Глава 4. Модели и характеристики непрерывных каналов связи. Типовые каналы передачи

4.1. Классификация каналов связи и их моделей

Каналом передачи в системах многоканальной связи является совокупность технических средств и сред распространения, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи между произвольно взятыми точками системы связи. Иначе говоря, канал связи имеет широкое толкование и под ним понимают технические устройства, линии связи, а также их последовательное соединение, обеспечивающие распространение сигнала между пунктами связи. Например, каналы связи образуют устройства в промежуточных цепях линиях связи и сама линия связи, тракты усилительной и фильтровой аппаратуры, пространство распространения электромагнитных волн и т.д.

Классификация каналов связи осуществляется по широкому классу критериев, задающих признаки классификации. Например, каналы классифицируются по типам проводящих систем, по соответствию параметров передач установленным нормам, типам проводящих систем, территориальному признаку. Выделим некоторую классификацию каналов связи.

В зависимости от назначения систем каналы бывают телеграфные, фототелеграфные, телефонные, звукового вещания, телевизионные, передачи данных, телеметрические, смешанные и т.д. По характеру распространения каналы подразделяют на радиоканалы и каналы проводной связи (воздушные, кабельные, волоконно-оптические, волноводные СВЧ тракты).

Основой передачи сигналов являются электромагнитные процессы в трактах систем связи. Поэтому более существенным признаком классификация каналов электрической связи является использование ими длин электромагнитных волн и частотного диапазона. Здесь можно выделить следующие каналы:

декакилометровые (сверхдлинные, СВД) с очень низкими частотами. Диапазон длин волн составляет 100…10км, диапазон частот – 3…30КГц;

километровые (длинные, ДВ) с низкими частотами. Диапазон длин волн составляет 10…1км, диапазон частот – 30…300КГц;

гектаметровые (средние, СВ) с средними частотами. Диапазон длин волн составляет 10…1км, диапазон частот – 300…3000КГц;

декаметровые (короткие, КВ) с высокими частотами. Диапазон длин волн составляет 100…10м, диапазон частот – 3…30МГц;

метровые (ультракороткие, УКВ) с очень высокими частотами. Диапазон длин волн составляет 10…1м, диапазон частот – 30…300МГц;

дециметровые (ультракороткие, УВЧ) с ультравысокими частотами. Диапазон длин волн составляет 100…10см, диапазон частот – 300…3000МГц;

сантиметровые (сверхвысокие, СВЧ) с сверхвысокими частотами. Диапазон длин волн составляет 10…1см, диапазон частот – 3…30ГГц;

миллиметровые (крайневысокие, КВЧ) с крайневысокими частотами. Диапазон длин волн составляет 10…1мм, диапазон частот – 30…300ГГц;

децимиллиметровые (гипервысокие, ГВЧ) с гипервысокими частотами. Диапазон длин волн составляет 1…0,1мм, диапазон частот – 300…3000ГГц.

Дальнейшая классификация каналов связи осуществляется исходя из типов моделей, описывающих те или иные каналы связи.

Структуру каналов связи удобно разбить на элементарные звенья (элементарные каналы). Затем рассматривать каждое звено в отдельности (рисунок 4.1.). Входной процесс является сигналом, поступающим на данное звено, и выходнойпроцесссигнал, передаваемыйна последующее звено канала связи. Описание

Рис. 4.1. Элементарное звено канала связи

элементарного канала (если не интересоваться внутренними процессами в нём) сводится к заданию математической модели взаимосвязи сигналов на входе и его выходе. Такая модель определяется системным оператором вида

. (4.1)

В выражении (4.1) оператор , связывающий совокупность (множество) входныхи выходныхвоздействий, называется математической моделью канала связи.

Описание (4.1) является весьма абстрактным, так как не оговаривает тип канала, обусловленный многообразием входных и выходных воздействий. Так, каналы связи по виду входных и выходных воздействий бывают:

а) непрерывные (по уровню), если инепрерывные процессы;

б) дискретные (по уровню), если идискретные процессы;

в) дискретно-непрерывные, если непрерывный (дискретный), адискретный (непрерывный) процессы.

Отсюда следует, что найти какую-либо универсальную формулу для оператора , пригодную для описания всех типов представления процессов в каналах связи, практически невозможно. Поэтому нужно определять модель для конкретного канала связи.

В дальнейшем нас будут интересовать непрерывные каналы связи, отражающие физическую сущность распространения (передачи) сигналов в системах электросвязи. Скажем, к непрерывным каналам связи относят каналы проводных и беспроводных линий связи, тракты усиления, фильтрации, модуляции и демодуляции сигналов.

Для непрерывных каналов связи математическую модель (4.1) связи между входным и выходнымсигналами, характеризующую работу элементарных звеньев, можно записать в общем виде с помощью функциональной зависимости

, (4.2)

где соответствующие частные производныего () иго () порядков (в (4.2.) аргументопущен). Наличие производных в (4.2) говорит о накоплении энергии в каналах связи. Такие каналы называютдинамическими. В противном случае, когда математическая модель (4.1) не определяется производными, т.е.

, (4.3)

называют безынерционными. В качестве примера динамических каналов могут служить тракты фильтрующих устройств, безыцнерционных каналов могут служить статические вольт-амперные характеристики электронных приборов: диодов, транзисторов и др.

Если в (4.2), (4.3) сигнал не зависит от времени начала приложения сигналана вход элементарного звена, то канал являетсястационарным, в противном случаенестацинарным.

Важнейший принцип классификации систем (каналов) связи основан на том, как система реагирует на сумму входных сигналов. Пусть входной сигнал является суперпозицией нескольких сигналов, т.е. или(произвольное число). Система (4.2) будетлинейной, если выходной сигнал представлен в виде суммы откликовсоответственно на каждый сигналв видеили, при этом

или (4.4)

.

Если условия (4.4) не выполняются, то система называется нелинейной.

Строго говоря, все физические каналы связи и составляющие их звенья в той или иной степени нелинейны. Однако много каналов в технике электросвязи достаточно точно описываются линейными моделями. Например, пренебречь нелинейностью можно в каналах усиления и фильтрации сигналов, в линиях передачи электрических и электромагнитных колебаний при обычных мощностях передатчиков. Нелинейность характерна в каналах модуляционного (демодуляционного) преобразования сигналов, в некоторых средах распространения радио- и оптических волн относительно мощных сигналов.