Лекция 1. Общие понятия и определения

 

На рисунке 1.1 изображена структурная схема простейшей системы связи. Источни­ком сообщений и получателем может быть человек, автомат, вычислительная машина и т.п.

 

 

Рис. 1.1 Структурная схема системы связи

 

Устройство, преобразующее сообщение в сигнал, называется передающим уст­ройством, а устройство, преобразующее принятый сигнал обратно в сообщение, приемным устройством. Передающее устройство включает в себя преобразователь сообщения в первичный сигнал и передатчик. Соответственно приемное устройство состоит из приемника и преобразователя сигнала в сообщение.

С помощью преобразователя в передающем устройстве сообщение а, которое может иметь любую физическую природу (изображение, звуковое колебание и т. п.), преобразуется в первичный электрический сигнал .

В передатчике первичный сигнал (обычно низкочастотный) преобразуется во вторичный (высокочастотный) сигнал , пригодный для передачи по используемому каналу. Такое преобразование осуществляется посредством модуляции.

Преобразование сообщения в сигнал должно быть обратимым. В этом случае по выходному сигналу можно, в принципе, восстановить входной первичный сигнал, т. е. получить всю информацию, содержащуюся в переданном сообщении.

Линией связи называется среда, используемая для передачи сигналов от передат­чика к приемнику. В системах электрической связи — это кабель или волновод, в систе­мах радиосвязи — область пространства, в котором распространяются электромагнит­ные волны от передатчика к приемнику. При передаче сигнал может искажаться и на него могут накладываться помехи .

Приемное устройство обрабатывает принятое колебание и восста­навливает по нему переданное сообщение а. Другими словами, приемник должен на основе анализа суммарного колебания пришедшего сигнала и помехи определить, какое сообщение а передавалось. Поэтому приемное устройство является одним из наиболее ответственных и сложных элементов системы связи.

Совокупность технических средств, служащих для передачи сообщений от ис­точника к потребителю, называется системой связи. Этими средствами являются пере­дающее устройство, линия связи и приемное устройство.

По виду передаваемых сообщений различают следующие системы связи: переда­чи речи (телефония); передачи текста (телеграфия); передачи неподвижных изображе­ний (фототелеграфия); передачи изображений (телевидение), телеизмерения, телеуп­равления и передачи данных. По назначению телефонные и телевизионные системы делятся 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 передается по каналу. На приемном конце переданная физическая величина или ее изменения выделяются из сигнала и наблюдаются или регистрируются с помощью приборов.

В системе телеуправления осуществляется передача команд для автоматического выполнения определенных действий. Нередко эти команды формируются 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).

Каналом связи называется - совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сигнала от некоторой точки А системы до другой точки В (рис. 1.2). Точки A и В могут быть выбраны произвольно, лишь бы между ними проходил сигнал. Вся часть системы связи, расположенная до точки А, является источником сигнала для этого канала. Если сигналы, поступающие на вход канала и снимаемые с его выхода, являются дискретными (по состояниям), то канал называется дискретным. Если входные и вы­ходные сигналы канала являются непрерывными, то и канал называется непрерывным. Встречаются также дискретно-непрерывные и непрерывно-дискретные каналы, на вход которых поступают дискретные сигналы, а с выхода снимаются непрерывные или наоборот.

 

 

Рис 1.2 Канал связи

 

Из сказанного ранее видно, что канал может быть дискретным или непрерывным неза­висимо от характера передаваемых сообщений. Более того, в одной и той же системе связи можно выделить как дискретный, так и непрерывный каналы. Все зависит от того, каким образом выбраны точки А и В входа и выхода канала.

Непрерывный канал связи можно характеризовать так же, как и сигнал, тремя па­раметрами: временем , в течение которого по каналу ведется передача, динамическим диапазоном - и полосой пропускания капала . Под динамическим диапазоном канала понимают отношение допустимой мощности передаваемого сигнала к мощности неиз­бежно присутствующей в канале помехи, выраженное в децибелах.

Общими признаками непрерывных каналов являются следующие. Во-первых, большинство каналов можно считать линейным. В таких каналах выходной сигнал является просто суммой входных сигналов и помех (применим принцип суперпозиции). Во -вторых, на выходе капала даже в отсутствие полезного сигнала всегда имеются помехи. В-третьих, сигнал при передаче по каналу претерпевает задержку по времени и затухание по уровню. И, наконец, в реальных каналах всегда имеют место искажения сигнала, обусловленные несовершенством характеристик канала и, нередко, изменения­ми параметров канала во времени.

Обобщенной характеристикой непрерывного канала является его емкость (объем):

 

(1.1)

 

Необходимым условием неискаженной передачи по каналу сигналов с объемом , очевидно, должно быть

 

(1.2)

 

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

 

(1.3)

 

При этих условиях объем сигнала полностью «вписывается» в объем канала. Однако неравенство (1.2) может выполняться и тогда, когда одно или два из неравенств (1.3) не выполнены. Это означает, что можно производить «обмен» длительности на ширину спектра или ширину спектра на динамический диапазон и т. д.

Большой интерес представляет возможность обмена динамического диапазона на полосу пропускания. Так, используя широкополосные помехоустойчивые виды модуляции, можно передать сообщение с динамическим диапазоном, скажем, 60 дБ, по каналу, в котором сигнал превышает помеху всего лишь на 20 дБ. При этом используется полоса пропускания канала, в несколько раз более широкая, чем спектр сообщения.

Система связи называется многоканальной, если она обеспечивает передачу не­скольких сообщений по одной общей линии связи.

 

 

Рис. 1.3 Структурная схема многоканальной системы связи

 

Структурная схема простейшей многоканальной системы связи изображена па рисун­ке 1.3, здесь сообщения , подлежащие передаче, преобразуются в электрические сигналы , затем смешиваются в аппаратуре уплотнения. Полученный таким образом групповой сигнал передается по линии связи. Приемник преобразует принятое колебание в исходный групповой сигнал, из которого затем с помощью устройства разделения выделяются индивидуальные сигналы , преобразуемые в соответствующие сообщения . Для разделе­ния сигналов на приемном конце, очевидно, необходимо, чтобы они различались между собой по некоторому признаку. В практике многоканальной связи применение имеют частотный, временной и кодовый способы разделения.

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. Если линейные и нелинейные искажения обусловлены известными характеристиками канала, то они, по крайней мере в принципе, могут быть устранены путем надлежащей коррекции.

Следует четко отличать искажения от помех, имеющих случайный характер. По­мехи заранее не известны и поэтому не могут быть полностью устранены.

Под помехой понимается любое воздействие на полезный сигнал, затрудняющее его прием. В радиоканалах наиболее распространенными являются атмосферные помехи, обусловленные электрическими процессами в атмосфере, прежде всего, грозовыми разрядами. Энергия этих помех сосредоточена, главным образом, в области длинных и средних волн. Сильные помехи создаются также промышленными установ­ками. Это так называемые индустриальные помехи, возникающие из-за резких измене­ний тока в электрических цепях всевозможных электроустройств. Сюда относятся помехи от электротранспорта, электрических двигателей, медицинских установок, систем зажигания двигателей и т. п.

Распространенным видом помех являются помехи от посторонних радиостанций и каналов. Они обусловлены нарушением регламента распределения рабочих частот, недостаточной стабильностью частот и плохой фильтрацией гармоник сигнала, а также нелинейными процессами в каналах, ведущими к перекрестным искажениям.

В проводных каналах связи основным видом помех являются импульсные шумы и прерывания связи. Появление импульсных помех часто связано с автоматической коммутацией и перекрестными наводками. Прерывание связи есть явление, при

котором сигнал в линии резко затухает или совсем исчезает.

В любом диапазоне частот имеют место внутренние шумы аппара­туры, обусловленные хаотическим движением носителей заряда в усилительных приборах, сопротивлениях и других элементах аппаратуры. Эти помехи особенно сказы­ваются при радиосвязи в диапазоне ультракоротких волн, где другие помехи невелики. В этом диапазоне имеют значение и космические помехи, связанные с электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.

В общем виде влияние помехи на передаваемый сигнал можно выразить оператором

 

(1.4)

 

В частном случае, когда оператор вырождается в сумму

 

(1.5)

 

помеха называется аддитивной. Если же оператор может быть представлен в виде произведения

 

(1.6)

 

то помеху называют мультипликативной. Здесь — случайный процесс. В реальных каналах обычно имеют место и аддитивные и мультипликативные помехи, и поэтому

 

(1.7)

 

Среди аддитивных помех различного происхождения особое место занимает флуктуационная помеха (флуктуационный шум), представляющая собой случайный процесс с нормальным распределением (гауссовский процесс).

С физической точки зрения такие помехи порождаются различного рода флуктуациями, т. е. случайными отклонениями тех или иных физических величин от их средних значений. Так источником шума в электрических цепях могут быть флуктуации тока, обусловленные дискретной природой носителей заряда (электронов, ионов).

Сумма большого числа любых помех от различных источников также имеет ха­рактер флуктуационной помехи. И, наконец, многие помехи при прохождении через приемное устройство часто приобретают свойства нормальной флуктуационной помехи.

Наиболее распространенной причиной шума являются флуктуации, обусловлен­ные тепловым движением. Случайное тепловое движение носителей заряда в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов (напряжение) на его концах. Среднее значение напряжения равно нулю, а переменная составляющая проявляется как шум. Тепловой шум на входе приемника представляет собой нормальный случайный процесс с нулевым средним и энергетическим спектром:

 

(1.8)

 

где Дж с — постоянная Планка; Дж/град. — постоянная Больцмана; Т—абсолютная температура источника шума; —текущая частота.

В диапазоне звуковых и радиочастот , и поэтому спектральная плотность

постоянна и равна

 

(1.9)

 

Величину называют односторонней спектральной плотностью шума. При ширине полосы пропускания приемника F мощность шума равна Вт.

В диапазоне оптических частот, который с развитием квантовой электроники становится весьма перспективным для связи, наоборот, тепловой шум оказывает­ся очень слабым. Однако в этом диапазоне существенное значение получает «квантовый шум», вызванный дискретной природой излучения сигнала.

К импульсным, или сосредоточенным по времени, помехам относят помехи в виде одиночных импульсов, следующих один за другим через такие большие промежутки времени, что переходные явления в приемнике от одного импульса успевают практи­чески затухнуть к моменту прихода следующего импульса. К таким помехам относятся многие виды атмосферных и индустриальных помех. Заметим, что понятия «флуктуационная помеха» и «импульсная помеха» являются понятиями относительными. В за­висимости от частоты следования импульсов одна и та же помеха может воздействовать как импульсная на приемник с широкой полосой пропускания и как флуктуационная на приемник с относительно узкой полосой пропускания.

К сосредоточенным по спектру помехам принято относить сигналы посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты различного назначения (про­мышленных, медицинских) и т.п. В одних случаях эти колебания являются непрерыв­ными (например, сигналы вещательных и телевизионных радиостанций), в других случаях они носят импульсный характер (сигналы радиотелеграфных станций). В отли­чие от флуктуационных и импульсных помех, ширина спектра сосредоточенной помехи в большинстве случаев не превышает полосы пропускания приемника, В диапазоне коротких волн этот вид помех является основным, определяющим качество связи.

Преобразование дискретного сообщения в сигнал обычно осуществляется в виде двух операций — кодирования и модуляции.

Кодирование представляет собой преобразование сообщения в последователь­ность некоторых символов. Для этого устанавливают взаимооднозначное соответствие между сообщениями и символами, которое называется кодом. Код должен быть известен (заложен в аппаратуру) как на передающей, так и на приемной сторонах.

Модуляция представляет собой преобразование сообщения (первичного сигнала) в сигнал, пригодный для передачи по данной линии связи. При этом преобразовании осуществляется согласование источника с каналом.

Простейшим примером дискретного сообщения является текст. Любой текст со­стоит из конечного числа элементов: букв, цифр, знаков препинаниям Их совокупность называется алфавитом источника сообщения. Так как число элементов в алфавите конечно, то их можно пронумеровать и тем самым свести передачу сообщения к переда­че последовательности чисел.

При кодировании происходит процесс преобразования элементов сообщения в соответствующие им числа (кодовые символы). Каждому элементу сообщения присваи­вается определенная совокупность кодовых символов, которая называется кодовой комбинацией. Совокупности кодовых комбинаций, обозначающих дискретные сообще­ния, образует код. Правило кодирования может быть выражено кодовой таблицей, в которой приводятся алфавит кодируемых сообщений и соответствующие им кодовые комбинация. Множество возможных кодовых символов называется кодовым алфавитом, а их количество m — основанием кода. В общем случае при основании кода m правила кодирования N элементов сообщения сводятся к правилам записи N различных чисел в m - ичной системе счисления. В зависимости от систе­мы счисления, используемой при кодировании, различают двоичные и m- ичные (недво­ичные) коды.

Различают коды равномерные и неравномерные.

Равномерными называют такие коды, у которых все комбинации имеют одинако­вую длину.