Раздел 5 Основные характеристики сигнала и канала связи

5.1 Характеристики сигнала

Подробное спектральное или временное описание сигнала, особенно в аналитическом виде, далеко не всегда бывает необходимо. Часто для описания общих свойств сигнала вполне достаточно указание основных его характеристик:

1. длительность сигнала , , характеризующаяся временем передачи сообщения (временем занятости канала);

2. ширина спектра сигнала ∆f_c;

3. превышение сигнала над помехой – , или отношение сигнал/помеха (сигнал/шум).

5.1.1 Ширина спектра сигнала

Все каналы связи имеют ограниченную полосу пропускания, поэтому при передаче сигнала через реальный канал связи может быть передана лишь часть его частотного спектра, что приведет к искажению формы принятого сигнала. Поэтому необходимо заботиться о минимальном искажении сигнала, для чего необходимо согласовать ширину спектра сигнала и канала связи.

Практическая ширина спектра сигнала – это диапазон частот, в пределах которого находится наиболее существенная часть спектра сигнала. Т.е. ширина спектра – это разница между максимальной и минимальной частотами сигнала, которые определяются по амплитудно-частотному спектру: ∆f_c= f_max - f_min.

Методы определения максимальной и минимальной частоты в спектре сигнала разнообразны:

1. П о нулевым значениям до и после максимального значения (рисунок 5.1);

Рисунок 5.1 – Сигнал длительностью τ и его спектр шириной ∆f_с

2. если амплитудный спектр не имеет ярко выраженных «0», то используют определение крайних частот по некоторому уровню, например, по уровню 0,1 от Ф_max или 0,5 от Ф_max, при этом говорят о ширине спектра по уровню 0,5 – ∆f_0.5 и по уровню 0,1 – ∆f_0.1. Такой метод используется для функций без разрывов, с одним максимумом, т.е. гладкой (рисунок 5.2).

∆f0.1

Рисунок 5.2 – Сигнал в виде гауссовой функции и его спектр

3. для сигналов, имеющих амплитудный спектр в виде случайной изрезанной кривой, используется определение эффективной полосы частот ∆f _эфф (рисунок 5.3) При этом ширина спектра определяется как ширина прямоугольника, имеющего площадь Q и высоту Ф_max.:

(5.1)

Рисунок 5.3 – Определение эффективной полосы частот

Площадь Q равна площади под функцией амплитудного спектра:

. (5.2)

При оценке ширины спектра необходимо устанавливать, какие частотные составляющие должны присутствовать в спектре сигнала для достижения необходимого качества воспроизведения сообщений.

Например, при телеграфии сигнал представляет собой последовательность посылок и пауз различной длительности. Наиболее широкий спектр телеграфный сигнал будет иметь при передаче самых коротких импульсов, разделенных самыми короткими паузами. Сохранение прямоугольной формы импульса не обязательно. Для того, чтобы отличить посылку от паузы, достаточно сохранить в спектре сигнала лишь первые три гармоники (рисунок 5.4).

а).	б).

Рисунок 5.4 – Телеграфный сигнал а), телеграфный сигнал,

восстановленный по сумме трех гармоник б).

Ширина спектра: ∆f_с=3 f₀, где f₀=1/T₀ – частота следования коротких посылок, разделенных паузами.

В телефонии элементы речи (звуки, слоги, слова) связаны друг с другом и не имеют четких границ. Типичные звуки речи называют фонемами. Спектры фонем русской речи занимают частотную область от 70 до 7000 Гц. Однако, распределение спектральной плотности неравномерное. Характерные для данной фонемы участки наибольшей спектральной плотности называют формантами. Необходимая в телефонии степень разборчивости речи может быть достигнута, если передавать только те частоты, в области которых расположены основные форманты звуков речи. Это область частоты речи от 400 до 3400 Гц.

В радиовещании для высококачественной передачи музыки требуется полоса частот от 30 до 15000 Гц. Звуковых колебаний с более высокими частотами человек не слышит. Однако, передача такого широкого спектра частот технически весьма затруднительна, поэтому ограничиваются длинноволновым (ДВ) и коротковолновым (КВ) диапазонами от 50 до 4500 Гц, ультракороткими волнами (УКВ) от 30 до 10 кГц, добиваясь более высокого качества передачи сигнала.

В импульсных радиолиниях связи, в телеметрии (системы измерения на расстоянии физических величин, характеризующих технический процесс, результаты которого в виде кодированных радиосигналов автоматически передаются по каналу связи на индикаторы или ЭВМ), в радиолокации (системы наблюдения различных объектов радиотехническими методами, их обнаружение, распознавание, определение их местоположения) используются импульсы порядка 1мксек. Ширина спектра сигнала, составленного из таких коротких импульсов, равна 1МГц.

В телевидении для детального воспроизведения изображения необходимо разложить это изображение на большое количество строк. На рисунке 5.5 представлено формирование телевизионного сигнала. Телевизионное изображение состоит из кадров. Кадр формируется за счет быстрого построчного движения луча по горизонтали с периодом Т_ср = 64мкс, и медленного движения по вертикали с периодом Т_кр=20мс. В телевидении используется частота кадров f_кр=1/Т_кр=50Гц. При этом изображение передается полукадрами, сначала формируются четные строки, а затем нечетные, тем самым реализуется чересстрочная развертка.

КР – кадровая развертка СР – строчная развертка

а)

Структура видеосигнала:

б)

Рисунок 5.5 – Формирование телевизионного растра а), видеосигнала б).

Для выполнения временной синхронизации видеосигнал имеет:

1. СГИ – строчные гасящие импульсы, предназначенные для гашения экрана на время обратного хода строчной развертки;

2. ССИ – строчные синхроимпульсы, предназначенные для запуска развертки по строке, определяют начало строки;

3. Активную часть сигнала, которая соответствует самому видеосигналу передаваемого изображения;

4. КСИ – кадровые синхроимпульсы, определяющие начало формирования изображения по кадру;

5. КГИ – кадровые гасящие импульсы для гашения экрана на время обратного хода по кадру.

По принятому вещательному стандарту число строк в растре N_стр = 625, а горизонтальный размер превышает вертикальный в раза. С учетом этого число телевизионных элементов в кадре равно:

(5.3)

Для слитного восприятия движущегося изображения необходимо передавать не менее 24 кадров в секунду (это пришло из кинематографа). Частота кадров должна быть привязана к частоте сети, поэтому при формировании вещательного стандарта была выбрана частота кадров 25 Гц, т.е. кратная частоте сети 50 Гц.

Таким образом, число передаваемых элементов телевизионного изображения в секунду равно:

F= N_тв.эл. * 25Гц ≈ 13∙10⁶Гц = 13 МГц. (5.4)

Для сокращения полосы передаваемых частот в 2 раза используется чересстрочная развертка, при которой в четном и нечетном полукадрах передается по 625/2=312,5 строк. Это приводит к уменьшению полосы передаваемых частот в 2 раза, т.е. ∆f _тв = 6,5 МГц, при этом частота полукадров равна 50 Гц.

Период строчной развертки равен:

. (5.5)

Частоту f_В = ∆f_тв = 6,5МГц принимают за верхнюю границу спектра видеосигнала. У нижней границы спектра располагаются спектральные составляющие звукового сопровождения и сигналы синхронизации f_Н = 50 Гц.