Глава 2. Первичные сигналы электросвязи и каналы передачи.

§ Первичные сигналы электросвязи и их физические характеристики.

Электрический сигнал, получаемый на выходе преобразователя сообщения, называется первичным сигна­лом электросвязи.

Параметр первичного сигнала «x(t)», изменение величины кото­рого однозначно отображает передаваемое сообщение, называется представляющим или информационным параметром. Таким параметром, например, может быть амплитуда, частота или фаза гармонического электрического сигнала; амплитуда, длительность или фаза импульсов периодической последовательности; структура и разрядность кодовых комбинаций и др.

Первичный сигнал в структуре телекоммуникационных систем и сетей (ТКСС) есть объект транспортировки, так как он должен быть передан по каналу от передатчика к приемнику. ТКСС представляет технику транспортирования сигнала, а телекоммуникационные сети - специфическую транспортную сеть. Поэтому для установ­ления соотношений между параметрами и характеристиками первич­ных сигналов и свойствами каналов передачи вводят такие параметры и характеристики первичных сигналов, которые просто измерить и по которым возможно определить условия их передачи с минимальными искажениями и максимально возможной защищен­ностью.

Первым таким параметром является длительность первич­ного сигнала Т_С , определяющая интервал времени, в пределах которого сигнал существует.

Следующим параметром первичного сигнала является его сред­няя мощность, определяемая выражением

(1)

где T - период усреднения; если T = 1 мин, то такая средняя мощ­ность называется среднеминутной мощностью, если T = 1 ч, то речь идет о среднечасовой мощности и при T 1 ч говорят о долговре­менной средней мощности сигнала; R - сопротивление нагрузки, на которой определяется средняя мощность сигнала; U(t) - напряжение первичного сигнала.

Первичный сигнал характеризуется максимальной мощно­стью , под которой понимается мощность эквивалентного синусоидального сигнала с амплитудой U_m , которая превышается мгновенными значениями переменной составляющей сигнала U(t) с определенной малой вероятностью . Для различных видов сигналов значение принимается равным 10^-2, 10^-3 и даже 10^-5 .

Средняя и максимальная мощности сигнала должны быть таки­ми, чтобы при прохождении сигнала по каналу передачи не превы­шались допустимые значения, обеспечивающие неискаженную передачу сигналов для правильного воспроизведения передавае­мого сообщения на приеме.

Минимальная мощность - это мощность эквивалентного синусоидального сигнала с амплитудой U_m , которая превышается мгновенным значением переменной составляющей сигнала U(t) с определенной вероятностью, которая обычно равна 0,98.

Возможный разброс мощностей первичного сигнала в конкретно точке канала характеризуется динамическим диапазоном D_С , под которым понимается отношение вида:

, дБ (2)

где максимальная (пиковая) мощность и минимальная мощность сигнала в одной и той же точке канала.

Превышение максимальной мощности сигнала средней мощно­сти называется пик-фактором Q_C , определяемым по формуле

, дБ (3)

Превышение средней мощности первичного сигнала W_cp средней мощности помехи W_п называется защищенностью, которая равна

, дБ (4)

Первичные сигналы электросвязи (непрерывные и дискретные) являются непериодическими функциями времени. Таким сигналам соответствует сплошной спектр, содержащий бесконечное число частотных составляющих. Однако всегда можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена основная энергия сиг­нала (не менее 90 %) и ширина которого равна

(5)

где минимальная частота первичного сигнала; макси­мальная частота первичного сигнала. Этот диапазон еще называют эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ) сигнала, устанав­ливаемой экспериментально, исходя из требований качества пере­дачи для конкретного вида первичных сигналов.

Произведение трех физических параметров первичного сигнала: длительности Т_С , динамического диапазона D_С и эффективно пере­даваемой полосы частот F_C , т.е.

(6)

называется объемом первичного сигнала.

Важным параметром первичного сигнала является его потенци­альный информационный объем или количество информации I_С , переносимое им в единицу времени и равное

, бит/с (7)

где коэффициент активности источника первичного сигнала (для телефонных сигналов берется равным 0,25...0,35, а для ос­тальных - 1);

эффективно передаваемая полоса частот, Гц;

средняя мощность первичного сигнала и средняя допус­тимая мощность помехи.

Классификация первичных сигналов разнообразна, но наиболь­шее применение нашла классификация по виду передаваемых сигналов и по виду передаваемых сообщений. Классификация по виду сигналов охватывает аналоговые, дискретные и цифровые сигналы, узкополосные и широкополосные.

Аналоговым (непрерывным) сигналом называется сигнал электросвязи, у которого величина представляющих (информацион­ных) параметров может принимать непрерывное множество состояний. Аналоговым сигналом может быть и импульсный сигнал, если один из его параметров (амплитуда, длительность, частота следова­ния, фаза) принимает бесчисленное множество состояний.

Дискретным называется сигнал электросвязи, у которого вели­чина одного из представляющих параметров квантуется, т.е. имеет счетное множество состояний.

Цифровым называется сигнал электросвязи, у которого счетное множество величин одного из представляющих параметров опи­сывается ограниченным набором кодовых комбинаций. Примерами таких сигналов являются: сигналы передачи данных и телеграфии, сигналы телеконтроля и телеуправления, телемеханики и др.

Если отношение граничных частот эффективно передаваемой полосы частот первичного сигнала / , то такие сигналы называются узкополосными, а если / , то такие сиг­налы называются широкополосными.

Классификация первичных сигналов по виду передаваемых со­общений охватывает телефонные (речевые) сигналы и сигналы звукового вещания, сигналы передачи данных и телеграфии, телевизионные сигналы и факсимильные сигналы, сигналы телемеханики, телеуправления и телеконтроля, являющиеся част­ным случаем сигналов передачи данных.

§ Телефонные (речевые) сигналы

Для понимания сущности физических параметров речевых, а потом и телефонных сигналов, рассмотрим процесс речеобразования.

В образовании звуков речи принимают участие легкие, гортань с голосовыми связками, образующими голосовую щель, область носоглотки, язык, зубы и губы. В процессе произнесения речи чело­век вдыхает воздух и наполняет им легкие, которые через бронхи продувают воздух в гортань и далее через вибрирующие голосовые связки в полость рта и носа.

Голосовые связки, то сжимая, то открывая голосовую щель, про­пускают воздух импульсами, частота следования которых называ­ется основным тоном. Частота основного тона лежит в пределах от 50...80 Гц (очень низкий голос - бас) до 200...250 Гц (женские и детские голоса).

Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40), амплитуда которых убывает с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву. Например, амплитуда

составляющей импульсов основного тона с частотой 100 Гц на 12 дБ больше амплитуды ее второй гармоники - 200 Гц, которая, в свою очередь, на 12 дБ больше соответствующей ей второй гар­моники, т.е. 400 Гц, а вторая гармоника частоты 400 Гц будет на 12 дБ больше составляющей с частотой 800 Гц и т.д.

Импульсы воздуха встречают на своем пути систему резонато­ров, образуемых объемами полости рта и носоглотки, положением языка, зубов и губ и изменяющихся в процессе произнесения раз­личных звуков. Проходя через эту систему резонаторов, одни гар­монические составляющие импульсной последовательности основного тона получают усиление, а другие - ослабление. Карти­на спектра звука (гласного), излучаемого ртом, принимает вид, изображенный на рис., где приняты следующие обозначения: р - уровни спектральных составляющих частоты основного тона; f₀ - частота основного тона; 1, 2, З...n - гармоники частоты основного тона.

Рис. Спектр формирования звука

Отметим, что частота основного тона меняется в значительных пределах при переходе от гласных звуков к согласным, и наоборот.

На рис. ясно видны усиленные области частот, характерные для спектра конкретного звука. Эти усиленные области частот называются формантными областями или просто формантами. Звуки речи отличаются друг от друга числом формант и их распо­ложением в частотной области. Поскольку форманты значительно мощнее других составляющих, то они главным образом и воздейст­вуют на ухо слушающего, формируя звучание того или иного звука.

Разборчивость передаваемой речи зависит от того, какая часть формант доходит до уха слушающего без искажений и какая иска­зилась или по тем или иным причинам не была услышана. Пред­ставленный на рис. вид спектра соответствует произнесению гласных звуков, обладающих заметной периодичностью. Многие согласные звуки непериодичны, и их частотные спектры являются либо полностью сплошными, либо содержат в своем составе участ­ки сплошного спектра (штриховая линия на рис.).

Максимально в отдельных звуках замечено до шести усиленных частотных областей. Некоторые из них никакого значения для рас­познавания звуков не имеют, хотя и несут в себе довольно значи­тельную энергию. Спектральные исследования отдельных звуков русского языка отмечают наличие максимально четырех формант с условными максимумами на частотах 500 Гц (первая форманта), 1500 Гц (вторая форманта), 3500 Гц (третья форманта). Важными являются первые одна-две форманты (на оси частот) и исключение из передачи любой из них вызывает искажение передаваемого звука, превращая его в другой звук, либо вообще потерю им призна­ков человеческой речи. Первые три форманты звуков речи лежат в полосе частот от 300 до 3400 Гц, что и позволяет считать эту полосу частот вполне достаточной для обеспечения хорошей разборчивости передаваемой речи, сохранения естественности звуча­ния и тембра голоса, узнаваемости говорящего.

Следовательно, эффективно передаваемая полоса частот теле­фонного сигнала может быть принята равной = 0,3...3,4 кГц.

Исследования по определению минимальной, максимальной и средней мощностей телефонного сигнала с учетом характеристик микрофонов телефонных аппаратов, типов и характеристик абонент­ских и соединительных линий телефонных сетей, особенностей гово­рящих позволяют сделать следующие выводы:

• при средней активности источника телефонного сигнала = 0,25...0,35 минимальная мощность телефонного сигнала в точке нулевого относительного уровня равна = 0,1 мкВтО;

• средняя мощность телефонного сигнала в этой же точке на ин­тервалах активности источника равна = 88 мкВтО;

• максимальная мощность телефонного сигнала с вероятностью превышения = 10^-5 в точке нулевого относительного уровня равна = 2220 мкВтО.

Тогда динамический диапазон и пик-фактор будут равны соответственно

D_T = 43 дБ (в практических расчетах принимают D_T = 40 дБ)

= 14 дБ, что и берется при расчетах.

Для оценки количества информации, содержащейся в телефон­ном сигнале, подставим в соответствующее выражение величины

= 0,33, = 3400 - 300 = 3100 Гц , = 88 мкВтО и мощность помехи =0,1 мкВтО ,

получим I_Т = 10 000 бит/с.

§ Сигналы звукового вещания

Источниками первичных сигналов звукового вещания являются высококачественные микрофоны. Эти сигналы представляют чере­дование сигналов различного вида: речи, вокальных и инструментальных музыкальных произведений от сольного исполнения до симфонических оркестров.

Частотный спектр сигналов вещания занимает полосу частот от 15 (звук барабана) до 20 000 Гц. Однако в зависимости от требова­ний к качеству воспроизведения эффективно передаваемая полоса частот (ЭППЧ) отводимая для передачи сигналов вещания, может быть значительно ограничена. Для достаточно высокого качества воспроизведения сигналов звукового вещания его ЭППЧ должна составлять 50 ... 10 000 Гц. Для получения безукоризненного воспроизведения программ вещания полоса частот сигнала веща­ния должна составлять 30 ... 15 000 Гц.

Значение средней мощности сигнала вещания существенно зависит от интервала усреднения. В точке с нулевым относительным уровнем мощность сигнала составляет 923 мкВтО при усреднении за час, 2230 мкВтО - за минуту и 4500 мкВтО - за секунду. Максимальная мощность сигнала звукового вещания в этой же точке состав­ляет 8000 мкВтО.

Динамический диапазон сигнала вещания D_зв весьма широк, так как должны быть переданы сигналы минимальной мощности (на­пример, шорох листьев в тихую летнюю ночь) и максимальной (например, рев моторов взлетающего лайнера), и достигает величины 100...110 дБ. Динамический диапазон речи диктора равен 25...35 дБ, художественного чтения - 40...50 дБ, небольших во­кальных и инструментальных ансамблей - 45...55 дБ, симфониче­ского оркестра - 60...65 дБ.

При определении динамического диапазона сигнала вещания максимальным считается такой его уровень мощности, вероятность превышения которого составляет 2 %, а минимальным - уровень, вероятность превышения которого равна 98 %.

Для качественной передачи сигналов звукового вещания и их восприятия обходятся динамическим диапазоном D_зв = 65 дБ.

Потенциальная информационная емкость сигнала звукового ве­щания при реальных значениях помех в зависимости от ширины ЭППЧ лежит в пределах 140...200 кбит/с.

§ Факсимильные сигналы

Факсимильная связь - вид электросвязи, обеспечивающей пере­дачу неподвижных изображений: фотографий, чертежей, текстов (в том числе и рукописных), газетных полос и др.

Первичные факсимильные сигналы получаются при помощи процесса электрооп­тической развертки неподвижного изображения, заключающегося в преобразовании светового потока, отражаемого элементами изображения, в электрические. Упрощенная схема одной модели формирования первичного факсимильного сигнала приведена на рис.

Рис. Структурная схема формирования и передачи факсимильного сигнала

Передаваемое изображение на листе соответствующего форма­та накладывается на барабан передающего факсимильного аппара­та, который находится на валу электрического двигателя Д; оптическая система передающего факсимильного аппарата, со­стоящая из осветительного элемента - ОЭ (светодиод, лазерный диод), системы оптических линз Л₁ Л₂, создает на поверхности изображения яркое световое пятно малого диаметра, которое пе­ремещается вдоль оси барабана.

При вращении барабана световое пятно по спирали обегает ба­рабан и, следовательно, сканирует все элементы изображения. Отраженный элементами изображения световой поток воздействует на фотоэлемент ФЭ, создавая в его цепи тем больший ток, чем светлее (белее) элемент изображения. В результате в цепи ФЭ получается пульсирующий ток , мгновенное значение которого определяется отражающей способностью элементов изображения.

Далее ток факсимильного сигнала поступает на «Передатчик», согласующий параметры сигнала с параметрами канала передачи и, следовательно, формирующий первичный факсимильный сигнал.

С выхода канала передачи факсимильный сигнал поступает в «Приемник» и затем на осветительный элемент - ОЭ приемного факсимильного аппарата. Интенсив­ность светового потока ОЭ пропорциональна мгновенному значе­нию сигнала на выходе «Приемника». Пучок света фокусируется системой линз Л₃ и подается на барабан приемного аппарата, на котором закреплена светочувствительная бумага. Барабан прием­ного аппарата вращается синхронно и синфазно с барабаном пере­дающего аппарата. Световое пятно так же, как и в «Передатчике», перемещается вдоль оси барабана по светочувствительной бумаге и формирует копию передаваемого изображения.

Частотный спектр факсимильного сигнала определяется характе­ром передаваемого изображения, скоростью развертки (вращения барабана) и размером анализирующего светового пятна. Макси­мальная частота факсимильного сигнала получается при чередова­нии черных и белых полей изображения, ширина которых равна диаметру светового пятна. В этом случае частота сигнала

Гц (8)

где D - диаметр барабана, мм; N-число оборотов барабана в минуту, об/мин; d-диаметр светового анализирующего пятна, мм.

Международным союзом электросвязи (МСЭ) рекомендованы сле­дующие параметры факсимильных аппаратов: N = 120, 90 и 60 об/мин; диаметр барабана D = 70 мм и диаметр светового пятна d = 0,15 мм. Соответственно из (8) получаем = 1465 Гц для N = 120 об/мин, = 1100 Гц для N = 90 об/мин и = 732 Гц для N = 60 об/мин. При передаче газетных полос частота сигнала достигает 180...250 кГц.

При передаче реальных изображений получается первичный сиг­нал сложной формы, энергетический спектр которого содержит частоты от 0 до . В зависимости от характера изображений они подразделяются на штриховые, содержащие две градации яркости, и полутоновые, число градаций которых определяется требова­ниями качества передачи факсимильного сообщения.

Динамический диапазон сигнала, соответствующего передаче полутоновых изображений, составляет приблизительно D_ф 25 дБ.

Пик-фактор факсимильного сигнала Q_ф определяется из соот­ношения

,

где и - максимальное и среднеквадратическое значе­ния напряжения факсимильного сигнала соответственно.

Пик-фактор факсимильного сигнала определяется из следующих рассу­ждений. Предположим, что все градации яркости полутонового изображения равновероятны, т.е. появление i-й градации р_i = 1/к, где к - количество градаций яркости, обеспечивающих заданное качество передачи. Перенумеруем в порядке возрастания уровни сигнала, соответствующие различным градациям яркости таким обра­зом, что напряжение i-го уровня будет равно , а среднеквадратическое значение сигнала

Известно, что

и поэтому

Следовательно,

(9)

При k = 16 пик-фактор факсимильного сигнала будет равен Q_ф 4,4 дБ. Заметим, что увеличение числа градаций яркости мало влияет на рост пик-фактора. Несложно показать, что при пик-фактор стремится к величине = 4,8 дБ.

Динамический диапазон факсимильных сигналов будет равен

(10)

Необходимая защищенность полутоновых сигналов, как и штри­ховых, равна А_зф = 35 дБ. При этом потенциальная информацион­ная емкость факсимильных сигналов будет равна

(11)

где число градаций для штриховых изображений равно k = 2.

Одним из важнейших видов факсимильной связи является переда­ча газет в пункты их печатания. Для этого используются специальные высокоскоростные факсимильные аппараты, обеспечивающие высо­кое качество копий засчет существенного увеличения четкости – уменьшения диаметра анализирующего пятна до 0,04...0,06 мм. Для типовой аппаратуры передачи газетных полос наивысшая частота сигнала достигает 180 кГц, а время передачи газетной полосы 2,3...2,5 мин. Изображение газетной полосы является штриховым, т.е. k = 2. Информационная емкость такого сигнала, согласно (11), равна 360 кбит/с.

§ Телевизионные сигналы

Первичный телевизионный сигнал формируется методом элек­тронной развертки с помощью развертывающего луча телевизион­ной передающей трубки, преобразующей оптическое изображение в видеосигнал или сигнал яркости.

Подвижное изображение передается в виде мгновенных фото­графий - кадров, сменяющих друг друга. Причем для создания эффекта плавного движения передается Z_K = 25 кадров в секунду. Каждый кадр разлагается на строки, число которых определяется установленными стандартами. В широко распространенном стан­дарте каждый кадр раскладывается на Z_c = 625 строк. Чтобы смена кадров на экране приемной телевизионной трубки (кинескопе) была незаметной (без мерцаний), число изображений должно составлять не менее 50 кадров в секунду. А это требует увеличения скорости развертки, что усложняет оборудование формирования и передачи телевизионных сигналов. Поэтому для устранения возможного мерцания каждый кадр передается в два этапа: сначала передают­ся только нечетные строки, а затем - четные. В результате на экра­не кинескопа создается кадр из двух изображений, называемых полями, или полукадрами. Число последних в секунду составляет 50, и смена изображений становится незаметной и, благодаря этому, формируется немерцающее изображение. Вследствие инерционности зрения передача 50-ти полукадров в секунду восприни­мается как слитное движущееся изображение.

На время смены строк и кадров развертывающий луч приемной трубки должен быть погашен. Для чего на управляющий элек­трод трубки подается напряжение, равное напряжению видеосигнала при передаче черного поля. Передающая телевизионная камера поэтому дополняется устройствами, которые доводят напряжение сигнала во время обратного хода луча до величины, соответствую­щей напряжению видеосигнала при передаче черного поля. Возни­кающие при этом импульсы напряжения называются гасящими импульсами.

Движение развертывающих лучей передающей и приемной те­левизионных трубок должно быть синхронным и синфазным. Для этого от передатчика телевизионного сигнала к его приемнику передаются синхронизующие импульсы: в моменты перехода луча от конца одной строки к началу следующей передаются им­пульсы строчной синхронизации, а в моменты перехода от конца каждого кадра (полукадра) к началу другого - импульсы кадровой синхронизации. Чтобы синхроимпульсы не создавали помех изображению, их передают в то время, когда луч кинескопа пога­шен, т.е. во время передачи гасящих импульсов.

Разделение синхронизирующих и гасящих импульсов в приемни­ке осуществляется по уровню: если гасящие импульсы передаются с уровнем, соответствующим уровню видеосигнала при передаче черного поля, то синхроимпульсы передаются с уровнем, соответ­ствующим уровню видеосигнала, который получался бы при пере­даче поля «чернее черного».

Обобщенная структурная схема формирования телевизионного сигнала приведена на рис., где приняты следующие обозначения: ГСР - генератор строчной развертки и ГКР - генератор кадровой развертки передающей и приемной телевизионных трубок; ГССИ - генератор строчных синхроимпульсов; ГКСИ - генератор кадровых синхроимпульсов; ЗГ - задающий генератор; ГСГИ - генератор строч­ных гасящих импульсов; ГКГИ - генератор кадровых гасящих импульсов; ВУ - видеоусилитель тракта передачи и тракта приема; Пер - передатчик телевизионных сигналов и сигналов звукового сопровождения; ЗС - оборудование формирования сигналов звуково­го сопровождения тракта передачи и тракта приема; КП - канал передачи; Прм - приемник телевизионных сигналов и сигналов звуко­вого сопровождения; ССИ - селектор синхроимпульсов.

Рис. Обобщенная структурная схема формирования телевизионного сигнала

Следовательно, первичный телевизионный сигнал, поступающий на вход передатчика телевизионного канала, представляет после­довательность импульсов с непрерывно изменяющейся амплитудой (напряжением). Эти импульсы повторяются с частотой следования строк F_c = Z_K Z_C = 25 625 = 15 625 Гц, а время передачи одной строки равно

1/F_C = Т_с = 64 мкс.

В промежутках между ними передаются импульсы строчной и кадровой синхронизации, имеющие постоян­ные амплитуды.

Ширина спектра первичного телевизионного сигнала может быть определена следующим образом. Максимальная частота спектра соответствует передаче чередующихся черных и белых квадрат­ных элементов изображения. Вертикальный размер элементов определяется размером строки. Учитывая, что ширина кадра отно­сится к его высоте как 4/3, нетрудно определить число элементов М, содержащихся в одной строке: оно равно

М = (4/3)Z_c².

Учитывая, что в секунду передается 25 кадров (50 полукадров, состоящих поочередно из четных и нечетных строк изображения), общее число элементов, передаваемое за секунду, будет равно 25М. Время передачи одного элемента, следовательно, будет равно

= 1/25М = 3/(4 625² 25) = 0,083 мкс.

Максимальная частота спектра телеви­зионного сигнала будет равна

F_макс = 1/2 = 1/2 0,083 10^-6 = 6 МГц.

Таким образом, полагая нижнюю граничную частоту телевизионного спектра равной 50 Гц (частота смены полукадров), общая ширина спектра телевизионного сигнала принимается равной 50 Гц...6 МГц с учетом передачи сигналов звукового сопровождения.

Энергетический спектр телевизионного сигнала имеет дискрет­ный характер, максимумы энергии которого сосредоточены вблизи гармоник частоты строк nF_c (n = 1, 2, 3,...). Однако практически вся энергия сигналов яркости сосредоточена в диапазоне от 0...1,5 МГц. Эта особенность видеосигнала используется при организации видеотелефонной связи, организуемой в полосе частот от 50 Гц до 1,2...1,5 МГц.

Защищенность сигналов яркости от помех должна быть не менее 48 дБ. Число градаций яркости телевизионного сигнала приблизи­тельно равно k = 100 и согласно (10) динамический диапазон ви­деосигнала будет равен D_ТВ = 40 дБ. Пик-фактор сигнала, как было показано при рассмотрении полутонового факсимильного сигнала (9), не превышает 4,8 дБ, а потенциальный информационный объем телевизионного сигнала равен (11) I_ТВ = 6,64 6,0 10⁶ lg 100 80 Мбит/с.

Все рассмотренное выше справедливо для сигналов черно-белого телевидения. Сигналы цветного телевидения имеют некото­рые особенности.

§ Сигналы передачи данных и телеграфии

Первичные сигналы телеграфии и передачи данных получаются на выходе телеграфных аппаратов или аппаратуры передачи дан­ных и представляют последовательность однополярных (рис. а)

или двухполярных (рис. б) прямоугольных импульсов постоянной амплитуды и длительности.

Рис. Сигналы передачи данных и телеграфии

При этом положительный импульс обычно соответствует передаваемому символу «1», а пропуск или отрицательный импульс - символу «0». Такие сигналы принято называть двоичными.

На рис. приняты следующие обозначения: C(t) - первичный сиг­нал передачи данных и телеграфии; А_т - амплитуда импульсов и - длительность импульсов.

Кроме этих параметров импульсной по­следовательности, вводится понятие тактовой частоты, под кото­рой понимается отношение вида F_T = 1/ и которая численно равна скорости передачи в бодах (В). Отметим, что значение тактовой частоты F_T и скорости передачи В совпадают только в случае пере­дачи двоичных последовательностей. При переходе к многопозици­онным кодам такого совпадения нет.

Вероятность появления «1» и «0» для однополярной последова­тельности импульсов (иногда называемой обобщенным телеграф­ным сигналом) и импульсов положительной или отрицательной полярности, а также статистические связи между импульсами опре­деляются свойствами источника сообщения. Чаще эти вероятности равны 0,5, и импульсы последовательности принимаются статисти­чески независимыми.

Определим основные физические параметры первичных сигна­лов телеграфии и передачи данных.

Такая характеристика, как динамический диапазон, для сигналов передачи данных и телеграфии, как и для всех двоичных сигналов, не применяется, так как по самому определению для такого класса сигналов не имеет смысла.

Информационная емкость сигналов передачи данных и телегра­фии равна скорости передачи, т.е.

Для определения полосы частот, необходимой для качественной пе­редачи сигналов телеграфии и передачи данных, воспользуемся поня­тием спектральной плотности амплитуд элементарного сигнала: прямоугольного импульса с амплитудой А_т и длительностью .

Спектральную плотность амплитуд такого импульса, иногда на­зываемого видеоимпульсом, получим, применив к нему прямое преобразование Фурье:

(12)

Из анализа (12) следует наличие нулей спектральной плотности амплитуд. Эти нули располагаются на частотах, где , т.е. при , и, следовательно, на частотах f_k = k/ = kF_T , т.е. нули спектральной плотности амплитуд одиночного прямоугольного импульса располагаются на гармониках тактовой частоты.

При (12) принимает значение

т.е. начальное и одновременно наибольшее значение спектральной плотности импульса равно его площади . График спек­тральной плотности амплитуд видеоимпульса (одиночного прямо­угольного импульса - элементарной посылки) показан на рис. ниже.

Рис. Спектральная плотность амплитуд видеоимпульса

Из рассмотрения рис. следует, что основная энергия (более 90%) импульса находится в полосе частот от 0 до F_T = 1/ , т.е. в полосе частот главного «лепестка» его спектральной плотности амплитуд, а в полосе частот от 0 до F_T / 2 - более 60 %.

Другим предельным видом сигнала передачи данных и телегра­фии является сигнал, соответствующей передачи «точек», т.е. периодической последовательности токовых «1» и бестоковых «0» посылок (см. рис. ниже).

Рис. Телеграфный сигнал, соответствующий передача «точек»

Здесь, кроме уже принятых, введем новые обозначения: Т_и - период следования импульсов, а 1/Т_и = F_u - час­тота следования импульсов; Т_и / = q_u - скважность импульсов (для передачи «точек» скважность q = 2).

Периодический сигнал может быть представлен рядом Фурье:

(13)

Анализ формулы (13) показывает, что периодическая последо­вательность импульсов, в самом общем случае, содержит постоян­ную составляющую с амплитудой

(14)

и гармоники частоты следования импульсов F_u с амплитудами

, (15)

число которых зависит от скважности периодической последова­тельности. Для случая передачи «точек» скважность q_u = 2 и фор­мула (13) приводится к виду:

(16)

Основная энергия периодической последовательности импуль­сов лежит в полосе частот от 0 до F_T = 2 F_u . Следовательно, спектр сигналов передачи данных и телеграфии, в самом общем случае, содержит непрерывную составляющую, спектральная плотность амплитуд которой совпадает со спектральной плотностью одиночного импульса, и дискретную составляющую, соответствующую спектру амплитуд периодической последователь­ности импульсов типа «точек». Следует, однако, иметь в виду, что при передаче двоичных сиг­налов в приемнике нет необходимости восстанавливать импульсы без искажений, т.е. строго сохранять их форму; для восстановления информации достаточно зафиксировать только знак импульса при двухполярном сигнале, либо наличие или отсутствие импульса для однополярного сигнала. Если спектр сигнала ограничить фильтром нижних частот (ФНЧ), близким к идеальному, то уверенный прием сигналов возможен при частоте среза, равной 0,5F_T , т.е. можно считать, что эти сигналы занимают полосу частот от 0 до 0,5F_T. Однако в реальных условиях верхнюю граничную частоту спектра сигналов телеграфии и пере­дачи данных принимают равной F_T или даже 1,2F_T. Это обусловлено тем, что при некоторых видах передачи информация заложена в изменениях длительности импульсов, а также мешающим дейст­вием помех. Можно считать, если не оговорены специальные условия, сигналы передачи данных и телеграфии занимают полосу частот от 0 до F_T . При передаче таких сигналов вероятность неправильно принято­го символа («1» или «0») или вероятность ошибки должна быть не хуже 10^-5. Это позволяет принять значение необходимой защищен­ности от помех не хуже 12 дБ.

§ Каналы передачи, их классификация и основные характеристики

Ключевыми понятиями техники телекоммуникационных систем и сетей являются канал передачи или канал электросвязи.

Каналом передачи называется совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между оконечными или проме­жуточными пунктами телекоммуникационных сетей.

Каналы передачи (далее просто «каналы») классифицируются:

• по методам передачи сигналов электросвязи различают аналого­вые и цифровые каналы. Аналоговые каналы, в свою очередь, под­разделяются на непрерывные и дискретные в зависимости от изменения представляющего (информационного) параметра сигнала. Цифровые каналы делятся на каналы с использованием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), каналы с использованием дифференциальной ИКМ и каналы на основе дельта-модуляции; каналы, в которых на одних участках используются аналоговые, а на других цифровые методы передачи сигналов, называются смешанны­ми каналами передачи;

• в зависимости от ширины полосы пропускания, в которой пере­даются сигналы электросвязи, и соответствия параметров каналов установленным нормам различают аналоговые типовые каналы тональной частоты, типовые первичный, вторичный, тре­тичный и четверичный широкополосные каналы; типовые каналы передачи сигналов звукового вещания, сигналов изо­бражения и звукового сопровождения телевидения;

• в зависимости от скорости передачи и соответствия параметров каналов установленным нормам различают основной цифровой канал, первичный, вторичный, третичный, четверичный и пятеричный цифровые каналы;

• по виду среды распространения сигналов электросвязи разли­чают: проводные каналы, организованные по кабельным и, реже, воздушным линиям связи, и каналы радиосвязи, организованные по радио, радиорелейным и спутниковым линиям связи.

Каналом электросвязи называется комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу пер­вичных сигналов электросвязи от преобразователя сообщения в первичный сигнал до преобразователя первичного сигнала в сообщение.

Помимо приведенной классификации, каналы электросвязи под­разделяются:

• по виду передаваемых первичных сигналов (или сообщений) различают: телефонные каналы (сотовая + проводная), каналы звукового вещания, телевизионные каналы, телеграфные каналы и каналы пере­дачи данных;

• по способам организации двусторонней связи различают: двухпроводный однополосный канал, двухпроводный двухполос­ный канал и четырехпроводный однополосный канал;

• по территориальному признаку каналы электросвязи подразде­ляются на международные, междугородные, магистральные, зоновые и местные.

Рассмотренная классификация каналов передачи и электросвязи соответствует сложившейся практике их организации и разработки требований к их основным параметрам и характеристикам, которые принято увязывать с соответствующими параметрами и характери­стиками первичных сигналов.

Канал может характеризоваться тремя параметрами:

1) эффективно передаваемой полосой частот F_K , которую канал способен пропустить с выполнением требований к качеству переда­чи сигналов;

2) временем T_K , в течение которого канал предоставлен для пе­редачи сигналов или сообщений;

3) динамическим диапазоном D_K , под которым понимается отно­шение вида

(1)

где максимальная неискаженная мощность, которая может быть передана по каналу; минимальная мощность сигнала, при которой обеспечивается необходимая защищенность от помех.

Очевидно, что передача сигнала с параметрами F_C , Т_с и D_c по каналу с параметрами F_K , Т_K и D_K возможна при условии

F_K F_C ; Т_K Т_C ; D_K D_C (2)

Произведение трех параметров канала V_K = D_K F_K Т_K называется его емкостью. Сигнал может быть передан по каналу, если его емкость не менее объема сигнала. Если система неравенств (2) не выполняется, то возможна деформация одного из параметров сигнала, позволяющих согласовать его объем с емко­стью канала. Следовательно, условие возможности передачи сигнала по каналу можно представить в общем виде

V_K V_C (3)

Канал характеризуется защищенностью

(4)

где мощность помех в канале.

Пропускная способность канала описывается следующим выра­жением:

(5)

где средняя мощность передаваемого по каналу сигнала.

§ Типовые каналы передачи

Канал тональной частоты.

Типовой аналоговый канал пере­дачи с полосой частот 300...3400 Гц и с нормированными параметрами и характеристиками называется каналом тональной частоты - КТЧ.

Нормированная (номинальная) величина относительного (изме­рительного) уровня на входе КТЧ равна p_вх = - 13 дБмО, на выходе КТЧ р_вых = + 4 дБмО. Частота измерительного сигнала принимается равной f_И3M = 1020 Гц (ранее 800 Гц). Таким образом, номинальное остаточное затухание КТЧ равно А_r = - 17 дБ, т.е. КТЧ вносит уси­ление, равное 17 дБ.

Эффективно передаваемой полосой частот КТЧ (составного и максимальной протяженности) называется полоса, на крайних частотах которой (0,3 и 3,4 кГц) остаточное затухание А_r на 8,7 дБ превышает величину остаточного затухания на частоте 1020 Гц (ранее 800 Гц).

Частотная характеристика отклонений остаточного затухания А_r от номинального значения (-17дБ) должна оставаться в пределах шаблона, приведенного на рис.

Рис. Шаблон допустимых отклонений остаточного затухания КТЧ

Фазочастотные искажения мало влияют на качество передачи речевых сигналов, но так как КТЧ используется для передачи и других первичных сигналов, большие фазочастотные искажения или неравномерность частотной характеристики группового време­ни прохождения (ГВП) недопустимы. Поэтому нормируются откло­нения ГВП от его значения на частоте 1900 Гц для простого канала длиной 2500 км. Динамический диапазон КТЧ составляет величину 30 – 35 дБ. Пропускная способность канала может быть оценена и составляет величину порядка 25 кбит/с.

Канал звукового вещания.

Типовой канал передачи с ЭППЧ 30...15 000 Гц (50...10 000 или 80...6300 Гц), предназначенный для передачи сигналов звукового вещания, называется каналом зву­кового вещания (КЗВ) высшего (второго, третьего) класса. К типовым КЗВ относятся каналы передачи сигналов звукового сопровождения телевидения.

Ширина полосы частот КЗВ выбирается таким образом, чтобы обеспечить передачу всех составляющих первичного сигнала звуко­вого вещания, существенно влияющих на качество воспроизведения речевой и музыкальной программ.

Эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ) КЗВ называется полоса частот, на крайних частотах которой остаточное затухание превосходит затухание на частоте 1020 (800) Гц на величину не более А_в = 4,3 дБ.

Нижняя граничная частота ЭППЧ КЗВ обычно принимается равной 30...80 Гц. Значение верхней граничной частоты определяется харак­теристиками оборудования канала вещания и трансляционных сетей, осуществляющих распределение программ вещания. В большинстве случаев эта частота лежит в пределах 6300...15000 Гц. Окончательно граничные частоты КЗВ выбираются так, чтобы произведение крайних частот ЭППЧ составляло 450000....500000. Значительные отклонения от указанного условия приводят к преобладанию в принимаемой по КЗВ программе низких (глухой тембр) или высоких (металлический тембр) тонов.

Амплитудно-частотные искажения в КЗВ изменяют соотношение громкостей составляющих звука. Поэтому неравномерность частот­ной характеристики остаточного затухания КЗВ должна быть не более ±(1...2) дБ на средних частотах и ±4,3 дБ - на краях ЭППЧ.

Динамический диапазон сигналов вещания очень велик. Совре­менные КЗВ не могут обеспечить передачу сигналов такого динамиче­ского диапазона. Ограничением «сверху» является перегрузка канала, ограничением «снизу» - помехи. Динамический диапазон КЗВ в 40 дБ можно считать вполне удовлетворительным. Защищенность от помех различного происхождения не должна опускаться ниже 60 дБ.

Допуск на величину нелинейных искажений обычно задают по коэффициенту нелинейных искажений k_н , величина которого не может быть более 0,03, а в высшем классе КЗВ – 0,0008.

Неравномерность частотной характеристики остаточного затуха­ния КЗВ в сторону занижения не должна превышать 1...1,5 дБ.

Канал изображения.

Типовой канал, предназначенный для пе­редачи полного цветного телевизионного сигнала, называется каналом изображения - КИ.

Важнейшей характеристикой качества телевизионного изобра­жения является четкость, позволяющая оценить способность канала передавать мельчайшие детали изображения.

Четкость изображения зависит от размеров развертывающего пятна передающей телевизионной трубки, числа строк разложения кадра, ширины ЭППЧ и от частотных характеристик КИ в пределах этой полосы частот. ЭППЧ КИ занимает диапазон 0...6,5 МГц. В пределах ЭППЧ частотные и фазовые искажения не должны пре­вышать допустимых, иначе вызванные ими изменения соотношений между амплитудами и фазами составляющих видеосигнала исказят форму последнего на экране приемной телевизионной трубки.

Отношение размаха сигнала изображения к размаху периодиче­ской помехи должно быть не менее: 30 дБ для помехи в полосе час­тот 50...100 Гц; 50 дБ для помехи в полосе частот от 1 кГц до 1 МГц и 46 дБ для помехи в полосе частот от 1 до 6 МГц.

Номинальная величина входного и выходного сопротивлений КИ должна быть равна 75 Ом при затухании несогласованности (отра­жения) не менее 24 дБ.

Широкополосные и цифровые каналы.

К широкополосным каналам (трактам) относятся: предгрупповой (ПШКГ), первичный (ПШК), вторичный (ВШК), третичный (ТШК) и четверичный (ЧШК) широкополосные каналы.

Для организации связи на телекоммуни­кационных сетях параметры и характеристики этих каналов должны быть унифицированы независимо от оборудования их образования.

Величины номинальных измерительных уровней, остаточного затухания и амплитудная характеристика измеряются на частотах 18 кГц для предгруппового, 82 кГц для первичного, 420 кГц для вторичного и 1545 кГц для третичного широкополосного канала.

На телекоммуникационных сетях организуются типовые цифро­вые каналы (тракты), основными из которых являются:

основной цифровой канал (ОЦК) со скоростью передачи 64 кбит/с;

субпервичный цифровой канал (СПЦК) со скоростью передачи 480 кбит/с;

первичный цифровой канал (ПЦК) со скоростью передачи 2048 кбит/с; (поток E1)

вторичный цифровой канал (ВЦК) со скоростью передачи 8448 кбит/с;

третичный цифровой канал (ТЦК) со скоростью передачи 34 368 кбит/с;

четверичный цифровой канал (ЧЦК) со скоростью передачи 139 264 кбит/с (140 Мбит/с).

Качество передачи по цифровым каналам определяется коэф­фициентом ошибок.