Лекция 1. Общие сведения о системах электрической связи 1.1. Информация, сообщения, сигналы и помехи Системы связи предназначены для передачи информации. - презентация

1 Лекция 1. Общие сведения о системах электрической связи 1.1. Информация, сообщения, сигналы и помехи Системы связи предназначены для передачи информации. Информация передается посредством сообщений. Таким образом, сообщение – форма представления информации. Сообщения – это совокупность сведений об окружающих нас предметах, явлениях. Примерами сообщений могут служить текст телеграммы, фраза в телефонном разговоре, последовательность цифр при передаче данных, изображение в системе фототелеграфии, последовательность изображений (кадров) в системе телевидения и т.п. Сообщение представляет собой совокупность знаков (символов). Например, текст телеграммы состоит из букв, цифр, пробелов и специальных знаков, а телеграфное сообщение, готовое для передачи по каналу связи, – из канальных символов (например, из «точек», «тире» и пауз при использовании «азбуки Морзе»).

2 В системе черно-белого телевидения сообщением является последовательность кадров, каждый из которых, в свою очередь, представляет собой последовательность значений яркости, упорядоченных согласно схеме телевизионной развертки. В телефонии сообщение – непрерывная последовательность значений напряжения (тока), отображающая изменение во времени звукового давления на мембрану микрофона. Из приведенных примеров становится ясно, что сообщения могут быть дискретными (состоящими из символов, принадлежащих конечному множеству – алфавиту) или непрерывными (континуальными, аналоговыми), описываемыми функциями непрерывного времени. Для передачи сообщения необходим материальный носитель, называемый сигналом. Сигналом может быть свет костра, удар барабана, звук речи или свистка, предмет, находящийся в условленном месте, взмах флажка или шпаги и т.п.

3 В современных системах связи используются разнообразные сигналы с различными свойствами. Эти сигналы могут быть классифицированы, хотя любая классификация достаточна условна. На рисунке представлена классификация, в основу которой положен принцип математического описания сигналов, используемый для теоретического изучения и проведения расчетов.

4 Математическое описание и представление сигналов позволяет создать математическую модель сигнала. Если математическая модель позволяет точно описать сигнал, то такой сигнал называется детерминированным. В случае невозможности точного описания сигнала в любые моменты времени, сигнал называется случайным. Высокочастотное модулированное колебание называется радиосигналом. Сигнал без высокочастотного заполнения является видеосигналом. Если сигнал может быть описан функцией s(t) = s(t + T), где T – период, он называется периодическим. При невозможности такого представления, сигнал является непериодическим.

5 Сигнал, описывающий во времени непрерывно изменяющийся процесс, называется аналоговым. Сигнал конечной длительности является импульсным. Иногда удобно передавать только значения непрерывного сигнала (отсчеты или выборки), взятые в отдельные моменты времени. Такой квантованный по времени сигнал называется дискретным. Если же передавать не сами выборки в виде коротких импульсов, а их числовые значения, то сначала необходимо эти значения получить. Эта процедура в технике связи называется квантованием по уровню. Таким образом, сигнал, квантованный по времени и уровню, называется цифровым. Интересно отметить, что детерминированные сигналы не несут в себе никакой информации. Однако с их помощью возможно передавать информацию, если случайным будет расположение сигналов на временной оси. Например, телеграфный сигнал состоит из импульсов прямоугольной формы с заданными параметрами (первый стартовый, последний стоповый импульсы).

6 На рис представлена другая возможная классификация сигналов. Рис. 1.2.

7 По виду передаваемых сообщений сигналы, например, можно разделить на радиовещательные, телевизионные, телеграфные и т. д. По полосе частот сигналы обычно подразделяются на узкополосные и широкополосные. Для широкополосных сигналов ΔF/Fср >> 1, где ΔF = Fmax - Fmin – абсолютная ширина спектра сигнала, Fср = (Fmax + Fmin)/2 – средняя частота спектра сигнала, Fmax – максимальная частота в спектре сигнала, Fmin – минимальная частота в спектре сигнала. Для узкополосных сигналов ΔF/Fср < 1. Сигналы так же делятся на сложные и простые в зависимости от величины базы сигнала В (произведение длительности сигнала на ширину полосы его спектра). Для сложных сигналов В > 1, где ΔFΔТ – база сигнала, ΔF – абсолютная ширина спектра сигнала, ΔТ – длительность сигнала. Для простых сигналов В = 1.

8 По виду модуляции сигналы различаются по признаку того параметра, который изменяется по закону передаваемого сообщения. Так как любое гармоническое колебание характеризуется амплитудой, частотой и мгновенной фазой, то и радиосигналы бывают с амплитудной модуляцией (АМ), с частотной (ЧМ) и фазовой модуляцией (ФМ). В настоящее время в системах связи используется большое разнообразие сигналов со сложными видами модуляции, например, с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), Кодово-импульсной модуляцией (КИМ), широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). К настоящему времени разработан не один десяток сложных видов модуляции и, естественно, большое количество соответствующих сигналов с различными характеристиками.

9 На рис. 1.3 приведены осциллограммы различных, широко применяемых в системах связи, сигналов. Рис. 1.3.

10 На рис изображены следующие сигналы: а – периодический импульсный, б – непрерывный (аналоговый) радиосигнал с АМ, в – дискретный, г – случайный, д – цифровой кодированный, е – АМн, ж – ЧМн, з – ФМн, и – ФМн. Необходимо также отметить, что жесткой классификации к реальным сигналам применить невозможно. Например, сигнал (рис. 1.3, а) можно классифицировать как детерминированный периодический импульсный видеосигнал, а сигнал (рис. 1.3, з) как случайный радиосигнал с фазовой манипуляцией.

11 Кроме перечисленных, используются и другие признаки классификации сигналов, например, иногда различают информационные и управляющие сигналы (колебания) и т. д. В теории электрической связи принято рассматривать сигнал как «объект транспортировки». С этой точки зрения сигнал можно описать тремя «габаритными характеристиками». Первая из таких характеристик – длительность сигнала T с, измеряемая в секундах (с). Вторая характеристика – ширина спектра, или полоса частот сигнала ΔF с, равная разности наивысшей и низшей частот его гармонических составляющих и измеряемая в герцах (Гц). Третьей «габаритной» характеристикой служит динамический диапазон, измеряемый в децибелах (дБ) и определяемый формулой D c = 20lg(Х max / Х min ), где Х max и Х min – соответственно максимальное и минимальное возможные значения сигнала (напряжения или тока).

12 Произведение этих трех величин называется объемом сигнала: V c =T c ΔF cD c Полезные сигналы отличаются от мешающих тем, что полезные сигналы служат для передачи сообщений, в то время как мешающие являются причиной их искажения (потери информации). Часто полезный сигнал называют просто сигналом, а мешающий – помехой. Сигналы и помехи, рассматриваемые в совокупности, будем называть колебаниями. Помехи могут быть естественными и преднамеренными (искусственными), шумовыми (флуктуационными) и импульсными, активными и пассивными и т.д. Необходимо отметить, что одно и то же колебание может быть полезным сигналом по отношению, например, к одной системе связи или радиолокации и помехой – по отношению к другой.

13 Стоит также отметить, что не все помехи, как и не все сигналы, являются случайными (если помеха детерминирована, то её можно исключить из наблюдаемого колебания и таким образом избавиться от её вредного воздействия на сообщение). На рис. 1.6 приведены примеры случайного сигнала и случайной (шумовой) помехи. Рис Случайный (речевой) сигнал (а) и случайная помеха (шум) (б) По способу взаимодействия с сигналом помехи подразделяются на аддитивные (от англ. add – складывать), мультипликативные (от англ. multiply – умножать) и смешанные (т.е. все взаимодействия, не сводимые к аддитивному или мультипликативному).

14 1.2. Общие принципы построения систем связи Современная система связи представляет собой сложную совокупность устройств, выполняющих преобразования сообщений и сигналов с целью наиболее эффективной передачи информации. К показателям эффективности относятся достоверность и скорость передачи информации, а также некоторые другие величины. Сообщения – это совокупность сведений об окружающих нас предметах, явлениях. Сообщения могут быть звуковыми (речь, музыка), световыми (изображения неподвижных и подвижных объектов), текстовыми (буквенно-цифровые сообщения). Обобщенная структурная схема системы связи (рис. 1.7) отражает наиболее типичные преобразования, которым подвергается сообщение в системе связи, она справедлива для любых видов сообщений. Рассмотрим назначение основных блоков системы связи.

15 Рис Обобщенная структурная схема системы связи Источник информации – источник сообщения подлежащего передаче (человек, окружающая среда и т.п.).

16 Кодер: а) преобразует неэлектрическое сообщение в электрический сигнал б) преобразует аналоговый (непрерывный) сигнал в дискретный (цифровой); в) осуществляет кодирование с целью уменьшения необходимой скорости передачи информации при заданном качестве (устранение избыточности сообщения); г) осуществляет помехоустойчивое кодирование, позволяющее улучшить качество принимаемого сообщения. Генератор несущий – генерирует колебания с постоянной амплитудой, частотой, фазой. Модулятор – изменяет амплитуду, частоту или фазу носителя в соответствие с модулирующим сигналом, поступающим от кодера. Выходное устройство – усиливает сигнал, для обеспечения заданного качества связи и ограничивает спектр излучаемого сигнала до полосы частот, отведённой для заданной системы связи.

17 Кодер, модулятор, генератор несущей и выходное устройство образуют передатчик. Линия связи – совокупность технических устройств (кабель, двухпроводная линия, оптическая линия связи) или эфир, по которым сигнал поступает от передатчика к приёмнику. Напряжение на входе приёмника можно записать как: U при (t) – напряжение на входе приёмника; K(t) – мультипликативная помеха (это переменный коэффициент передачи линии связи); U прд – напряжение на выходе передатчика; x(t) – аддитивная помеха (тепловой шум, помеха от соседних передатчиков, помехи от различных технических устройств и т.п.).

18 Входное устройство – выделяет сигнал своего передатчика, отфильтровывает (не пропускает) сигналы соседних по частоте передатчиков и часть помех, усиливает сигнал. Демодулятор – преобразует ВЧ модулированный сигнал в НЧ модулирующий (~соответствующий сигналу на входе модулятора). Декодер: а) принимает решение по каждой посылке (1 или 0); б) декодирует кодовые комбинации, исправляет часть ошибок; г) преобразует кодовые комбинации в сообщения удобные для получателя. Получатель сообщения – человек, компьютер или другие технические устройства. Входное устройство, демодулятор и декодер образуют приемник. КОДЕР + ДЕКОДЕР = КОДЕК МОДУЛЯТОР + ДЕМОДУЛЯТОР = МОДЕМ КОДЕР+МОДУЛЯТОР+ДЕКОДЕР+ДЕМОДУЛЯТОР = КОДЕМ

19 С кодированием не следует путать шифрование сообщений. Цель шифрования состоит в предотвращении несанкционированного извлечения или преднамеренного изменения информации. При шифровании производится замена открытого сообщения шифрограммой (шифр-текстом), а при расшифровании происходит обратное преобразование. Шифрование выполняется до преобразования сообщения в первичный сигнал или в кодовую последовательность. Таким образом, для модуляции в зависимости от сложности системы применяется первичный сигнал или последовательность кодовых символов. В качестве переносчика часто используют гармоническое колебание Acos(ωt+φ), которое имеет три параметра: амплитуду A, круговую частоту ω = 2πf и начальную фазу φ. Поэтому возможны три вида модуляции гармонического переносчика аналоговым сигналом: амплитудная модуляция (АМ), частотная модуляция (ЧМ) либо фазовая модуляция (ФМ), рис. 1.8.

20 Рис Несущее гармоническое колебание (а) и получаемые на его основе модулированные сигналы: АМ (б), ЧМ (в) и ФМ (г) Во многих случаях роль переносчика в системах связи играет периодическая последовательность импульсов одинаковой формы (часто импульсы считают в первом приближении прямоугольными).

21 При заданной форме импульсов последовательность характеризуется амплитудным (пиковым) значением, длительностью импульсов и периодом повторения. Поэтому при аналоговом первичном сигнале различают: – амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), по закону изменения первичного сигнала изменяется амплитуда импульсов; – широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), изменяется длительность («ширина») импульсов; – времяимпульсную модуляцию (ВИМ), изменяется время задержки импульсов относительно среднего положения; – частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ), в такт с первичным сигналом изменяется частота следования импульсов. Широко применяют также модуляцию гармонического колебания квантованным (цифровым) первичным сигналом. Различают три вида дискретной (цифровой) модуляции (манипуляции): амплитудную (ДАМ, ЦАМ), частотную (ДЧМ, ЦЧМ) и фазовую (ДФМ, ЦФМ), рис. 1.9.

22 Рис Виды дискретной модуляции (манипуляции) гармонического колебания: ДАМ (а), ДЧМ (б), ДФМ (в) Колебание при дискретной модуляции характеризуют технической скоростью (скоростью модуляции, скоростью телеграфирования), равной количеству элементарных посылок в секунду. Единицей измерения скорости модуляции является бод (1 бод соответствует одной посылке в секунду). Демодуляция заключается в восстановлении первичного сигнала по принятому искаженному колебанию, а декодирование – в восстановлении дискретного сообщения по демодулированному сигналу.

23 Часто перед демодуляцией применяют дополнительное преобразование с целью повышения достоверности (уменьшения вероятности ошибки). Такое преобразование называют обработкой. Оптимальной называется обработка, обеспечивающая наивысшую достоверность решения. Если оптимальная обработка оказывается слишком сложной и/или дорогостоящей, применяют квазиоптимальную (субоптимальную) обработку, которая проще и дешевле и при этом обеспечивает достоверность, близкую к предельной. Часто квазиоптимальная обработка представляет собой фильтрацию принятого колебания с целью подавления помех.

24 1.3. Классификация систем связи По виду передаваемых сообщений различают: - телеграфию (передача текста), - телефонию (передача речи), - фототелеграфию (передача неподвижных изображений), - телевидение (передача подвижных изображений), - телеметрию (передача результатов измерений), - телеуправление (передача управляющих команд), - передачу данных (в вычислительных системах и АСУ). По диапазону частот – в соответствии с декадным делением диапазонов электромагнитных волн от мириаметровых (3÷30) к Гц до децимиллиметровых (300÷3000) ГГц. По назначению – вещательные (высококачественная передача речи, музыки, видео от малого числа источников сообщений большому количеству их получателей) и профессиональные (связные), в которых число источников и получателей сообщений одного порядка.

25 Различают следующие режимы работы СС: 1) симплексный (передача сигналов в одном направлении); 2) дуплексный (одновременная передача сигналов в прямом и обратном направлениях); 3) полудуплексный (поочередная передача сигналов в прямом и обратном направлениях); Каналом связи называется комплекс радиотехнических устройств, при помощи которых передается и принимается информация, плюс среда между ними. В зависимости от вида сигналов на входе и выходе различают каналы: - непрерывные; - дискретные; - дискретно-непрерывные; - непрерывно-дискретные.

26 Каналы связи можно характеризовать по аналогии с сигналами следующими тремя параметрами: - временем доступа Т к, - шириной полосы пропускания ΔF к, - динамическим диапазоном [дБ], где P к.доп. – максимально допустимая мощность сигнала в канале, P ш – мощность собственных шумов канала. Обобщенным параметром канала является его емкость: Очевидным необходимым условием согласования сигнала и канала является выполнение неравенства V c < V к.