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»).

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.

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.

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.

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).

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

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.

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.

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

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.

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).

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.

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).

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.

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

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.

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.).

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

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.