Общие сведения о системах связи
За последнее десятилетие уровень развития территориальных систем связи значительно определил любую другую область телекоммуникаций, ощутимо изменив стиль всей нашей жизни.
Средства связи - это комплект аппаратуры, обеспечивающий взаимное соединение и передачу информации между абонентами. Средства связи могут быть различны между собой. Виды связи в значительной степени зависят от того, как и где расположены элементы системы, которую они обслуживают.
Существуют системы, которые расположены на некоторой ограниченной территории (как правило, в одном помещении или нескольких помещениях, расположенных недалеко друг от друга), для обслуживания их используются локальные средства связи.Они создаются специально для каждого случая и выполняются так, чтобы технически обеспечить взаимодействие элементов системы. Существуют системы, элементы которой расположены на значительных расстояниях. К ним относятся все системы связи, традиционно используемые в быту и на производствах. В таких случаях применяются каналы связи, использующиеся на данной территории. Такие виды связи принято считать территориальными, предназначенными для определенных территорий, или глобальными - для межгосударственных контактов.
Современные территориальные системы связи можно разделить на следующие группы:
Телеграф;
Телефонная связь;
Радиосвязь различных видов;
Индивидуальные соединительные линии связи. Индивидуальные линии создаются специально для систем, используемых на данной территории или в каком-либо помещении, но технически они выполняются как разновидность одного из перечисленных каналов территориальной или локальной связи.
Для оценки возможностей передачи информации рассмотрим конкретно каждый из видов связи.
8.2. Локальная система связи
Данная система связи выполняется как сеть, которая соединяет между собой специально подготовленное оборудование. Такая система связи способна передавать непосредственно ту информацию, которая создается всей аппаратурой, сопряженной с ней. Простейшая сеть из двух компьютеров может быть организована путем прямого соединения между собой установленных в этих компьютерах адаптеров. Расстояние между компьютерами может достигать 300-800 м. Для объединения компьютеров в вычислительную сеть используют технологию "разветвленная звезда".
Для создания более сложной сети применяют пассивные и активные разветвители, которые соединяются между собой в различных сочетаниях.
Расстояние от пассивного разветвителя до компьютера или активного разветвителя - до 60 м. Если пассивные разветвители выполняют только функции разветвления соединений сети, то активные разветвители содержат усилители передаваемого сигнала. Расстояния от компьютера до активного разветвителя или от одного активного разветвителя до другого может достигать 600-800 м.
Всего в одной локальной сети может работать до 255 компьютеров. С учетом возможности последовательного соединения до 10 активных разветвителей протяженность такой цепочки может составлять до 6-8 км (рис. 50).
В тех случаях, когда используются территориальные виды связи, прямая передача сведений, создаваемых вычислительными системами, невозможна, так как такие системы связи по своим техническим характеристикам не способны передавать информацию с компьютера.
Для сопряжения компьютеров с такой сетью применяется следующая специальная аппаратура:
1. Модем - это устройство, позволяющее компьютеру выходить на связь с другим компьютером посредством телефонных линий, т. е. модем может модулировать и демодулировать передаваемое сообщение. При пользовании модемом возможен самый быстрый способ принять документальный материал с одного компьютера на другой без его распечатки. Пересылка файла по модему возможна в течение нескольких минут. При его распечатке пересылка его займет значительно больше времени.
2. Факс-модем - это устройство, позволяющее принимать факсимильные сообщения с выводом их на экран компьютера или с печатью на принтере и передавать документы, подготовленные на компьютере без их распечатки, а также использовать другие возможности телефаксов.
Рис. 50. Пример организации вычислительной сети
По виду передаваемых сообщений различают:
1) телеграфию (передача текста),
2) телефонию (передача речи),
3) фототелеграфию (передача неподвижных изображений),
4) телевидение (передача подвижных изображений),
5) телеметрию (передача результатов измерений),
6) телеуправление (передача управляющих команд),
7) передачу данных (в вычислительных системах и АСУ).
По диапазону частот – в соответствии с декадным делением диапазонов электромагнитных волн от мириаметровых (3÷30) кГц 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 Тк,
– шириной полосы пропускания ΔFк,
– динамическим диапазоном [дБ],
где Pк.доп. – максимально допустимая мощность сигнала в канале,
Pш – мощность собственных шумов канала.
Обобщенным параметром канала является его емкость
Очевидным необходимым условием согласования сигнала и канала является выполнение неравенства Vc
Вы также можете найти интересующую информацию в научном поисковике Otvety.Online. Воспользуйтесь формой поиска:
Еще по теме 1.3. Классификация систем связи:
- Белоус И.А.. ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ СВЯЗИ. Практикум, 2016
- 22.7. Пропускная способность каналов радиотехнической системы связи
- 22.1. Тактико-технические параметры радиотехнической системы связи
- Исследование связи синусового узла с вегетативной нервной системой
- 22.4. Количество информации при приёме дискретных сигналов радиотехнической системы связи
- Правовые системы и теоретические проблемы их классификации § 1. Правовая система общества: понятие, элементы, функции
Любая система связи является системой передачи, в которой объектом передачи являются сообщения. Всякое сообщение есть совокупность сведений о состоянии какой-либо материальной системы, которые передаются человеком (устройством), наблюдающим эту систему, другому человеку (устройству), не имеющему возможности получить эти сведения путем непосредственных наблюдений. Материальная система вместе с наблюдателем представляет собой источник сообщений (корреспондент).
Источник выдает сообщения из некоторого множества возможных сообщений. Это множество может быть конечным (например, буквенный текст) или бесконечным (например, телефонное сообщение). Каждая буква, например, принадлежит конечному множеству, образующему алфавит, а каждое слово – конечному множеству, образующему словарь. Множество сообщений совместно с их вероятностями появления (априорными вероятностями) называется ансамблем сообщений.
С математической точки зрения всякое сообщения можно представить в виде некоторой функции времени m(t), которая может быть как непрерывной функцией непрерывного времени (например, при передаче речи), так и последовательностью чисел (слов, букв), т.е. функцией дискретного времени.
Чтобы сообщение могло быть передано получателю, необходимо воспользоваться каким-либо переносчиком. В качестве переносчика можно использовать любой физический процесс, например, электрический ток в проводе (проводная связь), электромагнитное поле (радиосвязь), звуковые волны, световой луч и т.д.
Изменяющаяся физическая величина S(t) , отображающая передаваемое сообщение m(t), называется сигналом. Очевидно, что каждому сообщению должен соответствовать свой сигнал, чтобы на приемной стороне по принятому сигналу можно было однозначно определить переданное сообщение.
Источник сообщений |
помехи |
Рис. 1.1. Блок-схема системы связи
следующих операций: преобразования неэлектрической величины в электрическую, кодирования и модуляции. Первая операция необходима при передаче любых сообщений - дискретных и непрерывных. Например, при передаче речи она состоит в преобразовании звукового давления в пропорционально изменяющийся электрический ток микрофона.
Дискретные сообщения представляют собой случайную последовательность некоторых элементов m1,m2,...mn. Эта
последовательность на передающей стороне может быть преобразована по определенному закону в другую последовательность
a1,a2,…,al ,более удобную с технической точки зрения.
Операция преобразования последовательности {mn} последовательность {al} называется кодированием и осуществляется кодирующим устройством. Способы и цели кодирования могут быть различными.
Чаще всего кодирование состоит в дополнительном расчленении каждого элемента последовательности. При передаче письменного текста, например, каждой букве соответствует некоторая новая последовательность символов ai , называемая кодовой комбинацией. Если кодовая комбинация содержит N символов, каждый из которых принимает одно из m возможных значений, то число возможных комбинаций будет равно M = mn Число m называется основанием, а n - знатностью кода. Если m = 2, то код называется двоичным. При передаче дискретных сообщений в телеграфии широко используется, например, пятизначный двоичный код (m=2, n=5). Этот кoд обеспечивает передачу сообщений с объемом алфавита M =25 =32 буквы. Каждая буква при этом передается последовательностью из пяти токовых или бестоковых посылок ("нулей" и "единиц"). Коды, в которых все кодовые комбинации содержат одинаковое число элементов, называются равномерными. Иногда используются и неравномерные коды, каковым является, например, код Морзе.
Выше говорилось о так называемом примитивном кодировании, целью которого является упрощение используемой аппаратуры. В последнее время начинает широко использоваться помехоустойчивое кодирование, целью которого является повышение надежности работы систем связи при наличии помех.
При передаче непрерывных сообщений операция кодирования часто отсутствует. Однако в последнее время начинают применяться различные виды импульсной модуляции. При этом в качестве первичного переносчика используется периодическая последовательность импульсов. В этом случае оказываются возможными дискретные способы передачи и кодирования непрерывных сообщений.
Операции кодирования обычно осуществляются электрическими схемами. Различным последовательностям кодовых символов будут соответствовать последовательности элементов первичных электрических сигналов U(t) , которые называют немодулированными или видеосигналами.
Процесс преобразования сообщений в сигналы S(t)заканчивается модуляцией некоторого переносчика. Модуляция заключается в изменении какого-либо параметра переносчика f =f(a,b,...,t). Модулированный параметр (a) получает приращение, пропорциональное модулирующему сигналу:
где Δa - максимальное абсолютное приращение модулируемого параметра, а величина
представляет собой относительное изменение этого параметра и называется коэффициентом модуляции. При передаче дискретных сообщений модулируемый параметр принимает одно из нескольких возможных дискретных значений. В этом случае вместо термина "модуляция" часто используется термин "манипуляция". Число возможных видов модуляции равно числу параметров переносчика. Например, в случае синусоидального переносчика возможны амплитудная, фазовая и частотная виды модуляции.
Операцию формирования сигнала кратко можно представить в виде
где f - нелинейная операция, включающая в себя операции кодирования и модуляции.
Сформированный таким образом сигнал с выхода передатчика поступает в линию связи. Линией связи называется физическая среда, используемая для передачи сигналов от передатчика к приемнику. Этой средой может быть физическая цепь (пара проводов, кабель в проводной связи) или область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны (радио -связь в любом диапазоне частот, в том числе и оптическом).
В реальных линиях связи всегда присутствуют помехи различного происхождения. Взаимодействие сигнала и помехи можно представить в виде некоторой линейной или нелинейной операции
Ha вход приемника поступает искаженный помехой сигнал x(t), по которому необходимо определить переданное сообщение. Следовательно, приемник должен осуществить операции, обратные операциям на передающей стороне: демодуляцию и декодирование. Демодуляцию принятого сигнала осуществляет демодулятор, который обрабатывает принятые сигналы по определенным правилам и производит опознавание переданных элементов сигнала (кодовых символов). Декодирующее устройство преобразует кодовые комбинации в элементы сообщения. В целом действие системы связи можно описать выражением:
y =W (x) = W {V [ξ,F(m,f)]}, (1.1.3)
где W - нелинейный оператор, включающий в себя операции демодуляции и декодирования.
Очевидно, что в идеальном случае принятое сообщение должно точно соответствовать переданному, т.е. У(t)=m(t) . Однако наличие помех в линии связи вызывает принципиальную неоднозначность при восстановлении сообщения на приемной стороне. Поэтому всегда y(t)≈m(t).
Введем еще некоторые определения. Совокупность технических средств, предназначенных для передачи сообщения от источника к получателю, называется каналом связи. В него входят передатчик, линия связи и приемник. Любой канал характеризуется тремя основными параметрами:
а) полосой частот которую может пропустить канал,
б) временем Т, в течение которого канал предоставлен
для работы,
в) допустимым диапазоном уровней сигнала в канале (динамический диапазон).
Канал связи вместе с источником и получателем сообщений образует систему связи . Системы связи друг от друга могут отличаться типом передаваемых сообщений, методами преобразования сообщений в сигналы и восстановления сообщений по принятым сигналам, физической средой, используемой в качестве линии связи, и т.д.
По типу передаваемых сообщений системы связи могут быть непрерывными и дискретными. Телеграфные системы связи являются типичным примером дискретных систем. Системы телефонии, радиотелефонии, телевидения при аналоговых (непрерывных) способах модуляции относятся к непрерывным системам связи. В последнее время для передачи непрерывных сообщений используются системы с различными видами импульсной модуляции. Такие системы можно отнести к типу смешанных систем.
В дискретных системах связи при демодуляции и декодировании сигналов необходимо знание длительности, начала и конца каждого элемента комбинации и всей комбинации в целом, т.е. необходима синфазность работы передающего и приемного устройств. По способу поддержания синфазности дискретные системы связи можно разделить на синхронные и асинхронные. В синхронных системах связи передатчик и приемник работают синхронно, для чего используется специальный канал синхронизации. Примером синхронных систем являются телеграфные системы связи, использующие пятизначный двоичный код Бодо. Примером асинхронных систем связи являются стартстопные системы, в которых фазирование работы приемника и передатчика осуществляется специальными дополнительными элементами в начале (стартовый) и в конце (стоповый) каждой кодовой комбинации.
Если по системе связи передается несколько сообщений от различных источников, то она называется многоканальной .
Если по каналу связи сигналы могут передаваться только в одном направлении, то канал называется симплексным. Если же сигналы могут одновременно передаваться в обоих направлениях, то канал называется дуплексным. Дуплексные системы связи по сути дела имеют два канала (прямой и обратный), в общем случае не идентичны. В некоторых случаях в таких системах передача сообщений осуществляется лишь в одном направлении, а обратный канал используется для контроля и защиты от ошибок при пе редаче сообщений в прямом направлении. Такие системы называются системами с обратной связью. Обратная связь позволяет значительно повысить надежность работы и используется в системах связи и автоматического управления. В последних сигнал обратного канала воздействует на некоторое устройство для подстройки его параметров.
§ 1.2. Характеристики сигналов связи
Как уже отмечалось выше, передаваемые сигналы однозначно связаны с передаваемыми сообщениями. Математическим описанием сигнала является некоторая функция времени S(t) . Сигналы связи можно классифицировать по нескольким признакам.
В теории сообщений сигналы в первую очередь принято делить на детерминированные (регулярные) и случайные. Сигнал называется детерминированным, если он может быть описан известной функцией времени. Следовательно, под детерминированным понимается такой сигнал, который соответствует известному передаваемому сообщению и который можно точно предсказать заранее за сколь угодно большой промежуток времени. Детерминированные сигналы принято подразделять на периодические, почти периодические и непериодические.
В реальных условиях сигнал в месте приема заранее неизвестен и не может быть описан определенной функцией времени. Принимаемые сигналы имеют непредсказуемый, случайный характер вследствие нескольких причин. Во-первых потому, что регулярный сигнал не может нести информации.. Действительно, если бы о передаваемом сигнале было известно все, то его незачем было бы передавать. Обычно на приемной стороне известны лишь некоторые параметры сигнала. Во-вторых, сигналы имеют случайный характер вследствие различного рода помех как внешних (космических, атмосферных, индустриальных и др.), так и внутренних (шумы ламп, сопротивлений и т.д.). Принимаемый сигнал искажается также вследствие прохождения через пинию связи, параметры которой часто являются случайной функцией времени.
Моделью сигнала связи является не одна функция времени S(t) , а набор некоторых функций, представляющих собой случайный процесс. Каждый конкретный сигнал является одной на реализаций случайного процесса, которую можно описать детерминированной функцией времени. Часто ансамбль возможных сообщений (сигналов) получателю известен. Задача состоит в том, чтобы по принятой реализации смеси сигнала 6 помехами определить, какое сообщение из заданного ансамбля было передано.
Таким образом, передаваемый сигнал необходимо рассматривать как множество функций, являющихся реализациями случайного процесса. Статистические характеристики этого процесса полностью описывают свойства сигнала. Однако решение многих конкретных задач становится в этом случае затруднительным. Поэтому изучение сигналов и их прохождение через различные цепи целесообразно начинать с отдельных реализаций как детерминированных функций.
Полное описание сигнала не всегда необходимо. Иногда для анализа бывает достаточно нескольких обобщенных характеристик, наиболее полно отражающих свойства сигнала. Одной из важнейших характеристик сигнала является его длительност ь
Т, которая определяет необходимое время работы канала и просто связана с количеством сведений, передаваемых этим сигналом. Второй характеристикой является ширина спектра сигнала F , которая характеризует поведение сигнала на протяжении его длительности, скорость его изменения. В качестве третьей характеристики можно было бы ввести такую, которая определяла бы амплитуду сигнала на протяжении его существования, например, мощность. Однако мощность сигнала P сама по себе не определяет условия его передачи по реальным каналам связи с помехами. Поэтому сигнал принято характеризовать отношением мощностей сигнала и помехи:
которое называют превышением сигнала над помехой или отношением сигнал/шум.
Часто используется также характеристика сигнала, называемая динамическим диапазоном ,
которая определяет интервал изменения уровней сигнала (например, громкости при передаче телефонных сообщений) и предъявляет соответствующие требования к линейности тракта. С этой же стороны сигнал можно охарактеризовать так называемым пикфактором
представляющим собой отношение максимального значения сигнала к действующему.
Чем больше пикфактор сигнала, тем хуже будут энергетические показатели радиотехнического устройства.
С точки зрения произведенных над сообщениями преобразований сигналы принято делить на видеосигналы (немодулированные) и радиосигналы (модулированные). Обычно спектр видеосигнала сосредоточен в низкочастотной области. При использовании модуляции видеосигнал называют модулирующим. Спектр радиосигнала сосредоточен около некоторой средней частоты в области высоких частот. Радиосигналы могут передаваться в виде электромагнитных волн.
В заключение параграфа коротко охарактеризуем сигналы, используемые при различных видах связи. На рис. 1.2 показан видеосигнал в виде непрерывной импульсной последовательности. Такой сигнал формируется при телеграфных видах работы с использованием пятизначного двоичного кода. Ширина полосы частот, используемая для передачи таких сигналов, зависит от скорости телеграфирования и равна, например, 150- 200 гц при использовании телеграфного аппарата СТ-35 и передаче 50 знаков в секунду. При передаче телефонных сообщений сигнал представляет
S(t) |
S(t) |
S(t) |
t |
t |
S(t) |
Рис. 1.2 - видеосигнал в виде непрерывной импульсной последовательности
Рис. 1.3 - передача неподвижных изображений с помощью фототелеграфа
собой непрерывную функцию времени, как это показано на рис. 1.26. В коммерческой телефонии сигнал обычно передается в полосе частот от ЗОО гц до 3400 гц. В вещании для качественной передачи речи и музыки требуется полоса частот примерно от 40 гц до 10 кгц. При передаче неподвижных изображений с помощью фототелеграфа сигнал имеет вид, показанный на рис.1.З. Он представляет собой ступенчатую функцию. Число возможных уровней равно числу передаваемых тонов и полутонов. Для передачи используют один или несколько стандартных телефонных каналов. При передаче подвижных изображений в телевидении с использованием 625 строк разложения требуется полоса частот от 50 гц до 6 мгц. Сигнал при этом имеет сложную дискретно - непрерывную структуру. Модулированные сигналы имеют вид, показанный на рис.1.3 б (при амплитудной модуляции).
§ 1.3. Задачи и методы теории передачи сигналов
Как уже отмечалось выше, объектом передачи в системах связи являются сообщения, которые значительно отличаются от других объектов передачи, например, электрической энергии в системах электропередачи. В последних основная задача заключается в передаче энергии потребителю с минимальными потерями. Передача сообщений также сопровождается передачей энергии, но не в передаче энергии состоит основное назначение системы связи. Энергетический коэффициент полезного действия систем связи (особенно радиосвязи) исчезающе мал. Очевидно, что для оценки эффективности систем связи нужны особые критерии. Одним из таких критериев может служить количество сведений, содержащихся в сообщении. Рассмотрим несколько примеров.
В телеграфных системах связи сообщения представляют собой некоторый текст. Мерой количества сведений в этом случае может служить количество слов или букв. При передаче телефонных сообщений количество сведений будет определяться не только количеством слов, но и интонацией, тембром речи, диапазоном громкости звука. Аналогично, в телевизионном сообщении количество сведений будет определяться степенью сложности изображения. Определить количество сведений в любом сообщении позволяет теория информации, которая составляет часть курса теории передачи сигналов. Одной из характеристик системы связи является максимально возможное количество сведений, передаваемых (или принимаемых) в единицу времени. Определенная таким образом величина называется пропускной способностью системы связи.
При наличии помех передаваемые сообщения искажаются. Большой уровень помех может привести к невозможности приема
переданного сообщения. С этой точки зрения к системам связи предъявляется требование верности передачи или степени соответствия принятого сигнала переданному. Последняя зависит, во-первых, от исправности аппаратуры, учет которой не является предметом изучения курса теории передачи сигналов, и во-вторых, от собственных свойств системы связи, определяемых способами передачи и приема сигналов. Способность системы связи противостоять вредному влиянию помех, обусловленная ее собственными свойствами, называется помехоустойчивостью системы связи. Помехоустойчивость систем связи является другой важнейшей характеристикой системы связи. В качестве количественной меры помехоустойчивости при передаче дискретных сообщений принято использовать вероятность ошибки, которая определяет относительное число неправильно принятых элементов сигнала. При передаче непрерывных сообщений помехоустойчивость оценивают величиной уклонения принятого сообщения от переданного. Величина уклонения определяется при этом по какому-либо критерию, например среднеквадратичному:
где волнистая черта сверху означает усреднение по времени.
Таким образом, основные требования, предъявляемые к системам связи, заключаются в повышении пропускной способности и помехоустойчивости. Эти требования противоречивы, так как можно повысить пропускную способность в ущерб помехоустойчивости и наоборот. По-видимому, принципиально можно спроектировать такую оптимальную систему связи, которая по некоторому критерию лучше других будет удовлетворять поставленным требованиям.
Проектирование системы связи, обеспечивающей наибольшие пропускную способность и помехоустойчивость, требует учета многих факторов. В общей постановке задача состоит согласно (1.1.3) в выборе такого алгоритма (правила) работы системы Y=W{V}, чтобы при максимальной пропускной способности получить выходное сообщение, минимально отличающееся от переданного с точки зрения некоторого критерия. Синтез такой оптимальной системы требует совместного выбора системы сигналов (операций
кодирования и способа модуляции) и способов приема (демодуляции и декодирования). В таком общем виде данная задача еще не решена.
Поэтому для получения практических результатов данную задачу приходится расчленять и синтезировать систему по частям при некоторых фиксированных параметрах. Например, при заданном произвольно способе приема можно выбрать оптимальную систему сигналов, т.е. способы кодирования и модуляции. При выбранной системе сигналов задача сводится к построению оптимального приемника. Искомым является оператор W .
При раздельном выборе операторов F и W необходимо руководствоваться следующими принципами. Во-первых, приемник должен наилучшим образом подавлять помехи, т.е.обеспечивать максимальную помехоустойчивость. Система сигналов должна выбираться такой, чтобы сигналы, отображающие различные сообщения, как можно более отличались друг от друга, чтобы помехи как можно менее влияли на их различие. Таким способом можно выбрать наилучшие коды, наиболее помехоустойчивые виды модуляции, построить оптимальный приемник, т.е. получить оптимальные решения для отдельных звеньев системы связи. Такой способ позволяет синтезировать если не наилучшие теоретически, то, по крайней мере, хорошие и работоспособные системы связи.
Именно в таком направлении и развивалась общая или статистическая теория связи. В 1941 г. советский математик А.Н.Колмогоров разработал математические основы теории оптимальных по критерию минимума среднеквадратичной ошибки линейных цепей (фильтров), развитой в дальнейшем Н.Винером. В 1947 г. В.А. Котельников заложил основы теории помехоустойчивости в своей выдающейся работе "Теория потенциальной помехоустойчивости". В этой работе впервые была поставлена и решена задача построения идеального приемника, который обеспечивает потенциальную, т.е. максимально возможную помехоустойчивость. В 1949 г. американский ученый К.Шеннон положил начало теории информации. Он доказал возможность такого кодирования, которое позволяет получить максимально возможную скорость передачи сообщений со сколь угодно малой вероятностью ошибочного приема всего сообщения.
Эти работы и положили начало новой науке - общей теории связи или общей теории информации. Теория информации возникла благодаря проникновению в теорию и технику связи точных математических методов. В узком смысле слова теория информации занимается отысканием оптимальных способов кодирования. В
широком смысле слова теория информации - это теория, использующая вероятностные и статистические методы для анализа и синтеза систем связи и их элементов. Использование этих методов в качестве основного математического инструмента объясняется тем, что сигналы связи являются не регулярными, а случайными процессами.
Теория вероятностей и теория случайных процессов являются главным математическим инструментом при анализе прохождения сигналов и помех через системы связи и их элементы. Методы математической статистики, особенно теории статистических решений и теории оценок, являются основными при синтезе и сравнении систем связи, удовлетворяющих определенным критериям качества.
Как отмечалось выше, отдельные реализации сигнала можно описать детерминированными (регулярными) функциями времени. Поэтому для первоначального исследования физических процессов в устройствах передачи и приема электрических сигналов используются также и классические методы, например, метод гармонического анализа (ряды и интеграл Фурье).
Ниже рассматриваются методы математического описания сигналов связи.
ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ СИГНАЛЫ
§ 2.1. Спектральное представление детерминированных
сигналов
Как отмечалось в главе 1, сигналы связи по своей природе являются случайными процессами. Однако, отдельные реализации случайного процесса и некоторые специальные (например, испытательные) сигналы можно считать детерминированными функциями. Последние принято делить на периодические, почти периодические и непериодические, хотя строго периодических сигналов в реальных условиях не существует.
Сигнал называется периодическим, если он удовлетворяет условию
S(t)=S(t + KT) (2.1.1)
на интервале ≤ t ≤ , где Т - постоянная величина, называемая периодом, а К - любое целое число.
Непериодическим называется сигнал, который не удовлетворяет условию (2.1.1.) на всей оси времени. Он задается на конечном (t1≤t≤ t2) или полубесконечном (t1≤t<∞) интервале времени, а за пределами этого интервала принимается тождественно равным нулю. Непериодический сигнал можно рассматривать как периодический, но с бесконечно большим периодом. Одной из характеристик непериодического сигнала является его длительность, под которой понимают либо длительность, соответствующую всему сообщению или отрезку сообщения, либо длительность отдельного элемента (например, элемента кодовой комбинации).
Почти периодическим сигналом называется такой, для которого период можно указать лишь приближенно. Такими сигналами являются, например, сигналы, которые могут быть представлены в виде суммы гармонических составляющих с произвольными (не кратными) частотами.
В теории сигналов широко используется спектральное представление сигналов. Спектральным представлением детерминированного сигнала S(T) называется его представление в виде суммы конечного или бесконечного числа гармонических составляющих. Основой спектрального представления сигналов являет-
ся преобразование Фурье. Рассмотрим сначала спектральное представление модулирующих или видеосигналов.
Как известно из математики, любую периодическую функцию с периодом Т, удовлетворяющую условиям Дирихле, можно представить в виде ряда Фурье
, (2.1.2)
где а коэффициенты aK и bК определяются пo формулам
Величина
определяет среднее значение сигнала за период и называется постоянной составляющей.
Частота называется основной частотой сигнала, а кратные ей частоты Fk = КF- высшими гармониками.
Выражение (2.1.2) можно переписать следующим образом
,
(2.1.6)
Обратные зависимости для коэффициентов и
C 5 |
Ω |
C 4 |
C 2 |
C 1 |
C 6 |
C 3 |
2Ω |
4Ω |
3Ω |
5Ω |
w |
6Ω |
Рис. 2.1- график спектра амплитуд периодического сигнала
приведен график спектра амплитуд периодического сигнала. Аналогичный вид имеет и спектр фаз. Спектр периодической функции называется
линейчатым или дискретным, так как состоит из отдельных
линий, соответствующих частотам О, Ω.2Ω,…
Если функция S (t) , описывающая сигнал, четная, т.е. S (t) = S (-t), то согласно (2.1.3) все bk= 0 , и соответствующий ей ряд Фурье будет содержать только косинусоидальные члены. Если функция S(t) - нечетная, т.е. S(t) = -S(-t), то в ряде Фурье будут только синусоидальные члены. С использованием выражения
вместо (2.1.5) можно записать
Согласно выражениям (2.1.3) и (2.1.6) коэффициенты Ck и αk четны относительно k, а коэффициенты bk и фазовые углы - нечетны, т.е.
Поэтому вторую сумму в (2.1.8) можно представить в следующем виде
Объединяя обе суммы выражения (2.1.8), получим так называемую комплексную или показательную форму ряда Фурье
где коэффициенты называются комплексными амплитудами гармоник и связаны с коэффициентами Сk и k , а также bk и αk соотношениями
,
. (2.1.12)
На основании выражений (2.1.12) и (2.1.3) можно также записать
Сравнивая (2.1.5) и (2.1.13), замечаем, что при использовании комплексной записи ряда Фурье отрицательные значения к позволяют говорить о составляющих с "отрицательными* частотами. Однако появление отрицательных частот имеет формальный характер и связано с использованием комплексной формы записи для представления действительного сигнала. В самом деле, гармонической составляющей с "физической" частотой Ωk = kΩ в выражении (2.1.11) соответствует следующая пара слагаемых
Эта пара слагаемых, вследствие четности модуля и нечетности фазы k , дает в сумме вещественную гармоническую функцию с положительной частотой:
Благодаря удвоению числа составляющих при использовании показательной формы записи ряда Фурье амплитуды их в 2 раза уменьшаются. Использование такой записи в значительной степени упрощает математические выкладки при исследовании прохождения сигналов через различные линейные системы.
Вычислим теперь среднюю за период мощность сигнала
где волнистая черта сверху означает усреднение по времени. Поставляя (2.1.2) в (2.1.15) и учитывая, что
,
,
а интегрирование за период исходной функции Т гармонических колебаний с удвоенной частотой и произведений косинусов и синусов с аргументами неодинаковой кратности дает нуль, вместо (2.1.15) получим
Это выражение носит название равенства Парсеваля, которое показывает, что средняя мощность сигнала равна сумме средних мощностей его частотных составляющих и не зависит от фазовых соотношений между отдельными составляющими.
Спектры непериодических сигналов
S(t) |
t |
T |
α |
Ω |
2Ω |
4Ω |
3Ω |
5Ω |
6Ω |
C k |
C 5 |
C 4 |
C 2 |
C 1 |
C 6 |
C 3 |
Рис.2.2 - При увеличении T частота первой гармоники уменьшается и спектральные линии
Если функция остается неизменной на интервале,то непериодическую функцию можно рассматривать как предельный случай периодической функции с неограниченно возрастающим периодом. При увеличении T частота первой гармоники
уменьшается и спектральные линии на рис.2.2 б
располагаются чаще. В пределе при T→∞, интервал между
линиями в спектре сокращается до нуля, т.е. спектр вместо дискретного становится сплошным, непрерывным. Амплитуды гармоник Сk , согласно (2.1. 13), становятся бесконечно малыми. Математически это можно выразить следующим образом. Введем вместо (2.1.13) функцию
Тогда вместо (2.1.11) получим
При Т→∞ частота kΩ может принимать любое значение ω,
.
Поэтому вместо (2.1 .17) и (2.1.18) окончательно получим
Эти два выражения носят название пары преобразований Фурье, которая связывает между собой функцию времени S(t) и комплексную функцию частоты S(jw) .
Физический смысл формулы (2.1.20) состоит в том, что непериодический сигнал S(t) имеет непрерывный спектр, т.е. представляется бесконечной суммой гармонических колебаний с бесконечно малыми комплексными амплитудами (ср.(2.1.11))
Функция:
имеет размерность (амплитуда/герц) и показывает амплитуду сигнала, приходящуюся на единицу полосы частот в 1 гц. Поэтому эта непрерывная функция частоты называется спектральной плотностью комплексных амплитуд или просто спектральной плотностью.
Аналогично (2.1.12) спектральную плотность комплексных амплитуд можно представить в виде
и
. (2.1.24)
Функция называется модулем спектральной плотности или спектральной плотностью амплитуд, a -спектральной плотностью фаз.
Отметим одно важное обстоятельство. Сравнивая выражения (2.1.13) и (2.1.17), замечаем, что при они отличаются только постоянным множителем, а
т.е. комплексные амплитуды периодической функции с периодом Т. можно определять по спектральной характеристике непериодической функции такого же вида, заданной в интервале. Сказанное справедливо и по отношению к модулю спектральной плотности:
Это соотношение формулируется следующим образом: огибающая сплошного амплитудного спектра непериодической функции и огибающая амплитуд линейчатого спектра периодической функции совпадают по форме и отличаются только масштабом (рис.2.2) Вычислим теперь энергию непериодического сигнала. Умножая обе части равенства (2.1.20) на S(t) и интегрируя в бесконечных пределах, получим
где и - комплексно-сопряженные величины. Так как
Это выражение называется равенством Парсеваля для непериодического cигнала и аналогично (2.1.16), однако в отличии от последнего оно определяет не среднюю мощность, а полную энергию сигнала.
Из (2.1.28) видно, что есть не что иное, как энергия сигнала, приходящаяся на 1 гц полосы частот около частоты ω.
Поэтому функцию S2(w) иногда называют спектральной плотностью энергии сигнала S(t) .
В заключение параграфа приведем без доказательства несколько теорем о спектрах, выражающих основные свойства преобразования Фурье.
1. Теорема сложения. Спектр суммы нескольких сигналов
S(t) = S1(t)+S2(t) + ...
равен сумме спектров этих сигналов:
S(jw)=S1(jw) + S2(jw) + …
В справедливости этого выражения легко убедиться, используя выражения (2.1.19) и (2.1.20).
2. Теорема запаздывания. Спектральная плотность
сигнала полученного при сдвиге сигнала S(t) по
оси времени на, определяется выражением
т.е. сдвиг функции по оси времени приводит к появлению фазового сдвига для всех частотных составляющих, равного Wτ0
В справедливости последнего выражения легко убедиться, заменив в (2.1.19) t на
3. Теорема смещения . Если S(jw) - спектр функции S(t),
то спектру, полученному путем сдвига исходного спектра по оси частот на величину w0 , соответствует функция
4. Теорема о спектрах производной и интеграла.
Спектры
производной и интеграла от функции S(t) определяются соответственно выражениями
5. Теорема о спектре свертки . Сверткой двух функций S1(t)и S2(t) называется интеграл
Спектр свертки двух функций равен произведению спектров свертываемых функций:
В частном случае, когда, то
Используя последнее выражение, легко получить ранее введенное равенство Парсеваля (2.1.28).
§ 2.2 Спектры некоторых импульсных сигналов
Рассмотрим некоторые конкретные примеры использования преобразования Фурье для анализа импульсных сигналов.
1. Одиночный прямоугольный импульс . Пусть имеется прямоугольный импульс длительностью и амплитудой h (рис.2.3). Для такого импульса прямым преобразованием Фурье находим
S(w) |
w |
q |
Рис.2.3- График спектра для положительных частот
замечаем, что при уменьшении длительности импульса функция S(w) растягивается, т.е.
ширина спектра увеличивается. При увеличении ширина спектра уменьшается.
Если ограничить спектр прямоугольного импульса первым нулем спектральной плотности, т.е. круговой частотой
то для произведения длительности импульса на ширину спектра получим
Это равенство является частным случаем более общего равенства, справедливого для всех импульсных сигналов:
согласно которому произведение ширины спектра сигнала на его длительность есть величина постоянная, близкая к единице. Существует несколько определений длительности импульса и ширины спектра. Согласно одному из них под длительностью импульса (шириной спектра) понимается промежуток времени (полоса частот), в котором сосредоточена подавляющая часть энергии импульса.
2. Колокольный (гауссов) импульс. Колокольным называется импульс, который описывается функцией
Для спектральной плотности такого импульса с использованием преобразования Фурье получим
Графики колокольного импульса и модуля его спектра показаны на рис. 2.4. Первой особенностью такого импульса является то,
S(t) |
-σ |
σ |
t |
-2σ |
2σ |
S(w) |
- |
w |
- |
h |
Рис.2.4- Графики колокольного импульса и модуля его спектра
что спектральная плотность его совпадает по форме с временной функцией, т.е. является также гауссовой кривой. Другой особенностью такого импульса является то, что из всех возможных форм импульсов он имеет наименьшее произведение длительности на ширину спектра
.
3. Единичный импульс. Единичным импульсом или дельта--функцией σ(t) называется функция бесконечно малой длительности с конечной площадью, равной единице:
Такую функцию можно рассматривать как предел прямоугольного импульса с длительностью τ и высотой при τ→0.Устремляя в (2.2.1) τ→0 , для спектральной плотности единичного импульса получим
Этот же результат можно получить и обычным способом:
так как δ(t)=0 при всех значениях t≠0, апри t=0 экспоненциальный множитель обращается в единицу. Здесь использовалось так называемое фильтрующее свойство δ - функции, согласно которому
Таким образом, спектр единичного импульса является сплошным и равномерным с единичной спектральной плотностью вплоть до бесконечно больших значений частоты.
Единичный импульс является математической абстракцией. Физически можно реализовать только короткий импульс, т.е. импульс очень малой длительности τ , с площадью, равной q. Спектр такого импульса определяется выражением
При малых τ величина и
Следовательно, короткий импульс любой формы имеет равномерный спектр вплоть до частот порядка (пока выполняется условие wt<1). Далее спектральная плотность начинает убывать.
4. Единичная функция. Единичная функция, единичный скачок или функция включения записывается в виде
Рис.2.5- Зависимость от частоты
Заметим, что рассмотренный ранее единичный импульс можно рассматривать как производную единичной функции:
а единичную функцию можно выразить интегральным соотношением
Используя теорему о спектре интеграла (2.1.31) и выражение (2.2.5), получим
Модуль спектра этой функции есть Зависимость его от частоты показана на рис.2.5 б.
Единичная функция широко используется в качестве испытательного сигнала при исследовании переходных процессов в электрических цепях. Напомним, что отклик цепи h(t) на единичную функцию называется переходной характеристикой .
5. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов
Рассмотрим периодическую последовательность прямоугольных импульсов с длительностью и периодом Т (Рис.2.6). Используя (2.1.13), для такой последовательности получим
C k |
w |
C 5 |
C 7 |
C 8 |
C 1 |
C 2 |
C 4 |
Рис.2.6- периодическая последовательность прямоугольных импульсов
с длительностью и периодом Т
Этот же результат можно было бы получить и из выражения (2.2.1), используя соотношение (2.1.26), согласно которому спектральная плотность S (w) одиночного импульса длительностью С с точностью до постоянного множителя совпадает с огибающей спектра амплитуд периодической последовательности таких же импульсов с периодом следования Т. График модуля спектра (2.2.11) для положительных частот показан на рис.2.6.
На основании (2.1.11) и (2.2.11) периодическая последовательность прямоугольных импульсов разлагается в ряд Фурье следующим образом
Отметим теперь следующее обстоятельство. Если при неизменной длительности импульса увеличивается период Т последовательности, то расстояние между спектральными линиями Ω=> уменьшается, расстояние же между нулями огибающей спектра, равное, остается неизменным. При неизменной длительности периода Т и изменении длительности импульса будет меняться расстояние между нулями огибающей спектра.
Число гармоник, укладывающихся в интервале или между любыми двумя соседними нулями, будет определяться величиной
Величина Q , равная отношению длительности периода к длительности импульсов, называется скважностью периодической импульсной последовательности.
6. Одиночный радиоимпульс. Радиоимпульсом называется импульс, временная функция которого записывается в виде
где τ - длительность импульса, a(t) - огибающая амплитуд,
w0 - частота, а φ0 - начальная фаза высокочастотного колебания, период которого Спектральная плотность радиоимпульса в соответствии с (2.1.19) будет равна
Спектральные плотности огибающей импульса α(t), смещенные по оси частот на постоянную величину (ср.с (2.1.30)).
Таким образом, спектральная плотность радиоимпульса полностью определяется спектральной плотностью его огибающей. Можно показать, что при τ>>T0 и w>0 для большинства радиоимпульсов выполняется условие
Поэтому с достаточной точностью спектральную плотность одиночного радиоимпульса можно определять по формуле
Проиллюстрируем сказанное на примере радиоимпульса с прямоугольной огибающей (рис.2.7):
откуда для модуля и фазы спектральной плотности находим
w |
W 0 |
S(w) |
ограниченном увеличении длительности импульса τ. получим гармоническое колебание в точном смысле определения периодической функции. Сплошной спектр колебания при этом вырождается в одну спектральную линию на частоте ωo
§ 2.3. Модулированные колебания и их спектры
Как уже отмечалось в главе 1, модуляция заключается в изменении одного или нескольких параметров переносчика в соответствии с передаваемым сообщением. При использовании в качестве переносчика высокочастотного гармонического колебания модулированный сигнал в общем случае можно представить в виде
В зависимости от того, какой из параметров a, w или φ модулируется, различают три вида модуляции: амплитудную (AM), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ). Всякое модулированное колебание несинусоидальное и имеет сложный спектр. Рассмотрим перечисленные выше виды модуляции подробно.
S(t) |
w |
Рис.2.11- Спектр колебания
Заметим, что огибающая амплитуд боковых частот с точностью до постоянного множителя совпадает с огибающей спектра амплитуд модулирующей функции. Это позволяет легко построить амплитудный спектр AM колебания, если известен спектр модулирующей функции. Для построения необходимо сместить спектр модулирующей функции по оси частот на величину w0 , получая при этом верхнюю боковую полосу; нижняя боковая полоса будет являться зеркальным отображением верхней относительно частоты w0 .
Проиллюстрируем сказанное на примере амплитудной манипуляции (рис.2.12). В случае манипуляции модулирующая функция представляет собой периодическую последовательность прямоугольных импульсов и согласно (2.2.12)
при ar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/>
S(t) |
t |
τ |
T |
w |
W 0 |
Рис.2.12 - амплитудная манипуляция
Амплитудно-манипулированное колебание при этом записывается в виде
Амплитудный спектр манипулированного колебания показан на рис.2.12.
Амплитудно-модулированные колебания являются типичным примером почти периодических сигналов, для которых гармонические составляющие имеют некратные частоты.
Рассмотрим энергетические соотношения при AM. В соответствии с изменением амплитуды колебания изменяется и средняя за период высокой частоты мощность модулированного колебания.
Мощность сигнала в отсутствии модуляции (мощность несущего колебания) определяется первым членом выражения (2.3.5) и равна
где период высокочастотного колебания.
В режиме модуляции мощность непрерывно изменяется. Ее максимальное и минимальное значения соответственно определяются выражениями
Мощность двух боковых частот (при модуляции чистым тоном) при будет равна
Средняя за период модуляции мощность будет равна
где период модулирующего колебания.
Из последних выражений при m=1 получим
Таким образом, при стопроцентной модуляции 2/3 всей мощности тратится на передачу несущего колебания и 1/3 - на пере дачу боковых частот. Обусловленное модуляцией приращение мощности, которое в основном и определяет условия выделения сообщения при приеме, в этом случае не превышает половины мощности несущего колебания. Кроме того, большая величина пико-4 вой мощности по сравнению со средней требует линейного режима работы тракта приема-передачи в широком динамическом диапазоне (в передатчике лампы должны выбираться по максимальной мощности). Сказанное позволяет заключить, что амплитудная модуляция с энергетической точки зрения имеет существенные недостатки.
Указанные недостатки амплитудной модуляции можно в значительной мере устранить, если использовать передачу с подавленной несущей. Подавление несущей осуществляется при использовании балансной амплитудной модуляции (БАМ). Этот вид модуляции называют еще двухполюсной модуляцией (ДМ). При балансной модуляции сигнал записывается в виде
откуда при модуляции чистым тоном получим
т.е. только две боковые частоты без несущей.
При балансной модуляции аналогично (2.3.10) (2.3.13) находим
Следовательно, энергетические показатели в этом случае значительно лучше, чем при обычной AM.
На рис.2.13 показан спектр сигнала при балансной модуляции и временные диаграммы при обычной и балансной модуляции. Временная диаграмма в последнем случае получается путем вычитания из обычного AM колебания составляющей Нетрудно видеть, что огибающая при балансной модуляции имеет удвоенную частоту, а фаза высокочастотного заполнения меняется скачком на 180o при каждом переходе огибающей через нулевое значение. Весьма показательным примером этого может служить амплитудно-манипулированное колебание с подавленной несущей (рис.2.14). Такое колебание по сути дела будет являться фазоманипулированным колебанием, которое будет рассмотрено подробнее несколько ниже. Однако уже сейчас можно отметить, что фазоманипулированное колебание будет иметь амплитудный спектр AM колебания с подавленной несущей.
t |
AM |
t |
Рис.2.14- амплитудно-манипулированное колебание с подавленной несущей
Использование БАМ и ОМ позволяет сократить бесполезный расход энергии на составляющую несущей частоты, а при ОМ - сократить дополнительно вдвое ширину спектра передаваемого сигнала. Однако для демодуляции сигнала на приемной стороне несущая необходима. Необходимость восстановления несущей требует некоторого усложнения аппаратуры.
Частотная модуляция
При частотной модуляции по закону модулирующего колебания U(t) изменяется частота высокочастотного несущего колебания.
На рис.2.15 показаны графики модулирующего и модулированного сигналов в случае модуляции чистым тоном. Получим выражение для ЧМ - колебания. По определению
где - максимальное отклонение частоты, называемое де-внациеи частоты, a - относительное изменение частоты. По своему определению мгновенная круговая частота является производной по временя от аргумента тригонометрической функции COS Ψ(t) , представляющей колебание, т.е.
U(t) |
S(t) |
t |
t |
План:
-
Введение
- 1 Классификация электросвязи
- 2 Типы связи
- 3 Сигнал
- 4 Линия связи
- 5 Канал связи
- 6 Разделение (уплотнение) каналов
- 7 Сеть связи
- 8 Стандартизация Литература
Введение
Электросвязь - способ передачи информации с помощью электромагнитных сигналов, например, по проводам, волоконно-оптическому кабелю или по радио.
Принцип электросвязи основан на преобразовании сигналов сообщения (звук, текст, оптическая информация) в первичные электрические сигналы. В свою очередь, первичные электрические сигналы при помощи передатчика преобразуются во вторичные электрические сигналы, характеристики которых хорошо согласуются с характеристиками линии связи . Далее посредством линии связи вторичные сигналы поступают на вход приёмника. В приемном устройстве вторичные сигналы обратно преобразуются в сигналы сообщения в виде звука, оптической или текстовой информации.
1. Классификация электросвязи
По виду передачи информации все современные системы электросвязи условно классифицируются на предназначенные для передачи звука, видео, текста.
В зависимости от среды передачи выделяют электрическую, оптическую и радиосвязь.
В зависимости от назначения сообщений виды электросвязи могут быть квалифицированы на предназначенные для передачи информации индивидуального и массового характера. По временным параметрам виды электросвязи могут быть работающими в реальном времени либо осуществляющими отложенную доставку сообщений.
Основными первичными сигналами электросвязи являются: телефонный, звукового вещания, факсимильный, телевизионный, телеграфный, передачи данных.
2. Типы связи
В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на:
- спутниковые
- воздушные
- наземные
- подводные
- подземные
В зависимости от того, подвижны источники/получатели информации или нет, различают стационарную (фиксированную ) и подвижную связь (мобильную, связь с подвижными объектами - СПО).
По типу передаваемого сигнала различают аналоговую и цифровую связь. Аналоговая связь - это передача непрерывного сигнала (например, звука или речи). Цифровая связь - это передача информации в дискретной форме (цифровом виде). Цифровой сигнал по своей физической природе является «аналоговым», но этот аналоговый сигнал (импульсный и дискретный) наделяется свойствами числа, в результате чего для его обработки становится возможным использование численных методов.
Дискретные сообщения могут передаваться аналоговыми каналами и наоборот. В настоящее время цифровая связь вытесняет аналоговую (происходит оцифровка), поскольку аналоговые сигналы перед отправкой могут быть преобразованы в дискретные и после приема восстановлены без существенных потерь. Условия, обеспечивающие возможность такого преобразования, задаются теоремой Котельникова.
3. Сигнал
Аналоговый сигнал - физическая величина, изменение (модуляция) которой в пространстве и во времени отображает передаваемое сообщение. Например, изменения напряжения (или тока, частоты, фазы и т. п.) отражают процесс речи. Сигнал имеет следующие измерения: высота H (динамический диапазон), «ширина» F (ширина спектра), длина T (длительность сигнала во времени).
Объёмом сигнала является произведение V = FHT. В процессе передачи сигнала могут происходить изменения измерений как с сохранением объёма, так и без. Это происходит вследствие следующих преобразований сигнала:
- Ограничение - изъятие из передачи одной или нескольких частей сигнала без сохранения информации, которая содержалась в изъятых частях. Например, ограничение речевого канала диапазоном 300-3400 Гц (канал тональной частоты).
- Трансформация - изменения одного или нескольких измерений за счёт изменения другого или других измерений с сохранением неизменного объёма (как у кубика пластилина). Например, уменьшить время передачи можно, увеличив ширину спектра сигнала или динамический диапазон, либо и то, и другое.
- Компандирование - включает два процесса, от которых пошло название: компрессия (сжатие) и экспандирование (расширение). На передающей стороне происходит сжатие сигнала в одном или нескольких измерениях, на приёмной - восстановление. Например, «выкусывание» пауз в речи на передающей стороне и восстановление на приёмной.
4. Линия связи
Цепь связи - проводники/волокно, используемые для передачи одного сигнала. В радиосвязи то же понятие имеет название ствол . Различают кабельную цепь - цепь в кабеле и воздушную цепь - подвешена на опорах.
Линия связи (ЛС) в узком смысле - физическая среда, по которой передаются информационные сигналы аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры. В широком смысле - совокупность физических цепей и (или) линейных трактов систем передачи, имеющих общие линейные сооружения, устройства их обслуживания и одну и ту же среду распространения (ГОСТ 22348). Тракт - совокупность оборудования и среды, формирующих специализированные каналы , имеющие определённые стандартные показатели: полоса частот, скорость передачи и т. п.
Линия содержит одну и более цепь связи (ствол). Сигнал, действующий в линии, называется линейным .
Различают два основных типа ЛС:
- линии в атмосфере (радиолинии, РЛ);
- направляющие линии передачи (линии связи).
5. Канал связи
Для обеспечения эффективного использования цепей связи на них с помощью каналообразующего оборудования (КОО) организуются каналы связи . В некоторых случаях линия, цепь связи и канал связи совпадают (одна линия, одна цепь и один канал), в некоторых канал состоит из нескольких линий/цепей (как последовательно, так и параллельно). Каналы могут вкладываться друг в друга (групповой канал). Сигнал, «содержащий» несколько индивидуальных каналов, называется групповым сигналом . Каналы можно разделить на непрерывные (аналоговые) и дискретные (цифровые).
Каналы связи по направлению передачи подразделяются на:
- симплексные - то есть допускающие передачу данных только в одном направлении, пример - радиотрансляция, телевидение;
- полудуплексные поочерёдно , пример - рации;
- дуплексные - то есть допускающие передачу данных в обоих направлениях одновременно , пример - телефон.
6. Разделение (уплотнение) каналов
и Модуляция.
Создание нескольких каналов на одной линии связи обеспечивается с помощью разнесения их по частоте, времени, кодам, адресу, длине волны.
- частотное разделение каналов (ЧРК, FDM) - разделение каналов по частоте. Каждому каналу выделяется определённый диапазон частот.
- временное разделение каналов (ВРК, TDM) - разделение каналов во времени. Каждому каналу выделяется квант времени (таймслот).
- кодовое разделение каналов (КРК, CDMA) - разделение каналов по кодам. Каждый канал имеет свой код, наложение которого на групповой сигнал позволяет выделить информацию конкретного канала.
- спектральное разделение каналов (СРК, WDM) - разделение каналов по длине волны.
Возможно комбинировать методы, например ЧРК+ВРК и т. п.
7. Сеть связи
Сеть передачи данных
Сеть (система) электросвязи - совокупность оконечных устройств, линий связи и узлов связи, функционирующих под единым управлением. Например: компьютерная сеть, телефонная сеть.
В общем виде система связи состоит из:
- оконечного оборудования (ОО, терминальное устройство, оконечное устройство) источника и получателя сообщения, и
- устройств преобразования сигнала (УПС) с обоих концов линии.
Оконечное оборудование обеспечивает первичную обработку сообщения и сигнала, преобразование сообщений из вида, в котором их предоставляет источник (речь, изображение и т. п.) в сигнал (на стороне источника, отправителя) и обратно (на стороне получателя), усиление и т. п.
Устройства преобразования сигнала могут обеспечивать защиту сигнала от искажений, формирование канала (каналов), согласование группового сигнала (сигнала нескольких каналов) с линией на стороне источника, восстановление группового сигнала из смеси полезного сигнала и помех, разделение его на индивидуальные каналы, обнаружение ошибок и коррекцию на стороне получателя. Для формирования группового сигнала и согласования с линией используется модуляция.
Линия связи может содержать такие устройства преобразования сигнала, как усилители и регенераторы . Усилитель просто усиливает сигнал вместе с помехами и передаёт дальше, используется в аналоговых системах передачи (АСП). Регенератор («переприёмник») - производит восстановление сигнала без помех и повторное формирование линейного сигнала, используется в цифровых системах передачи (ЦСП). Усилительные/регенерационные пункты бывают обслуживаемыми и необслуживаемыми (ОУП, НУП, ОРП и НРП соответственно).
В ЦСП оконечное оборудование называется ООД (оконечное оборудование данных, DTE), УПС - АКД (аппаратура окончания канала данных или оконечное оборудование линии связи, DCE). Например, в компьютерных сетях роль ООД выполняет компьютер, а АКД - модем.
8. Стандартизация
Стандарты в мире связи исключительно важны, так как оборудование связи должно уметь взаимодействовать друг с другом. Существует несколько международных организаций, публикующих стандарты связи. Среди них:
- Международный союз электросвязи (англ. International Telecommunication Union , ITU) - одно из агентств ООН.
- Институт инженеров электротехники и электроники (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers , IEEE).
- Специальная комиссия интернет-разработок (англ. Internet Engineering Task Force , IETF).
Кроме того, нередко стандарты (как правило, де-факто) определяются лидерами индустрии телекоммуникационного оборудования.
Классификация систем электросвязи по назначению (видам передаваемых сообщений) и виду среды распространения сигналов
Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы
Классификация систем электросвязи весьма разнообразна но в основном определяется видами передаваемых сообщений средой распространения сигналов электросвязи и способами распределения коммутации сообщений в сети рис.2 Классификация систем электросвязи по видам передаваемых сообщений и среды распространения По виду передаваемых сообщений различают следующие системы связи: телефонные передачи речи телеграфные передачи текста факсимильные передачи неподвижных изображений теле и звукового вещания передачи подвижных изображений и...
Классификация систем электросвязи по назначению (видам передаваемых сообщений) и виду среды распространения сигналов.
Классификация систем электросвязи весьма разнообразна, но в основном определяется видами передаваемых сообщений, средой распространения сигналов электросвязи и способами распределения (коммутации) сообщений в сети (рис. 1.2.2).
Рисунок 1.2.2 Классификация систем электросвязи по видам
передаваемых сообщений и среды распространения
По виду передаваемых сообщений различают следующие системы связи: телефонные (передачи речи), телеграфные (передачи текста), факсимильные (передачи неподвижных изображений), теле и звукового вещания (передачи подвижных изображений и звука), 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 измеряемая физическая величина (температура, давление, скорость и т.п.) с помощью датчиков преобразуется в первичный электрический сигнал, поступающий в передатчик. На приёмном конце переданную физическую величину или её изменения выделяют из сигнала и наблюдают или регистрируют с помощью записывающих приборов. В системе телеуправления осуществляется передача команд для автоматического выполнения определённых действий.
Системы передачи данных , обеспечивающие обмен информацией между вычислительными средствами и объектами автоматизированных систем управления, отличаются от телеграфных более высокими скоростями и верностью передачи информации.
В зависимости от среды распространения сигналов различают системы (линии) проводной связи (воздушные, кабельные, волоконно-оптические и др.) и радиосвязи. Кабельные системы связи являются основой магистральных сетей дальней связи, по ним осуществляется передача сигналов в диапазоне частот от десятков кГц до сотен МГц. Весьма перспективными являются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Они позволяют в диапазоне от 600 до 900 ГГц (0,5...0,3 мкм) обеспечить очень большую пропускную способность (сотни телевизионных или сотни тысяч телефонных каналов). Наряду с проводными линиями связи широко используются радиолинии различных диапазонов (от сотен кГц до десятков ГГц). Эти линии более экономичны и незаменимы для связи с подвижными объектами. Наибольшее распространение для многоканальной радиосвязи получили радиорелейные линии (РРЛ) метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов на частотах от 60 МГц до 40 ГГц. Разновидностью РРЛ являются тропосферные линии с использованием отражений от неоднородностей тропосферы. Всё большее применение находят спутниковые линии связи (СЛС) РРЛ с ретранслятором на ИСЗ. Для этих линий (систем) связи отведены диапазоны частот от 4 до 6 и от 11 до 27,5 ГГц. Большая дальность при одном ретрансляторе на спутнике, гибкость и возможность организации глобальной связи важные преимущества СЛС.
Диапазоны частот электромагнитных колебаний, используемые в системах радиосвязи, представлены в табл. 1.2.1.
Таблица 1.2.1 Диапазон частот электромагнитных колебаний,
используемых в системах радиосвязи
Системы связи могут работать в одном из трёх режимов:
Симплексном передача сообщений осуществляется в одном направлении от источника к получателю;
Дуплексном обеспечивается возможность одновременной передачи сообщений в прямом и обратном направлении;
Полудуплексном обмен сообщений осуществляется поочередно.
А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать |
|||
51285. | Изучение явления интерференции света с помощью бипризмы Френеля | 82 KB | |
Цель работы: Изучение поляризованного света явлений вращения плоскости поляризации в оптически активных растворах и магнитных полях определение постоянной вращения постоянной Верде и концентрация оптически активных растворов. Приборы и принадлежности: круговые поляриметры трубки с оптически активными соленоид выпрямитель миллиметровка Определение постоянной вращения сахарных растворов.5 По формуле вычислим концентрацию: Вывод: в ходе работы изучили: излучение поляризованного света явление вращения плоскости поляризации в... | |||
51286. | исследование дисперсии стеклянной призмы | 74 KB | |
Цель работы: Наблюдение линейных спектров испускания определение показателя преломления оптического стекла для различных длин волн и построение кривой дисперсии этого стекла определение дисперсионных характеристик призмы. Определение зависимости Преломляющий угол... | |||
51287. | Изучение явления интерференции света в тонких плёнках на примере колец Ньютона | 131.5 KB | |
Цель работы: изучение явления интерференции света определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона определение длины волны пропускания светофильтров | |||
51289. | 42.5 KB | ||
Цель работы: изучение методов получения когерентных источников света искусственным делением фронта световой волны бипризма Френеля; изучение явления интерференции света; определение длины волны источника света и расстояний между когерентными источниками света. Приборы и принадлежности: источник света светофильтры раздвижная щель бипризма Френеля микроскоп с отсчет ной шкалой оптические рейтеры.Определение длины волны источника света. Вывод: изучили методы получения когерентных источников света искусственным делением... | |||
51290. | Иучение явления интерференции света с помощью бипризмы Френеля | 52.5 KB | |
Цель работы: Изучение методов получения когерентных источников света искусственным делением фронта световой волны бипризма Френеля; изучение явления интерференции света. Приборы и принадлежности: источник света светофильтры раздвижная... | |||
51291. | Дифракция света в лазерных лучах | 55 KB | |
Газовый лазер непрерывного действия ЛГ-75 или ЛПМ-11, рейтер с дифракционными объектами (раздвижная щель, тонкая нить, две взаимно перпендикулярные нити), экран с отсчетными линейками. | |||
51292. | Финансы и финансовая деятельность | 178.88 KB | |
Финансы - это экономические денежные отношения по формированию, распределению и использованию фондов денежных средств государства, его территориальных подразделений, а также предприятий, организаций и учреждений, необходимых для обеспечения расширенного воспроизводства и социальных нужд, в процессе осуществления которых происходит распределение и перераспределение общественного продукта и контроль за удовлетворением потребностей общества. | |||