системой связи при условии, что канал не вносит ошибок и искажений, принято называть пропускной способностью системы. Пропускную способность системы передачи непрерывных сообщений оценивают количеством одновременно передаваемых телефонных разговоров, радиовещательных и телевизионных программ и т.п.

Пропускную способность системы R mах не следует, путать с пропускной способностью канала связи С. Она характеризует, максимальное количество информации, которое может быть передано по данному каналу в единицу времени.

Пропускная способность системы связи – понятие техническое, характеризующее используемую аппаратуру, а пропускная способность канала – это фундаментальное теоретическое понятие, определяющее потенциальные возможности системы связи использующей данный канал, если на сложность и стоимость аппаратуры не наложено никаких ограничений и к тому же допускается любая задержка переданных сообщений.

Под задержкой понимается максимальное время, прошедшее между моментом подачи сообщения от источника на вход передающего устройства и моментом выдачи восстановленного сообщения приёмным устройством. Задержка является одной из важных характеристик системы связи. Она зависит от характера и протяжённости канала связи, а также от длительности обработки сигнала в передающем и приёмном устройствах.

Информация - сведения о каких-либо процессах, событиях, фактах или предметах. Известно, что 80..90% информации человек получает через органы зрения и 10..20% - через органы слуха. Другие органы чувств дают в сумме 1..2% информации. Физиологические возможности человека не позволяют обеспечить передачу больших объемов информации на значительные расстояния.

Связь - техническая база, обеспечивающая передачу и прием информации между удаленными друг от друга людьми или устройствами. Аналогия между связью и информацией такая же, как у транспорта и перевозимого груза. Средства связи не нужны, если нет информации, как не нужны транспортные средства при отсутствии груза.

Сообщение - форма выражения (представления) информации, удобная для передачи на расстояние. Различают оптические (телеграмма, письмо, фотография) и звуковые (речь, музыка) сообщения. Документальные сообщения наносятся и хранятся на определенных носителях, чаще всего на бумаге. Сообщения, предназначенные для обработки на ЭВМ, принято называть данными .

Информационный параметр сообщения - параметр, в изменении которого "заложена" информация. Для звуковых сообщений информационным параметром является мгновенное значение звукового давления, для неподвижных изображений - коэффициент отражения, для подвижных - яркость свечения участков экрана.

По характеру изменения информационных параметров различают непрерывные и дискретные сообщения.

Сигнал - физический процесс, отображающий передаваемое сообщение. Отображение сообщения обеспечивается изменением какой-либо физической величины, характеризующей процесс. Эта величина является информационным параметром сигнала .

Сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными . Информационный параметр непрерывного сигнала с течением времени может принимать любые мгновенные значения в определенных пределах. Непрерывный сигнал часто называют аналоговым . Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Часто этот параметр принимает всего два значения. На Рис. 3.1 показаны виды аналогового и дискретного сигналов.

В технике связи наряду с абсолютными единицами измерения параметров электрических сигналов (мощность, напряжение и ток) широко используются относительные единицы.

Уровнем передачи сигнала в некоторой точке канала или тракта называют логарифмическое преобразование отношения энергетического параметра S (мощности, напряжения или тока) к отсчетному значению этого же параметра.

Правило преобразования определяется формулой:

где m - масштабный коэффициент; a - основание логарифма.

Уровни передачи измеряются в децибелах, если справедливы соотношения:

для уровней по мощности, дБм;

для уровней по напряжению, дБн;

Уровень передачи называется абсолютным, если P 0 =1 мВт. Если теперь задать R 0 , то при заданных значениях мощности и сопротивления легко получить соответствующие величины напряжения U 0 и тока I 0:

При R 0 = 600 Ом в практических расчетах принимают округленные значения: для U 0 = 0,775 В, а для I 0 = 1,29 мА.

Измерительные уровни служат для определения уровней передачи с помощью измерительных приборов, называемых указателями уровня.

Для измерения уровня наиболее часто применяется схема известного генератора, показанная на Рис. 3.2.

Рис. 3.1 Виды сигналов: а - аналогового, б - дискретного

Рис. 3.2 Схема известного генератора

В этой схеме ко входу исследуемого объекта, например некоторого четырехполюсника, подключается генератор испытательного сигнала с полностью определенными параметрами, т.е. должно быть известно его выходное сопротивление R Г, развиваемая ЭДС E Г (или напряжение на входе объекта U ВХ). Входное сопротивление объекта R Г также должно быть известно. К выходу объекта подключается указатель уровня с входным сопротивлением, равным номинальному значению сопротивления нагрузки; реальная нагрузка при этом отключается.

В качестве испытательного при измерении уровней передачи чаще всего применяют одночастотный синусоидальный сигнал, частота которого также должна быть известна, а начальная фаза, как правило, не фиксируется.

Если по значению параметров подключенный генератор испытательного сигнала обладает свойством нормального, т.е. его внутреннее сопротивление равно 600 Ом, развиваемая ЭДС равна 1,55 В, то измеренный на сопротивлении R Н уровень называется измерительным.

В дальнейшем будем рассматривать принципы и средства связи, основанные на использовании электрической энергии в качестве переносчиков сообщений, т.е. электрических сигналов . Выбор электрических сигналов для переноса сообщений на расстояние обусловлен их высокой скоростью распространения (около 300 км/мс)

Описание сигналов электросвязи некоторым образом необходимо для их адекватной обработки в процессе передачи. Описанием сигнала может служить некоторая функция времени. Определив так или иначе данную функцию, определяем и сигнал. Однако такое полное определение сигнала не всегда требуется. Достаточно описание в виде нескольких параметров , характеризующих основные свойства сигнала с точки зрения его передачи.

Если провести аналогию с транспортированием грузов, то для транспортной сети определяющими параметрами груза являются его масса и габариты. Сигнал также является объектом транспортирования, а техника связи - техникой транспортирования (передачи) сигналов по каналам связи.

Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных.

Телефонный (речевой) сигнал . Звуки речи образуются в результате прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа. Частота импульсов основного тона (f 0 на Рис. 3.3) лежит в пределах от 50..80 Гц (бас) до 200..250 Гц (женский и детский голоса). Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40) (2f 0 ,..,nf 0 на Рис. 3.3), причем их амплитуды убывают с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву (кривая 1 на Рис. 3.3). (Напомним, что октавой называется диапазон частот, верхняя частота которого в два раза выше нижней. Т.о. амплитуда гармоники 2f 0 на 12 дБ больше, чем гармоники 4f 0 и т.д.). При разговоре частота основного тона f 0 меняется в значительных пределах.

Рис. 3.3 Спектральный состав речевого сигнала

В процессе прохождения воздушного потока из легких через голосовые связки и полости рта и носа образуются звуки речи, причем мощность гармоник частоты основного тона меняется (кривая 2 на Рис. 3.3). Области повышенной мощности гармоник частоты основного тона называются формантами (см. Рис. 3.3). Различные звуки речи содержат от двух до четырех формант. Высокое качество передачи телефонного сигнала характеризуется уровнем громкости, разборчивостью, естественным звучанием голоса, низким уровнем помех. Эти факторы определяют требования к телефонным каналам.

Основными параметрами телефонного сигнала являются:

­ мощность телефонного сигнала P ТЛФ. Согласно данным МСЭ-Т средняя мощность телефонного сигнала в точке с нулевым измерительным уровнем на интервале активности составляет 88 мкВт. С учетом коэффициента активности (0,25) средняя мощность телефонного сигнала P СР равна 22 мкВт. Кроме речевых сигналов в канал связи могут поступать сигналы управления, набора номера и пр. С учетом этих сигналов среднюю мощность телефонного сигнала принимают равной 32 мкВт, т.е. средний уровень телефонного сигнала составляет p СР = 10 lg (32 мкВт/1мВт) = - 15 дБм0;

­ коэффициент активности телефонного сообщения, т.е. отношение времени, в течение которого мощность сигнала на выходе канала превышает заданное пороговое значение, к общему времени занятия канала для разговора. При разговоре каждый из собеседников говорит приблизительно 50% времени. Кроме того, отдельные слова, фразы отделяются паузами. Поэтому коэффициент активности составляет 0,25..0,35.

­ динамический диапазон определяется выраженным в децибелах отношением максимальной и минимальной мощности сигнала

Динамический диапазон телефонного сигнала составляет D С =35...40 дБ;

­ пик-фактор сигнала

который составляет 14 дБ. При этом максимальная мощность, вероятность превышения которой исчезающе мала, равна 2220 мкВт (+3,5 дБм0);

­ энергетический спектр речевого сигнала - область частот, в которой сосредоточена основная энергия сигнала (Рис. 3.4)

где - спектральная плотность среднего квадрата звукового давления; - порог слышимости (минимальное звуковое давление, которое начинает ощущаться человеком с нормальным слухом на частотах 600..800 Гц); ?f = 1 Гц. Из Рис.3.4 следует, что речь представляет собой широкополосный процесс, частотный спектр которого простирается от 50..100 Гц до 8000..10000 Гц. Установлено, однако, что качество речи получается вполне удовлетворительным при ограничении спектра частотами 300..3400 Гц. Эти частоты приняты МСЭ-Т в качестве границ эффективного спектра речи. При указанной полосе частот слоговая разборчивость составляет около 90%, разборчивость фраз - более 99% и сохраняется удовлетворительная натуральность звучания.

Рис. 3.4 Энергетический спектр речевого сигнала

Сигналы звукового вещания . Источником звука при передаче программ вещания обычно являются музыкальные инструменты или голос человека.

Динамический диапазон вещательной передачи следующий: речь диктора 25..35 дБ, художественное чтение 40..50 дБ, вокальные и инструментальные ансамбли 45..55 дБ, симфонический оркестр до 65 дБ. При определении динамического диапазона максимальным считается уровень, вероятность превышения которого равна 2%, а минимальным - 98%.

Средняя мощность сигнала вещания существенно зависит от интервала усреднения. В точке с нулевым измерительным уровнем средняя мощность составляет 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт - за минуту и 4500 мкВт - за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания в точке с нулевым измерительным уровнем составляет 8000 мкВт.

Частотный спектр сигнала вещания расположен в полосе частот 15..20000 Гц. При передаче как телефонного сигнала, так и сигналов вещания полоса частот ограничивается. Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) эффективная полоса частот должна составлять 0,05..10 кГц, для безукоризненного воспроизведения программ (каналы высшего класса) 0,03...15 кГц.

Факсимильный сигнал формируется методом построчный развертки. Частотный спектр первичного факсимильного сигнала определяется характером передаваемого изображения, скоростью развертки и размерами сканирующего пятна. Для параметров факсимильных аппаратов, рекомендованных МСЭ-Т, верхняя частота сигнала может составлять 732, 1100 и 1465 Гц. Динамический диапазон сигнала составляет около 25 дБ, пик-фактор равен 4,5 дБ при 16 градациях яркости.

Телевизионный сигнал также формируется методом развертки. Анализ показывает, что энергетический спектр телевизионного сигнала сосредоточен в полосе частот 0..6 МГц. Динамический диапазон D С 40 дБ, пик-фактор 4,8 дБ.

Основным параметром дискретного сигнала с точки зрения его передачи является требуемая скорость передачи (бит/с).

Аналогичные параметры определяются и для каналов связи. Параметры каналов связи должны быть не меньше соответствующих параметров сигналов.

Свести параметры аналоговых сигналов к единому параметру (скорости передачи) позволяет преобразование этих сигналов в цифровые (см. подраздел 8.2 "Цифровая обработка аналоговых сигналов").

Система электросвязи - совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сообщений . Обобщенная структурная схема систем электросвязи показана на Рис. 3.5.

Рис. 3.5 Обобщенная структурная схема систем электросвязи

Сообщение при помощи преобразователя сообщение-сигнал преобразуется в первичный электрический сигнал. Первичные сигналы не всегда удобно (а иногда невозможно) непосредственно передавать по линии связи. Поэтому первичные сигналы при помощи передатчика ПРД преобразуются в так называемые вторичные сигналы, характеристики которых хорошо согласуются с характеристиками линии связи.

Канал связи - совокупность технических устройств (преобразователей) и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов на расстояние.

Каналы и системы связи, использующие искусственную среду распространения (металлические провода, оптическое волокно), называются проводными, а каналы и системы связи, в которых сигналы передаются через открытое пространство - радиоканалами и радиосистемами.

Условная классификация современных видов электросвязи показана на Рис. 3.6. Все виды электросвязи по типу передаваемых сообщений могут быть разделены на предназначенные для передачи звуковых сообщений, оптических сообщений в виде подвижных изображений, оптических сообщений в виде неподвижных изображений и сообщений между ЭВМ. В зависимости от назначения сообщений виды электросвязи могут быть разделены на предназначенные для передачи сообщений индивидуального и массового характера.

Рис. 3.6 Современные виды электросвязи

Приведенная на Рис. 3.6 классификация достаточно условна, поскольку в последнее время наметилась тенденция объединения видов электросвязи в единую интегральную систему на основе цифровых методов передачи и коммутации для передачи всех видов сообщений.

Подобные документы

Предназначение канала связи для передачи сигналов между удаленными устройствами. Способы защиты передаваемой информации. Нормированная амплитудно-частотная характеристика канала. Технические устройства усилителей электрических сигналов и кодирования.

контрольная работа , добавлен 05.04.2017


Связь как отрасль хозяйства, обеспечивающая прием и передачу информации. Особенности и устройство телефонной связи. Услуги спутниковой связи. Сотовая связь как один из видов мобильной радиосвязи. Передача сигнала и соединение с помощью базовой станции.

презентация , добавлен 22.05.2012


Ретранслятор как комплекс оборудования, предназначенного для обеспечения связи между двумя и более радиопередатчиками, удаленными друг от друга на большие расстояния. Принцип его действия, структура и компоненты. Выбор внешней и внутренней антенны.

курсовая работа , добавлен 26.01.2015


Характеристики и параметры сигналов и каналов связи. Принципы преобразования сигналов в цифровую форму и требования к аналогово-цифровому преобразователю. Квантование случайного сигнала. Согласование источника информации с непрерывным каналом связи.

курсовая работа , добавлен 06.12.2015


Современные виды электросвязи. Описание систем для передачи непрерывных сообщений, звукового вещания, телеграфной связи. Особенности использования витой пары, кабельных линий, оптического волокна. Назначение технологии Bluetooth и транковой связи.

реферат , добавлен 23.10.2014


Зарождение концепции многоуровневой иерархической структуры сети телефонной связи. Электронная технология, позволившая перевести все средства телефонии на элементную базу. Развитие IР-телефонии, обеспечивающей передачу речи по сетям пакетной коммутации.

реферат , добавлен 06.12.2010


Функциональная схема и основные элементы цифровой системы. Каналы связи, их характеристики. Обнаружение сигнала в гауссовом шуме. Алгоритмы цифрового кодирования. Полосовая модуляция и демодуляция. Оптимальный прием ДС сигнала. Методы синхронизации в ЦСС.

курс лекций , добавлен 02.02.2011


Расчет практической ширины спектра сигнала и полной энергии сигнала. Согласование источника информации с каналом связи. Расчет интервала дискретизации и разрядности кода, вероятности ошибки при воздействии "белого шума". Определение разрядности кода.

курсовая работа , добавлен 07.02.2013


Схема цифрового канала связи. Расчет характеристик колоколообразного сигнала: полной энергии и ограничения практической ширины спектра. Аналитическая запись экспоненциального сигнала. Временная функция осциллирующего сигнала. Параметры цифрового сигнала.

курсовая работа , добавлен 07.02.2013


Принцип действия телефонной сети. Классификация внутриучрежденских телефонных систем, их достоинства. Некоторые правила телефонного общения секретаря с клиентом. Основные стандарты сотовой радиотелефонной связи. Особенности и удобство факсимильной связи.

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Краткая информация о видах электросвязи Электросвязь - передача информации посредством электрических сигналов, распространяющихся по проводам (проводная связь), или (и) радиосигналов (радиосвязь). К электросвязи относят, кроме того, передачу информа...