Лекции по ТПС

Сообщение — это форма представления информации: совокупность знаков, букв, цифр, состояний, содержащих ту или иную информацию. Например, в телеграфии сообщение — это текст, т. е. последовательность букв и цифр. В телефонии сообщение — это непрерывное изменение во времени звукового давления (передающее не только содержание, но и интонацию, тембр, ритм и т. д.), в телевидении сообщение — это изменение во времени яркости элементов изображения.

Передача сообщения (а, следовательно, и информации) осуществляется с помощью материального носителя (бумага, магнитная лента и т.д.) или физического процесса (звуковые, электромагнитные волны, электрический ток и т.д.).

Сигнал - это физический процесс отображающий (несущий) передаваемое сообщение. Чаще всего используются электрические сигналы, колебания тока или напряжения. Сигнал формируется изменением параметров физического носителя по закону передаваемого сообщения.

Сообщения могут быть (речь в телефонии) или не быть (текст в телеграфии) функциями времени, Сигнал всегда функция времени.

Основные виды сигналов. Если сигнал принимает любые значения в некотором интервале, его называют непрерывным по состояниям (рис. 1.1а). Если сигнал представляет собой функцию S(t), принимающую только определенные дискретные значения, то сигнал называют дискретным по состояниям (рис. 1.1б). Если сигнал задается на всей оси времени t, то его называют непрерывным (аналоговым, поскольку является копией, аналогом непрерывного сообщения), а если лишь в некоторые дискретные моменты времени t то дискретным по времени (рис. 1.1 в).

He всегда дискретное сообщение преобразуется в дискретный сигнал, непрерывное сообщение — в непрерывный сигнал. Дискретный по времени и по состояниям (цифровой) сигнал представлен на рис. 1.1г.

Рис. 1.1

11

Сообщение с помощью датчиков преобразуется в электрический процесс b(t), так называемый первичный сигнал. Датчиками могут быть микрофон, телеграфный аппарат, передающая телевизионная трубка и т. п. Иногда, первичный сигнал непосредственно передают по линии (городская телефонная связь), но, как правило, первичные сигналы с помощью модуляции преобразуются в высокочастотные сигналы.

Если передаваемое сообщение детерминировано (не случайно), т.е. заранее известно достоверно, то передача его не имеет смысла, поскольку оно не содержит информации. Реальное сообщение это всегда случайное событие, случайная величина, случайная функция. Сигнал всегда случайный процесс. Детерминированный сигнал можно использовать лишь для тестирования, испытания системы связи.

Основными параметрами сигнала являются: длительность (ТС), динамический диапазон (DС), ширина спектра (FС).

ТС - интервал времени, в пределах которого сигнал существует;

DС - отношение наибольшей мгновенной мощности сигнала к той наименьшей мощности которую надо отличить от нуля при заданном качестве передачи, измеряемое в децибелах:

D = 10 lg Pmax , дБ.

Pmin

Например, динамический диапазон речи диктора 25-35дБ; вокального ансамбля 45-60 дБ; симфонического оркестра 70-95 дБ.

FС - характеризует скорость изменения сигнала. Очень часто в технике связи спектр сигнала преднамеренно ограничивают, в связи с ограниченностью полосы пропускания аппаратуры и линии связи. Такое сокращение спектра производят исходя из заданного искажения сигнала. Например, в телефонии требуется обеспечить необходимую разборчивость и узнаваемость. Оказалось, что для этого достаточно использовать составляющие спектра речевого сообщения, заключенные в пределах 300-3400 Гц.

Ширина спектра телевизионного сигнала зависит от четкости изображения. При стандарте 625 строк верхняя частота спектра составляет 6 МГц.

Ширина спектра телеграфного сигнала зависит от скорости телеграфирования V и обычно верхняя частота FC=1,5V (V - число символов в секунду, Бод).

12

Можно использовать такую обобщенную характеристику как объем сигнала: VC=ТСDСFC.

Помеха - любое электромагнитное воздействие на сигнал, которое ухудшает верность воспроизведения передаваемых сообщений.

Помехи разнообразны по происхождению и по физическим свойствам:

-атмосферные (в радиоканалах, обусловлены электрическими процессами в атмосфере, энергия их в основном сосредоточена в диапазонах длинных и средних волн);

-индустриальные (возникают в результате резких изменений тока в электрических цепях различных устройств, например, электрического транспорта, системах зажигания двигателей и т.п.);

-помехи от посторонних радиостанций и радиоканалов (возникают из-за нарушения регламента рабочих частот, недостаточной стабильности элементов схем, плохой фильтрации гармоник сигнала, из-за нелинейных процессов в каналах - “перекрестные помехи”);

-импульсные шумы и прерывания связи (в проводной связи импульсные шумы определяются, например, работой устройства автоматической коммутации каналов);

-внутренние шумы аппаратуры (присутствуют практически во всех диапазонах, обусловлены хаотическим движением носителей зарядов в усилительных элементах, резисторах; особенно проявляются на сверхвысоких частотах, где остальные помехи невелики).

Вобщем случае влияние помехи n(t) на передаваемый сигнал S( ,t) может быть описано оператором y(t)=V[S( (t),n(t))].

Вчастном случае, когда этот оператор выражает сумму y(t)=S( ,t)+n(t), помеху называют аддитивной.

Если оператор выражает произведение: y(t)=S( ,t) ∙ n(t), помеху называют

мультипликативной.

Мультипликативная помеха возникает из-за изменения во времени амплитудных и фазовых характеристик канала, например при прохождении сигнала через среду с изменяющимися во времени параметрами; при многолучевом распространении радиоволны и т.д.

13

Среди аддитивных помех различного происхождения особое место занимают флуктуационные помехи, которые, как правило, являются непрерывными, случайными, нормальными (гауссовскими) процессами. Источником таких помех являются входные элементы или цепи приемных устройств.

Импульсные помехи - это хаотическая последовательность коротких импульсов (как правило, это помехи индустриального происхождения: например, на железных дорогах - от устройств контактной сети, автоматики и телемеханики).

Между сигналом и помехой отсутствует принципиальное различие они существуют в единстве, например, излучение радиопередатчика является полезным сигналом для “своего” приемника и помехой для других приемников.

Любая система железнодорожной автоматики, телемеханики и 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.

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 сообщение можно представить в виде некоторой функции времени т(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.

Физическая величина s(t), ток или напряжение, изменяющаяся в соответствии с передаваемым сообщением m(t), называется сигналом.

14

Процесс преобразования сообщений в сигналы осуществляется передающим устройством и состоит из одной или нескольких операций: преобразования неэлектрической величины в электрическую, кодирование сообщения и модуляция сигнала. 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 более удобную с технической точки зрения. Операция преобразования последовательности {mп} в последовательность al называется кодированием и осуществляется кодирующим устройством. Способы и цели кодирования могут быть различными.

Так, примитивное кодирование состоит в преобразовании каждой буквы сообщения в последовательность двоичных символов. 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 возмож-

ных значений, то число возможных комбинаций будет равно M mn . Число т называется основанием, а n – значностью 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 код 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 передачи 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 использу-

15

ется 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 сигнала-переносчика. Модуляция заключается в изменении одного или нескольких параметров переносчика: амплитуды, частоты, фазы, длительности. Модулированный параметр а получает приращение, пропорциональное модулирующему сигналу:

a a0 a u(t) a0 (1 a u(t)), a0

где a - максимальное абсолютное приращение модулируемого параметра,

а величина a (npu u(t) 1) представляет собой относительное изменение a0

этого параметра и называется коэффициентом модуляции. При передаче дискретных сообщения 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, частотная, амплитудо-фазовая виды модуляции.

Операцию формирования сигнала кратко можно представить в виде s F(m, f ), (1.1.1)

где F - нелинейная операция, включающая в себя операции кодирования и модуляции.

Сформированный таким образом сигнал с выхода передатчика поступает в линию передачи. Линией передачи называется физическая среда, используемая для распространения сигналов от передатчика к приемнику. Этой средой может быть физическая цепь (пара проводов, кабель, рельсовая цепь) или область пространства, в котором распространяются электромагнитные волны (радиосвязь в любом диапазоне частот, в том числе и оптическом).

16

В реальных линиях передачи всегда присутствуют помехи ξ(t) различного происхождения. Взаимодействие сигнала и помехи можно представить в виде некоторой линейной или нелинейной операции

(1.1.2)

На вход приемника поступает искаженный помехой сигнал х(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). Декодирующие устройство преобразует кодовые комбинации в элементы сообщения. В целом действие системы передачи информации можно описать выражением:

y W (x) W{V[ , 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. y(t) m(t) . Однако наличие помех в линии передачи 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 передачи информации. В него входят передатчик, линия связи и приемник. Любой канал характеризуется тремя основными параметрами:

а) полосой частот F f2 f1 , которую может пропустить канал, б) временем Т, в течение которого канал предоставлен для работы,

в) допустимым диапазоном уровней сигнала в канале (динамический диапа-

зон).

Линия связи вместе с передающим и приемным устройствами сигналов образуют систему передачи, которая может отличаться от других систем передачи:

–типом передаваемых сообщений;

–методами преобразования сообщений в сигналы и восстановления сообщений по принятым сигналам;

17

– физической средой, используемой в качестве линии связи (кабель симметричной конструкции, коаксиальный, волоконно-оптический, воздух).

По типу передаваемых сообщений системы передачи информации могут быть непрерывными и дискретными. Телеграфные системы передачи информации являются типичным примером дискретных систем. Системы телефонии, радиотелефонии, телевидения при аналоговых (непрерывных) способах модуляции относятся к непрерывным системам передачи информации. Для передачи непрерывных сообщений используются системы с различными видами импульсной модуляции. Такие системы можно отнести к типу смешанных систем передачи.

В дискретных системах передачи 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 передачи информации можно разделить на синхронные и асинхронные. В синхронных системах передачи передатчик и приемник работают синхронно, для чего используется специальный канал синхронизации. Примером синхронных систем являются телеграфные системы передачи, использующие пятизначный двоичный код Бодо. Примером асинхронных систем передачи 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 передачи передается несколько сообщений от различных источников, то она называется многоканальной.

Если по каналу передачи сигналы передаются только в одном направлении, то канал называется односторонним или симплексным. Если же сигналы могут одновременно передаваться в обоих направлениях, то канал называется двухсторонним или дуплексным. Дуплексные системы передачи информации имеют два канала (прямой и обратный), в общем случае не идентичных. В некоторых случаях в таких системах передача сообщений осуществляется лишь в одном направлении, а обратный канал используется для контроля и защиты от ошибок при передаче сообщений в прямом направлении. Такие системы называются системами с обратной связью. Обратная связь позволяет повысить качество передачи информации и надежность работы систем ЖАТС.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

18

1.Что понимается под термином «информация»?

2.Что является формой представления информации?

3.Что понимается под термином «сигнал»?

4.Что понимается под термином «помеха», виды помех по способу их взаимодействия с сигналом?

5.Что понимается под системой передачи информации?

ЛЕКЦИЯ 2. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ТЕОРИИ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ

Объектом передачи в системах ЖАТС являются сообщения, для оценки эффективности передачи и приема которых нужны особые критерии. Одним из таких критериев может служить количество информации, содержащейся в сообщении. Рассмотрим несколько примеров.

В телеграфных системах передачи сообщения представляют собой некоторый текст. Мерой количества информации в этом случае может служить количество слов или букв. При передаче телефонных сообщений количество информации будет определяться не только количеством слов, но и интонацией, тембром речи, диапазонов громкости звука. Аналогично, в телевизионном сообщении количество информации будет определяться степенью сложности изображения. Определить количество информации в любом сообщении позволяет теория информация, которая составляет часть курса теории передачи сигналов. Одной из характеристик системы передачи информации является максимально возможное количество информации, передаваемой (или принимаемой) в единицу времени. Определенная таким образом величина называется пропускной способностью передачи информации.

При наличии помех передаваемые сообщения искажаются. Большой уровень помех может привести к невозможности приема переданного сообщения. С этой точки зрения к системам передачи предъявляется требование верности передачи или степени соответствия принятого сигнале 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 передачи, определяемых способами передачи и приема сигналов. Способность системы передачи информации выполнять все свои функции при влиянии помех называется помехоустойчивостью системы передачи информации. Помехоустойчивость является важнейшей характеристикой системы

19

передачи информации. Количественная мера помехоустойчивости зависит от характера сообщений, помех и требований получателя.

При передаче дискретных сообщений, представленных в единой цифровой форме (в виде последовательностей нулей и единиц), влияние помех проявляется в ошибках при приеме символов сообщения. Количественной мерой здесь является вероятность ошибки, которую определяют разработчики аппаратуры теоретически на этапе разработки системы передачи. На практике, в условиях эксплуатации, оценкой вероятности ошибки является коэффициент ошибки, который определяется с помощью измерительных приборов.

При передаче непрерывных (аналоговых) сообщений помехоустойчивость оценивают величиной уклонения принятого сообщения от переданного. Величина уклонения определяется действием помех и искажений. Её удобно определять по такому критерию как минимум среднеквадратического отклонения принятого сигнала от переданного на интервале действия сигнала T:

где волнистая черта сверху означает усреднение по времени, физический смысл которого – действующее значение напряжения помехи, нормируемое в мВ или децибелах, а квадрат этой величины – мощность помехи, выраженная в пВт или децибелах мощности.

О значительном влиянии качества передачи информации на эксплуатационную работу различных систем ЖАТС свидетельствуют данные, приведенные в табл.2.1, которые получены при анализе алгоритмов и устройств помехоустойчивого приема дискретных сигналов в железнодорожных системах передачи дискретных сигналов.

20