Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

Глава 1. Виды электросвязи

содержание | вперёд

 

1.1. Информация,сообщения, сигналы

Человечество не может создавать материальные блага, не воздействуя на природу и не осуществляя передачу, преобразование, запись и хранение информации с целью непосредственного ее использования человеком. В общем случае под информацией понимают сведения о каких-либо событиях, фактах или предметах.

Человек получает 80…90% информации с помощью зрительного аппарата и 10…20% с помощью слухового. Другие органы чувств (осязание, обоняние, вкус) дают человеку только 1…2% информации. Таким образом, зрительный и слуховой аппараты человека в совокупности с его нервной системой являются основными каналами подачи информации в мозг.

Для людей обмен информацией стал естественной потребностью. Обмен информацией означает ее передачу и прием. Для решения этой проблемы человечество создало и успешно использует технические средства – телекоммуникации. Экономическое значение телекоммуникаций в сфере материального производства объясняется экономией времени, которую они дают, что в свою очередь, повышает производительность труда. Социальное значение средств связи следует из-за их огромного влияния на развитие культуры, здравоохранения, образования, науки, обороноспособности и т.д.

Понятию «информация» близко по смыслу понятие «сообщение». Сообщение – это форма выражения (представления) информации. Сообщения в форме изображений или звуков естественны и удобны для общения между людьми. Сообщения, предназначенные для обработки в ЭВМ, называются данными. В любом сообщении существует информационный параметр, изменения которого изменяют смысл информации, содержащейся в сообщении. Если информационный параметр сообщения может принимать любые значения в некотором интервале, то сообщение называется непрерывным. Конечное число возможных значений информационного параметра является признаком дискретного сообщения

Количество информации в отдельно взятом сообщении определяется величиной, обратной вероятности появления сообщения, вычисленной в логарифмических единицах

J(a)=logk[1/p(a)]=-logkp(a)

где р(а) – вероятность сообщения а,

k – основание логарифма.

При р(а) = 1 количество информации равно нулю, то есть сообщение об известном событии никакой информации не несет

Основание логарифма чаще всего принимают равным двум (k=2), и тогда количество информации, содержащейся в сообщении,выражается в двоичных единицах

J(a)=-log2p(a)

Двоичную единицу обычно называют битом – от binary digit (двоичная цифра).

Совокупность всех возможных сообщений и вероятностей их появления образует ансамбль сообщений. Если ансамбль состоит всего из двух сообщений а1 и а2 (например, вида «да» и «нет» или 0 и 1), которые являются независимыми и равновероятными, то есть р(а1) = р(а2) = 1/2, то каждое из сообщений несет одну двоичную единицу (один бит) информации:

J=-log2p(а1)=-log2p(а2)=-log20,5=1 бит

Для передачи сообщений используются физические процессы, способные распространяться с определенной скоростью от источника к получателю, например, звуковые или электромагнитные волны, электрический ток. Физический процесс, отображающий передаваемое сообщение, называется сигналом. Передача и прием сообщений любого рода с помощью электрических сигналов называется электрической связью (электросвязью). Выбор электрических сигналов для передачи сообщений на большие расстояния глубоко закономерен, поскольку скорость их распространения соответствует предельной скорости распространения любых физических процессов, равной скорости света 3•108 м/с.

Электрические сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными. Непрерывный электрический сигнал часто называется аналоговым. Дискретные электрические сигналы характеризуются конечным числом значений информационного параметра. В большинстве случаев этот параметр может принимать одно из двух значений: 1 или 0. Дискретные электрические сигналы такого вида называются цифровыми.

Все сигналы могут быть подразделены на периодические, значения которых повторяются через определённые промежутки времени, и непериодические. Простейшим периодическим сигналом является гармоническое колебание.

S(t)=A•Sin(ω•t),

где A , ω – амплитуда и угловая частота колебания соответственно.

Любой периодический сигнал состоит из гармоник, значение амплитуд (Ak), частот (ωk) и начальных фаз (φk) которых можно найти, посредством разложения в ряд Фурье:

Если изобразить амплитуду Ak и фазу φk каждой гармоники на рисунке, то получим спектральные диаграммы. Распределение амплитуд Ak гармоник по частоте называется спектром амплитуд сигнала, а распределение фаз φk – спектром фаз. На рис. 1.1 изображены временное и спектральное представления электрических сигналов.


Рис. 1.1. Временное и спектральное представления электрических сигналов

Непериодический сигнал легко получить из периодического, увеличивая период вплоть до бесконечности (на рис.1.2 показано последовательное двукратное увеличение периода). Спектральные диаграммы, соответствующие каждому периоду приведены на рис.1.3.

При увеличении периода сигнала частота первой гармоники понижается, и спектральные линии становятся гуще. Амплитуды гармоник уменьшаются, так как энергия перераспределяется между возросшим числом гармоник. Понятие спектра амплитуд заменяется понятием спектральной плотности (аналогично возникает понятие фаз), которая указывает на удельный вес бесконечно малой амплитуды синусоидального колебания в любой узкой полосе частот (рис.1.3). Таким образом, спектр непериодического является общем случае не дискретным, а непрерывным.

Рис. 1.2. Увеличение периода последовательности прямоугольных импульсов

Рис. 1.3. Переход к спектральной плотности одиночного прямоугольного импульса

1.2. Определение электросвязи и классификация ее видов

Физиологические возможности организма человека не позволяют ему непосредственно воспринимать электрические сигналы и выделять из них передаваемые сообщения. Поэтому в телекоммуникационных системах используются специальные преобразователи различных сообщений электрический сигнал обратно. Например, преобразование звуковых колебаний осуществляется с помощью микрофона. Обратное электрического сигнала звуковые колебания производится телефона электродинамического громкоговорителя. Преобразование изображения света на основе внешнего или внутреннего фотоэффекта.

Преобразование подвижных изображений в электрический сигнал осуществляется с помощью передающих телевизионных (ТВ) трубок или твердотельных фотоэлектрических преобразователей. Существует несколько способов преобразования электрического сигнала оптическое изображение. Наибольшее распространение получили электромеханический, фотографический, электрохимический и электронный способы. Например, способ предполагает запись изображения на электрохимическую бумагу, протягиваемую между двумя электродами, цвет которой изменяется под действием сигнала. Электронный изображение основан применении приемной ТВ-трубки – кинескопа.

Система электросвязи – это совокупность технических средств и среды распространения сигналов, обеспечивающая передачу сообщений от источника к получателю. Обобщенная структурная схема системы представлена на рис.1.4.

1 - источник сообщения; 2 - преобразователь сообщения в электрический сигнал; 3 - передатчик; 4 - среда распространения сигналов электросвязи; 5 - приемник; 6 - преобразователь электрического сигнала в сообщение; 7 - получатель сообщения; 8 - источник помех

Рис. 1.4 – Структурная схема системы электросвязи

Сообщение от источника преобразуется в первичный электрический сигнал. В передатчике сигнал дополнительно к виду, удобному для передачи через среду распространения. Электрический среде распространения называется вторичным сигналом. процессе искажается, и на него могут накладываться помехи, под которыми понимаются любые воздействия, затрудняющие его прием. Приемник выделяет из суммы вторичного электрического сигнала помехи только вторичный сигнал, а затем вновь преобразует в первичный. Преобразователи 2, 6 выполняют функции оконечных устройств системы электросвязи. Оконечные устройства (терминалы) часто называются абонентскими, так как они устанавливаются у абонентов.

Совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая при подключении оконечных абонентских устройств передачу сообщения любого вида от источника к получателю, называется каналом электросвязи. На схеме (см. рис.1.4) в состав канала электросвязи входят элементы 3 – 5.

В настоящее время принята следующая классификация различных видов электросвязи:

Телеграфная связьобеспечивает передачу буквенно-цифровых текстов телеграмм;
Передача данных обеспечивает связь человека с ЭВМ, а также между ЭВМ;
Телефонная связь рассчитана на передачу речевых сообщений;
Звуковое вещание предполагает передачу звуковых программ, предназначенных для непосредственного приема населением;
ТВ вещание предназначено для передачи изображений движущихся или неподвижных объектов со звуковым сопровождением;
Видеотелефонная связь рассчитана на одновременную передачу изображения и речевых сообщений;
Факсимильная связьобеспечивает передачу неподвижных изображений: текстов, таблиц, чертежей, рисунков, фотографий и т.д.
Передача газетных полос – вид факсимильной связи, предназначенной для передачи изображений газетных полос (ИГП).

1.3. Сигналы электросвязи. Ширина полосы частот сигналов

Для оценки условий прохождения электрического сигнала по каналу электросвязи необходимо знать важнейшую характеристику – ширину частотного спектра.

Практически все электрические сигналы, отображающие реальные сообщения содержат бесконечный спектр частот. Для неискажённой передачи таких сигналов потребовался бы канал с бесконечной полосой пропускания. С другой стороны, потеря на приёме хотя одной составляющей спектра приводит к искажению сигнала. Поэтому ставится задача передавать сигнал в ограниченной полосе пропускания канала таким образом, чтобы искажения сигнала удовлетворяли требованиям и качеству информации. Таким исходя из технико-экономических соображений требований передачи, можно сказать, что полоса частот – это ограниченный

Ширина полосы частот ΔF определяется разностью между верхней FB и нижней FHчастотами в спектре сообщения. Так, для периодической последовательности прямоугольных импульсов полоса сигнала ориентировочно может быть найдена из выражения:

tn– длительность импульса.

Речевые сигналы. Первичный телефонный сигнал (речевое сообщение), называемый также абонентским, является нестационарным случайным процессом с полосой частот от 80 до 12 000 Гц. Разборчивость речи определяется формантами (усиленные области спектра частот), большинство которых расположено в полосе 300 … 3400 Гц. Поэтому по рекомендации Международного Союза Электросвязи (МСЭ) для телефонной передачи принята эффективно передаваемая полоса частот 300 … 3400 Гц. Такой сигнал называется сигналом тональной частоты (ТЧ). При этом качество передаваемых сигналов получается достаточно высоким – слоговая разборчивость составляет около 90%, а разборчивость фраз – 99%.

Сигналы звукового вещания. Источниками звука при передаче программ вещания являются музыкальные инструменты или голос человека. Спектр звукового сигнала занимает полосу частот 20…20000 Гц.

Для достаточно высокого качества (каналы вещания первого класса) полоса частот ΔFC должна составлять 50…10000 Гц, для безукоризненного воспроизводства программ вещания (каналы высшего класса) – 30…15000 Гц, второго класса – 100…6800 Гц.

Сигналы ТВ вещания. В вещательном телевидении принят метод поочередного преобразования каждого элемента изображения в электрический сигнал с последующей передачей этого сигнала по одному каналу связи. Для реализации такого принципа на передающей стороне применяются специальные электронно-лучевые трубки, преобразующие оптическое изображение передаваемого объекта развернутый во времени видеосигнал или твердотельные матрицы основе приборов зарядовой связью (ПЗС).

Напряжение видеосигнала будет изменяться от уровня  «черного», соответствующего наиболее темным участкам передаваемого изображения, до уровня «белого», соответствующего наиболее светлым участкам изображения.

Если уровню «белого» будет соответствовать минимальное значение сигнала, а «черного» – максимальное, то видеосигнал негативным (негативной полярности). Характер видеосигнала зависит от конструкции и принципа действия передающей трубки.

Телевизионный сигнал является однополярным (так как он функцией яркости, которая не может быть разнополярной) (рис.1.5). Он имеет сложную форму, и его можно представить в виде суммы постоянной и гармонических составляющих колебаний различных частот. Уровень постоянной составляющей характеризует среднюю яркость передаваемого изображения. При передаче подвижных изображений величина постоянной составляющей будет непрерывно меняться в соответствии с освещенностью. Эти изменения происходят с очень низкими частотами (0,3 Гц). С помощью нижних частот спектра видеосигнала воспроизводятся крупные детали изображения.


tССИ - длительность строчного синхронизирующего импульса; TZ - период строчной развертки; tСГИ– длительность строчного гасящего импульса,

Рис. 1.5. Форма телевизионного сигнала на строчном интервале, где отсутствуют кадровые импульсы,

Телевидение, равно как и кинематограф, стало возможным благодаря инерционности зрения. Нервные окончания сетчатки глаза продолжают ещё какое-то время оставаться возбуждёнными после прекращения действия светового раздражителя. При частоте смены кадров FK≥ 50 Гц глаз не замечает прерывистости смены изображения. В телевидении время считывания всех TK=1/25 c (TK - время кадра). С целью уменьшения мерцания изображения используется чересстрочная развертка. Вначале за время полукадра, равное TП=TK/2=1/50 с, считываются поочередно все нечетные строки, затем, за такое же время – все четные строки.

Определим верхнюю и нижнюю границы спектра телевизионного сигнала. Для неподвижного изображения низкочастотная граница определяется числом воспроизводимых кадров в секунду (или полукадров при чересстрочной развертке).

На рис.1.6,а приведен пример простейшего неподвижного изображения в виде двух горизонтальных полос – одной белой и черной.

Как видно из рис.1.6,б, сигнал, соответствующий этому изображению, представляется в виде импульсов с периодом следования, равным времени передачи поля TП


Рис.1.6. К определению нижней границы спектра телевизионного сигнала:
а) простейший пример неподвижного изображения; б) сигнал, соответствующий этому изображению



Таким образом, нижняя частота спектра телевизионного сигнала может быть определена простым соотношением:

fH=1/TП=2n кадр/с = 50 Гц,

где n – число воспроизводимых полных кадров в секунду.

С помощью верхних частот передаются наиболее мелкие детали изображения. Обычно при определении fB исходят из самого сложного изображения в виде шахматного поля, размеры клеток которого равны одному элементу разложения (рис.1.7,а). Это значит, что при одинаковых горизонтальной и вертикальной четкостях минимальные размеры черных и белых чередующихся элементов вдоль строки и поперек строк должны быть равны диаметру электронного луча.

За время одного кадра должно быть подвергнуто развертке N=kф•z2 элементов, где kф - формат кадра, определяемый соотношением b/h . При анализе наиболее сложного изображения в спектре сигнала содержатся составляющие с частотой, определяемой временем развертки двух соседних элементов (рис.1.7,б). Частота fB=1/τэлпринимается за граничную (верхнюю) частоту спектра телевизионного сигнала. В нашем случае длительность одного элемента разложения τэл определяется выражением:

Если учесть, что TK=1/n, то fB=0,5kф•z2n

Для kф= 4:3, n = 50 (при построчной развертке) 13 МГц. Применение чересстрочной развертки при числе полей в каждом кадре, равном 2, позволит уменьшить число кадров n, воспроизводимых в секунду, по сравнению с построчной разверткой два раза. В этом случае 6,5 МГц.

Согласно ГОСТ 7845-92 радиосигнал изображения формируется с помощью амплитудной модуляции несущей полным телевизионным сигналом частичным подавлением нижней боковой полосы частот, а звукового сопровождения – частотной звука сопровождения. При этом номинальная полоса частот радиоканала составляет 7,625 МГц (ослабление составляющих 1,25 и 6,375 относительно на 20дБ), 0,25 МГц; разнос несущих 6,5 (несущая частота меньше частоты звука); ширина телевизионного вещания 8 (рис.1.8).

Рис. 1.8. Размещение спектров сигналов изображения и звука в канале телевизионного вещания

Факсимильные сигналы. Факсимильная (фототелеграфная) связь – это передача неподвижных изображений (рисунков, чертежей, фотографий, текстов, газетных полос и так далее). Устройство преобразования факсимильного сообщения (изображения) преобразовывает световой поток, отражаемый от изображения, в электрический сигнал (рис.1.9).

При передаче чередующихся по яркости элементов сигнал приобретает вид импульсной последовательности. Частоту следования импульсов в последовательности называют частотой рисунка. Максимального значения частота рисунка достигает при изображения, элементы и разделяющие их промежутки которого равны размерам развертывающего луча:

Fрис.макс.= 1/2τИ

где τИ – длительность импульса, (с), равная длительности передачи элемента изображения, которую можно определить через параметры развертывающего устройства.

Так, если π•D – длина строки, а S – шаг развертки (диаметр развертывающего луча), то в строке π•D/s элементов. При N оборотах в минуту барабана, имеющего диаметр D , время передачи элемента изображения будет равно (с):

,
.

1 – канал факсимильной связи; 2 - привод, синхронизирующие и фазирующие устройства; 3 - передающий барабан, на который помещается оригинал передаваемого изображения бумажном носителе; ФЭП - фотоэлектронный преобразователь отражённого светового потока в электрический сигнал; ОС - оптическая система для формирования луча.

Рис. 1.9. Функциональная схема факсимильной связи.

Минимальная частота рисунка (при изменении по строке) будет при развертке изображения, содержащего длине строки черную и белую полосы, равные ширине половине длины строки. При этом: Fрис.мин.=N/60

Для выполнения удовлетворительной по качеству фототелеграфной связи достаточно передавать частоты от Fрис.мин. до Fрис.макс.. МСЭ рекомендует для факсимильных аппаратов N = 120, 90 и 60 об/мин; S = 0,15 мм; D = 70 мм. Из ранее приведенных соотношений следует, что при N = 120: Fрис.макс.= 1466 Гц; Fрис.мин.= 2 Гц; при N = 60: Fрис.макс.= 733 Гц; Fрис.мин.= 1 Гц. Динамический диапазон факсимильного сигнала составляет 25 дБ.

Телеграфные сигналы и передачи данных. Сообщения и сигналы телеграфии передачи данных относятся к дискретным.

Устройства преобразования телеграфных сообщений и данных представляют каждый знак сообщения (букву, цифру) в виде определённой комбинации импульсов пауз одинаковой длительности. Импульс соответствует наличию тока на выходе устройства преобразования, пауза – отсутствию тока.

Для передачи данных используют более сложные коды, которые позволяют обнаруживать и исправлять ошибки в принятой комбинации импульсов, возникающие от действия помех.

Устройства преобразования сигналов телеграфии и передачи данных в сообщения по принятым комбинациям импульсов пауз восстанавливают соответствии с таблицей кода знаки выдают их на печатающее устройство или экран дисплея.

Чем меньше длительность импульсов, отображающих сообщения, тем больше их будет передано в единицу времени. Величина, обратная длительности импульса, называется скоростью телеграфирования: В =1/τИ , где τИ– длительность импульса, с. Единицу скорости телеграфирования назвали бодом. При длительности импульса τИ= 1 с скорость В = 1 Бод. В телеграфии используются импульсы длительностью 0,02 с, что соответствует стандартной скорости телеграфирования 50 Бод, т.е. В =1/τИ

Сигналы телеграфии и передачи данных обычно имеют вид последовательностей прямоугольных импульсов.

При передаче двоичных сигналов достаточно зафиксировать только знак импульса при двуполярном сигнале либо наличие или отсутствие – при однополярном сигнале. Импульсы можно уверенно зафиксировать, если для их передачи используется ширина полосы частот, численно равная скорости передачи в бодах. Для стандартной скорости телеграфирования 50 Бод ширина спектра телеграфного сигнала составит 50 Гц. При скорости 2400 Бод (среднескоростная система передачи данных) ширина спектра сигнала равна примерно 2400 Гц.

Средняя мощность сообщений Pcp определяется путем усреднения результатов измерений за большой промежуток времени.

Средняя мощность, которую развивает случайный сигнал s(t) на резисторе сопротивлением 1 Ом:

.

Мощность, заключённую в конечной полосе частот между ω1 и ω2, определяют интегрированием функции G (ω) в соответствующих пределах:

.

Функция G (ω) представляет собой спектральную плотность средней мощности процесса, то есть мощность, заключённую в бесконечно малой полосе частот.

Для удобства расчетов мощность обычно дается в относительных единицах, выраженных логарифмической форме (децибелах, дБ). В этом случае уровень мощности:

PX=10lg(PX/PЭ)

Если эталонная мощность PЭ=1 мВт, то PX называют абсолютным уровнем и выражают в децибелах (дБ). С учетом этого абсолютный уровень средней мощности:

.

Пиковая мощность Pпик(ε%) – это такое значение мощности сообщения, которое может превышаться в течение ε % времени.

.

Пик-фактор сигнала определяется отношением пиковой мощности к средней сообщения, дБ,

.

Из последнего выражения, поделив числитель и знаменатель на PЭ, с учетом предыдущих соотношений определим пик-фактор как разность абсолютных уровней пиковой и средней мощностей:

χ(ε%)=Pпик(ε%)-Pcp

Под динамическим диапазоном D (ε %) понимают отношение пиковой мощности к минимальной мощности сообщения PМИН. Динамический диапазон, как и пик-фактор, принято оценивать в дБ:

.

Средняя мощность сигнала тональной частоты, измеренная в час наибольшей нагрузки (ЧНН), с учётом сигналов управления – набора номера, вызова и т.д. составляет 32 мкВт, что соответствует уровню (по сравнению 1 мВт) Pcp= –15 дБ.

Максимальная мощность телефонного сигнала, вероятность превышения которой мала, равна 2220 мкВт (что соответствует уровню +3,5 дБ); минимальная который еще слышен на фоне шумов, принята равной 220000 пВт (1 пВт =10-12мВт), что соответствует уровню– 36,5 дБ.

Средняя мощность Pcp сигнала вещания (измеренная в точке с нулевым относительным уровнем) зависит от интервала усреднения и равна 923 мкВт при усреднении за час, 2230 мкВт – за минуту и 4500 мкВт – за секунду. Максимальная мощность сигнала вещания 8000 мкВт.

Динамический диапазон Dc сигналов вещания составляет для речи диктора 25…35 дБ, для инструментального ансамбля 40…50 дБ, для симфонического оркестра до 65 дБ.

В соответствии с рекомендацией МСЭ мощность допустимых помех не должна превышать PП = 4000 пВт

Первичные дискретные сигналы обычно имеют вид прямоугольных импульсов постоянного или переменного тока, как правило, с двумя разрешёнными состояниями (двоичные двухпозиционные).

Скорость передачи информации определяется количеством информации, передаваемой в единицу времени, и измеряется в бит/с

C=(1/εи)log2M

где М – число позиций сигнала.

В двоичных системах (М=2) каждый элемент несет 1 бит информации, поэтому:

Cмакс=B,бит/с

Контрольные вопросы

1. Дайте определения понятиям «информация», «сообщение», «сигнал».
2. Как определить количество информации в отдельно взятом сообщении?
Какие виды сигналов существуют?
3. Чем отличается спектр периодического сигнала от спектра непериодического сигнала?
4. Дайте определение ширины полосы частот сигнала.
5. Поясните сущность факсимильной передачи сообщений.
6. Каким способом осуществляется развёртка ТВ изображения?
7. Чему равняется частота смены кадров в ТВ системе?
8. Поясните состав полного ТВ сигнала.
9. Дайте понятие динамического диапазона?
10. Перечислите основные сигналы электросвязи. Какие частотные диапазоны занимают их спектры?


содержание | вперёд