Тема «Основные характеристики сигналов и систем передачи информации»
Изучаемые вопросы:
1.Основные параметры сигналов.
2.Основные характеристики систем передачи информации.
3.Помехи и искажения в каналах связи.
4.Виды дискретной модуляции сигналов.
Основные параметры сигналов
В теории обработки информации сигнал принято отождествлять с объектом транспортирования, следовательно, аппаратура связи по существу является техникой транспортирования или передачи сигналов по каналам телекоммуникаций.
Далее определим параметры сигналов, которые являются основными при их передаче. К числу таких параметров относят:
1.Длительность сигнала TС. Любой сигнал, являющийся функцией времени, имеет свои границы, которые определяют его начало и завершение. Длительность сигнала – это интервал времени, в пределах, которого сигнал существует.
2.Динамический диапазон сигнала DC – отношение наибольшего значения мгновенной мощности к ее наименьшему значению, при котором обеспечивается заданное качество передачи информации.
Иногда под динамическим диапазоном также понимают отношение мощностей сигнала и помехи. Динамический диапазон определяется в дБ. В системах радиовещания динамический диапазон составляет порядка 50–60 дБ, при передаче музыкальных программ – 30 дБ, в системах телевидения – 60 дБ.
3. Ширина спектра сигнала FC – диапазон (полоса) частот, в пределах которого сосредоточена основная мощность сигнала.
Спектр сигнала может быть неограниченным, однако его сознательно сокращают с учетом ограниченных возможностей техники связи. Например, при телефонной связи (канал тональной частоты) сигнал передают в полосе частот от 300 Гц до 3400 Гц. То есть ширина спектра канала ТЧ в этом случае FC = 3,1 кГц. Этого диапазона частот оказывается вполне достаточно для обеспечивания разборчивости речи и узнаваемости абонентов по голосу. При передаче телевизионного сигнала важнейшим требованием является четкость принимаемого изображения. Например, при стандарте в 625 строк, верхняя частота сигнала составляет примерно 6 МГц. То есть спектр сигнала видеоизображения занимает значительно большую ширину спектра, чем спектр звукового сигнала. Для телеграфной связи ширина спектра, определяемая скоростью его передачи (скоростью телеграфирования), составляет (1.5 – 3.0) v, где v – скорость передачи, измеряемая в бодах и равная эл. пос. Обычно v = 50 Бод, FC ≈ 75 Гц.
4. Объем сигнала:
V |
= T |
F |
D |
C |
C |
C |
C |
Задача. Определите объем сигнала, если известна его длительность, динамический диапазон и ширина спектра.
TC = 5 мкс; DC = 10; FC = 15
Решение: VC = TC FC DC =
Ответ: VC = 750.
МГц.
5 10 |
−6 |
10 15 10 |
6 |
= 750 |
|
|
Объем сигнала дает наиболее полное представление о возможностях сигнала как переносчика информации. Чем больше объем, тем больше количество информации может перенести такой сигнал. Но, с другой стороны, тем труднее такой сигнал передавать по каналу связи с необходимым качеством.
Основные характеристики систем передачи информации
Задачей любой системы передачи информации является доставка сообщения от источника (абонента) к потребителю (другому абоненту), находящихся при этом в разных местах.
Отличие принимаемого сообщения от передаваемого определяется степенью искажения соответствующего сигнала, впоследствии воздействия на него помех, поэтому для оценки качества передачи и приема информации введено понятие помехоустойчивости – способности системы передачи информации противостоять вредному воздействию помех. При расчете помехоустойчивости используют количественную оценку степени соответствия принятого сообщения переданному с помощью величины, называемой вероятностью или доступностью.
При передаче дискретных сообщений степень соответствия обычно определяется вероятностью ошибки Pош, нахождение расчетных соотношений для этой величины является сложнейшей задачей. Как правило, эти соотношения являются функционально зависимыми от отношения сигнал-помеха.
Pош = f (q = PC |
/ PП ) , |
где PC – мощность сигнала; PП – мощность помехи.
При передаче непрерывных сообщений степень соответствия определяется значением среднеквадратического отклонения принятого сообщения от переданного:
2
=
T |
|
2 |
u (t ) − u '(t ) |
||
|
|
|
0 |
|
|
dt
,
где u(t), u’(t) – переданное и принятое сообщения.
Показатель достоверности (вероятность ошибки) определяет качество передачи информации, однако для оценки качества чаще всего применяют другой важнейший показатель – скорость передачи информации. Ранее была
введена величина технической скорости. Наряду с ней при расчете СПИ от двоичного источника применяется единица СПИ:
R = |
1 |
, |
|
T |
|||
|
|
где T – длительность посылки.
бит/с
,
Если код не является двоичным,
R
то есть его основание m > 2, то
= |
log |
m |
. |
2 |
|
||
|
|
|
|
|
T |
|
|
Как и для сигнала, существует понятие емкости канала связи – это произведение времени TК, в течение которого осуществляется передача, полосы пропускания FК и его динамического диапазона DК:
V |
= T |
F |
D |
К |
К |
К |
К |
При проектировании систем передачи информации должно выполняться условие VC ≤ VК. В простейших системах важно обеспечить TC ≈ TК, FС ≈ FК и DC ≈ DК. При невыполнении этих условий будут искажения.
Помехи и искажения в каналах связи
В процессе прохождения по реальным каналам связи сигналы подвергаются искажениям, поэтому полученные сообщения будут воспроизводиться с некоторыми ошибками. Они обусловлены характеристиками тракта, а также помехами, которые будут воздействовать на сигналы. Характеристики тракта могут меняться.
Такие изменения, как правило, носят регулярный характер, поэтому их можно устранить посредством составляющей корреляции. А вот помехи, воздействующие на сигнал, носят случайный характер, то есть они заранее неизвестны, поэтому их влияние нельзя полностью устранить.
Помеха – это любое случайное воздействие на сигнал, которое снижает достоверность воспроизведения передаваемых сообщений.
Существующие помехи очень разнообразны и по своей природе, и по физическому воздействию на сигнал. В радиоканалах различают:
1.Атмосферные помехи (грозы);
2.Индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений тока в цепях электроустройств;
3.Помехи от посторонних радиостанций, возникающее из-за плохой фильтрации гармоник сигналов, недостаточной стабильности частот, нарушения регламента рабочих частот, нелинейности каналов и др.;
4.Космические помехи, обусловленные электромагнитными процессами,
происходящими на солнце, звездах и т.д.
Вканалах проводной связи основными видами помех являются:
1.Импульсные шумы. Возникают при автоматической коммутации или вследствие перекрестных наводок.
2.Прерывание связи – это явление, при котором сигнал либо резко затухает, либо совсем пропадает. Например, из-за нарушения контактов при соединении.
Все такие помехи относят к внешним, однако еще есть и внутренние помехи, возникающие в аппаратуре, например, в усилителях, преобразователях частоты и др. Эти внутренние помехи главным образом обусловлены наличием тепловых шумов – хаотического движения носителей заряда (электронов) в проводниках. В общем случае влияния помех на полезный сигнал можно представить в виде оператора:
z(t) = L[S(t),
где S(t) – сигнал, n(t) – помеха.
n(t)]
,
Аддитивной называется помеха, которая при преобразовании входного сигнала представляется в виде слагаемого:
z(t) = S (t) + n(t)
Мультипликативная помеха – при преобразовании выходного сигнала представляется в виде множителя:
z(t) = S (t) k(t)
где k(t) – некоторый случайный процесс.
В реальных каналах будет смесь аддитивных и мультипликативных по-
мех:
|
z(t) = S (t) k(t) + n(t) |
||||
S(t) |
|
|
|
S(t)·k(t) + n(t) |
|
× |
+ |
||||
|
|
|
|||
k(t)
Мультипликативная помеха n(t) Аддитивная помеха
Между сигналом и помехой отсутствует принципиальное различие. Они существуют как единое целое, хотя и противоположны по своему действию, например, излучение передатчика радиостанции является положительным для приемника того абонента, которому оно предназначено, одновременно может служить помехой для приемников тех абонентов, которым оно не предназначено.